Что такое пластичность в строительстве
Механические свойства строительных материалов
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений. Предел прочности — напряжение соответствующей нагрузки, при которой происходит разрушение образца.
Основные характеристики стройматериалов
Прочность
Свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от приложенных нагрузок.
Прочность строительных материалов можно охарактеризовать пределом прочности при механическом воздействии: срезе, изгибании, растяжении, сжатии, срезе.
Предел прочности
Напряжение соответствующей нагрузки, при которой происходит разрушение образца.
Предел прочности — минимальная величина воздействия, при которой материал начинается разрушаться.
Прочность устанавливается в качестве маркировки.
Предельную величину определяют путем проведения различных испытаний образца материала. Среди стройматериалов наименьшим пределом прочности обладают тор-фоплиты — всего 0,5 Мпа.
Самый прочный материал — это высококачественная сталь — до 1000 Мпа.
Упругость
Свойство материала под воздействием нагрузок деформироваться и принимать после снятия напряжения исходные форму и размеры (резина). В отличии от хрупких тел упругие под воздействием внешних сил не разрушаются, а только деформируются.
При прекращении действия материал приобретает первоначальную форму. Ярким примером является резина. Если взять кусок этого материала и растянуть в разные стороны, то он удлинится, но стоит отпустить одну сторону — резина приобретет начальные размеры.
Пластичность
Свойство материала под воздействием нагрузки принимать другую форму и сохранять ее после снятия нагрузки.
Хрупкость
Свойство материала мгновенно разрушаться под действием сил (стекло, керамика). Под хрупкостью понимают способность вещества мгновенно разрушаться при незначительной деформации. Иными словами механическое воздействие на тело приводит к появлению трещин или раскалыванию. Примером хрупких материалов является стекло и керамика.
Сопротивление удару
Способность сопротивляться воздействию ударных нагрузок.
Твердость
Свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала (по шкале Мооса). Под твердостью понимается способность одного вещества оказывать сопротивление воздействию другого, более твердого. Для оценивания данного показатели принято использовать десятибалльную шкалу. Минимальную твердость имеет тальк-1, самый твердый материал — алмаз, с максимальным значением в 10 балов.
Износ
Разрушение материала под совместным воздействием ударных и истирающих усилий. Измеряется потерей массы в %.
Стираемость
Способность материала под действием силы трения терять свою массу и объем. Зачастую эту способность учитывают при организации дорожного покрытия, а также укладке полов в общественных местах.
При строительстве и ремонте зданий очень важно учитывать все свойства используемых материалов, так как от них будет зависеть срок службы и надежность конструкций.
Основные свойства стройматериалов:
Плотность
Представляет собой отношение массы материала к его объему в стандартных условиях, то есть с учетом пустот и пор. Чем больше количество пор, тем, соответственно меньше плотность вещества.
Плотность определяет массу строительной конструкции, ее теплопроводность и прочность.
Прочность строительного материала
Свойство вещества оказывать сопротивление нагрузке. Конструкции здания постоянно испытывают нагрузки разного рода, под которыми они сжимаются, растягиваются или сгибаются. Строительный материал ни в коем случае не должен терять свою структуру или разрушаться.
Теплопроводность
Характеризуется количеством тепла, которое проходит через толщину материала в один метр при разнице внешней и внутренней температуры в один градус по Цельсию.
Основными факторами, которые влияют на теплопроводность вещества — это показатель плотности степень влажности. Чем меньше их значение, тем меньше тепла пропускает материал.
Влажность
Количество влаги, которое содержится в порах материала, называют влажностью. Она рассчитывается в процентном соотношении к массе идеально сухого материала. Чем выше показатель влажности, тем меньше прочность материала и выше теплопроводность.
Водопроницаемость
Данный показатель показывает количество воды, которое может пройти через материал площадью один сантиметр за один час. Для расчета данного показателя используют специальные камеры, в которых создают условия приближенные к реальным. Например, чтобы рассчитать водопроницаемость наружных плит их помещают под установку, которая имитирует косой дождь. Кровельные материалы испытывают на выносливость: то есть помещают под струю воды и рассчитывают время, через которое на другой стороне вещества появятся следы влаги.
Морозоустойчивость
Свойство влажного материала сохранять свою структуру при неоднократной заморозке. Испытания проходят по такому алгоритму: материал напитывают влагой и помещают в морозильную камеру. Далее процесс заморозки чередуется с разморозкой. В зависимости от количества циклов, которое может выдержать вещество ем присваивается соответствующие значения при маркировке.
Огнестойкость
Способность материала сохранять свою структуру при воздействии высоких температур. Предел огнестойкости определяется как время, через которое конструкция уже не сможет сохранять свою прочность.
Строительные материалы классифицируют по нескольким параметрам в зависимость от их способности гореть, воспламеняться и тлеть.
Дата публикации статьи: 15 февраля 2016 в 20:36
Последнее обновление: 2 августа 2021 в 12:14
Механические свойства
Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.
Что такое Прочность?
Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.
Испытания на прочность
Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.
Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.
Упругость
Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.
От чего зависит упругость?
Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.
Пластичность
Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.
Пластичность — важное механическое свойство
Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.
Хрупкость
Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации. Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.
Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.
Твёрдость
Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.
Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.
При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.
Механические свойства строительных материалов
1-станина; 2- винтовое приспособление для зажима образца; 3-верхняя опорная плита; 4-испытуемый образец; 5-нижняя опорная плита с шаровой поверхностью; 6-поршень.
Это объясняется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимаются к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удерживают от расширения прилегающие поверхности образца, а боковые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается только силами сцепления между частицами.
Поэтому чем дальше находится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит разрушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича и т. п.) образуется характерная форма разрушения — образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами (рис. 2).
Рисунок-2. Образец куба после испытания на сжатие на гидравлическом прессе
На прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания, установленных для данного материала. В табл. 1. приведены характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов.
Таблица 1. Схема стандартных методов определения прочности при сжатии
Прочность зависит также от структуры материала, его плотности ( пористости), влажности направления приложения нагрузки.На изгиб испытывают образцы в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.
Предел прочности на изгиб (Па) определяют по формулам : при одном сосредоточенном грузе и балке прямоугольного сечения Rи=3Fl/(2bh²);
В таблицу-2 приведены схемы испытания и расчетные формулы.
Таблица-2.Схема стандартных методов определения прочности при изгибе и растяжении.
Динамической (или ударной) прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/см³) или площади поперечного сечения образца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, используемых при устройстве фундаментов машин, полов промышленных зданий, дорожных покрытий и т. п.
Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.) материала равен отношению показателя прочности R (МПа) к относительной объемной массе ϒ (безразмерная величина):
k.k.k=R/ϒ
Следовательно, это прочность, отнесенная к единице объемной массы. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой собственной объемной массе.
Для некоторых материалов значения к. к. к. (Rp/ϒ) приведены ниже: для стеклопластика — 450 : 2 = 225 МПа, древесины (без пороков) — 100 : 0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной — 1000 : 7,85 = = 127 МПа, стали — 390 : 7,85 = 51 МПа.
Для каменных материалов значения к.к.к. (Rcж/ϒ) составляют: для легкого конструкционного бетона — 40 : 1,8=22,2 МПа, тяжелого бетона — 40 : 2,4= 16,6 МПа, легкого бетона — 10 : 0,8= 12,5 МПа, кирпича — 10: 1,8 = 5,56 МПа.
Повышения к. к. к. можно добиться снижением объемной массы материала или увеличением его прочности.
Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей. Согласно уравнению Орована — Келли: σтеор=√ЕЭ/а,
где Е — модуль упругости; Э — поверхностная энергия твердого тела на 1 см2; а — межатомное расстояние (в среднем 2·10-8 см).
Следовательно, теоретическая прочность материала тем выше, чем больше его модуль упругости и поверхностная энергия и чем меньше межатомное расстояние.
Согласно приведенному выражению прочность твердого тела должна находиться между значениями E/5 и Е/10. Например, теоретическая прочность стали 30 000 МПа, в то время как прочность обычной стали около 400 МПа, а специальной проволоки — 3000 МПа. Теоретическая прочность стекла при комнатной температуре — 14 000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (толщиной 3 — 5 мкм) — 3500 — 5000 МПа, а обыкновенного стекла — только 70 — 350 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.
Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Запас прочности, обеспечивающий сохранность и долговечность конструкций зданий и сооружений, устанавливают нормами проектирования и определяют видом и качеством материала, условиями работы и классом здания по долговечности, а также специальными техникоэкономическими расчетами.
За последние годы в практику строительства внедряются новые методы контроля прочности, позволяющие испытывать без разрушения образцы или отдельные элементы конструкций. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении на заводах и строительных объектах, а также после установки их в зданиях и сооружениях.
Известны акустические методы, из которых наибольшее распространение получили импульсный и резонансный. Указанным методам присуще общее основное положение, а именно: физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям — скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частотой собственных колебаний материала и характеристикой их затухания.
Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.
Твердость материалов
Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов,бетонов, древесины и пластмасс определяют вдавливанием в них стального шарика или твердого наконечника в виде конуса или пирамиды.
В результате испытания вычисляют число твердости НВ=Р/F, где F-площадь поверхности отпечатка.От твердости материалов зависит их истираемость. Чем выше твердость, тем меньше истираемость.Это свойство материала важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.
Истираемость материала характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1 м² площади истирания-F. истираемость определяют по формуле (г/см²) : И= (m1-m2)/F, где m1 и m2 масса образца до и после истирания.
Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и др.
Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергают материалы для дорожных покрытий и балласта железных дорог.
Деформация — изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Если после снятия нагрузки образец материала восстанавливает свои размеры и форму, то деформацию называют упругой, если же он частично или полностью сохраняет изменение формы после снятия нагрузки, то такую деформацию называют пластической.
Деформативные свойства строительных материалов
Упругость — свойство материала восстанавливать после сня тия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал).
Пластичность — свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки.
Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным материалам относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т. п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации. К ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо — растяжению, изгибу, удару.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой.
Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости (Юнга), коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения, сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут определяться для специальных условий нагружения.
Рассмотрим связь строения и деформативных свойств материала.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δl в направлении действия силы (при сжатии — укорочение, при растяжении — удлинение).
Относительная деформация ε равна отношению абсолютной деформации Δl к первоначальному линейному размеру l тела:
Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации тела.
На частицы, из которых состоит твердое тело, одновременна действуют силы притяжения и силы отталкивания: кулоновская сила притяжения разноименных ионов и сила отталкивания электронных оболочек (рис. 3, а). Результирующая сила F, равная сумме сил притяжения и отталкивания, изменяется в зависимости от межатомного расстояния. Ее изменение можно наглядно представить используя пружинную модель межатомных сил (рис. 3, б). Когда твердое тело не нагружено, межатомное расстояние остается постоянным (хотя атомы совершают непрерывные колебания) и результирующая сила равна нулю. При превышении равновесного межатомного расстояния (растяжение стержня) атомы находятся под. действием сближающей силы. Наоборот, если расстояние между атомами уменьшается (сжатие стержня), то возникает отталкивающая сила сжатой пружины (см. рис. 3, б).
Рисунок-3. Схема сил взаимодействия между атомами:
а — межатомные силы в зависимости от расстояния между атомами; б — пружинная модель; 1 — сила притяжения; 2 — сила отталкивания; 3 — результирующая сила.
Наклон производной dF/dA в точке О связан с величиной модуля упругости и по существу закон Гука является приближенным соотношением, отражающим характер межатомных взаимодействий в диапазоне упругих деформаций.
Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию ε и одноосное напряжение σ линейным соотношением, выражающим закон Гука
ε = σ/Е.
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле σ=P/F, где Р — действующая сила; F — площадь первоначального поперечного сечения элемента.
Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости (табл. 3).
Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформаций, построенной на основании результатов испытания в координатах «напряжение — относительная деформация» (σ — ε).
Модуль упругости определяет тангенс угла наклона производной dσ/dε к оси деформаций. На рисунке-4 представлены кривые σ — ε для строительных материалов пластичных, хрупких и эластомеров.
Поликристаллические изотропные материалы (металлы, кристаллические полимеры и др.) сохраняют упругость при значительных напряжениях; для многих из них характерно пластическое разрушение, отмеченное площадкой текучести на диаграмме σ — ε (рисунке-4, а). При хрупком же разрушении пластические деформации невелики (рисунок-4, б).
Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у некоторых материалов проявляется при относительно невысоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (бетонов различного вида) оно отчетливо наблюдается уже при напряжениях, больших 0,2 предела прочности.
Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать 100%. Первоначально для распрямления цепей молекул эластомера требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает, так как увеличение деформаций вызывает разрыв связей уже выпрямленных молекул (рисунок-4, в).
Таким образом, диаграммы деформаций позволяют определить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.
Рисунок-4. Схемы диаграмм деформаций:
а — стали; б — бетона; в — эластомера
Если бы объем материала при одноосном упругом нагружении оставался постоянным, то наибольшее теоретическое значение μ=0,5. Силы притяжения и отталкивания в материале различным образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно отличаются от теоретического и различаются между собой: у бетона — 0,17 — 0,2, полиэтилена — 0,4.
Объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжатия (растяжения), К связан с модулем Юнга следующим соотношением:K=E/[3(1-2μ)].
Модуль сдвига связан с модулем Юнга посредством коэффициента Пуассона G=E/[2(1+μ)].
Поскольку μ=0,2-0.3, G составляет 35-42% от Е.
используя приведенную выше формулу для К, получим G=3K(1-2μ)/[2(1+μ)]. Экспериментально определив модуль Юнга и коэффициент Пуассона. можно вычислить модуль сдвига и объемный модуль упругости, пользуясь приведенными формулами.
Влияние строения на прочность материалов
Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. На рис. 12 представлен график прочности цементного бетона, показывающий, что увеличение пористости с 12,4 до 15,2% снизило прочность при сжатии с 37,5 до 26 МПа.
Рисунок-5. Кривая зависимости прочности цементного бетона от пористости
Подобная зависимость характерна и для других материалов (известняка, керамических материалов и пр.). Реальные кристаллические материалы имеют большее или меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения и могут располагаться даже между узлами кристаллической решетки (дефекты Френкеля). Их нормальные места остаются свободными и затем замещаются другими ионами. Следовательно, в узлах решетки могут быть свободные места (вакансии).
Другого рода дефекты возникнут в результате размещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основное вещество (примеси замещения), или между ними (примеси внедрения). Свойства кристаллических материалов зависят от дислокаций кристаллов.
Дислокация — это всегда одномерный (линейный) дефект кристаллической решетки, возникающий или в процессе образования кристалла, или в результате последующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации, бывают краевые, винтовые и смешанные — криволинейные.
Рисунок-6. Краевая дислокация в кристаллической решетке:
На рисунке-6 схематически изображена краевая дислокация. Отклонение от идеального строения кристалла вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на рисунке в экстраплоскости) по каким-то причинам оказался незавершенным. Кромка 3 — 3’ «лишнего» слоя атомов образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией (она обозначена на рисунке-6, знаком 1).
По обе стороны от кромки экстраплоскости атомы сдвинуты на угол, соответствующий теоретической прочности кристалла на сдвиг. Стоит приложить внешнее усилие, значительно меньшее теоретической прочности данного кристалла, чтобы осуществить сдвиг на одно межатомное расстояние в плоскости А — А, нормальной к экстраплоскости (рис. 7).
Рисунок-7. Схема пластического сдвига путем движения дислокации (по П. И. Полухину)
Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дислокацию из одного ряда атомов в другой, пока не вытолкнем дислокацию на грань кристалла. Механизм скольжения, основанный на движении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой (рисунок-8).
Рисунок-8. Складка ковра в качестве модели скольжения
При таком способе требуется значительно меньшее усилие, чем в случае перемещения ковра как единого целого. Дислокационная теория рассматривает пластический сдвиг в кристаллических материалах как скольжение путем движения дислокаций. Подвижность дислокаций зависит от того, насколько легко межатомная связь может быть разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый раз, когда дислокация перемещается на один шаг (межатомное расстояние), должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении предпочтительнее связи, обеспечивающие одинаковое притяжение во всех направлениях: металлическая и ионная.
Дислокации присутствуют почти во всех кристаллических материалах. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но зато придают пластичность поликристаллическим телам с металлической связью, делают металл ковким, затрудняют распространение трещин. По данным Ван Флека, теоретическая прочность железа на сдвиг около 7000 МПа, но практически кристалл очень чистого железа сдвигается при напряжении, меньшем в 1000 раз, — около 7 МПа; для рядовых сталей (по Гордону) прочность на сдвиг 150 — 250 МПа, для высокопрочных 1500 МПа.
Доказательством, подтверждающим объяснение низкой прочности кристаллов движением дислокаций, являются результаты изучения механических свойств «усов». Эти нитевидные кристаллы различных материалов, выращенные без краевых дислокаций, способны претерпевать упругую деформацию до 5 — 6% без признаков пластического течения. Бездислокационные «усы» способны выдержать напряжения сдвига, достигающие 5% от модуля сдвига; это на несколько порядков больше, чем у обычных кристаллов. В реальности дислокаций убеждают и непосредственные наблюдения.
Те места, где дислокации выходят на поверхность, выявляются с помощью химического травления в виде серий «оспинок» — ямок травления. Снят кинофильм о движении дислокаций. Плотность дислокаций (т. е. число дислокаций, пересекающих площадь в 1 см²) может быть весьма велика — до 10 7 — 10 8 (в отожженных металлах). При механических воздействиях дислокации перемешаются, взаимодействуют между собой и порождают новые дислокаций; в особенности в местах концентрации напряжений.
В результате этого их плотность возрастает до 10 10 — 10 13 (в сильно наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше некоторой критической плотности), они переплетаются (словно спутанные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким.
Вакансии в кристаллической решетке, межузельные (внедренные) атомы, дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, в частности, в технологии быстротвердеющих цементов.
Однако наличие дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и физических воздействий среды. Следовательно, дислокации следует рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных свойств кристаллических материалов.
Механическое разрушение
Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться «внезапно», не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.
Рисунок-9. Концентрация напряжений в пластине с трещиной (по Ван Флеку):
1 — концентрация напряжений вершине трещины г,
Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация.
Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.
Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке.
Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины (рис. 9). В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из простого уменьшения площади поперечного сечения.
Напряжение σк на конце трещины зависит от номинального напряжения σн, длины (глубины) трещины l и радиуса кривизны в вершине трещины r:
σк= σн(1+2√l/r).
Коэффициент концентрации напряжений σк/σн=1+2√l/r может быть равен 100 и даже 1000, если радиус вершины трещины соизмерим с радиусом атома, хотя глубина трещины лишь 0,1 и 10 мкм.Следовательно, местное напряжение может превысить 7000 МПа при номинальном ( т.е. среднем по значению) напряжении 35-100 МПа.
Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Перегруженная связь лопнет раньше других и положение ухудшится, так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким образом, трещина становится (по словам Гордона) тем инструментом, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет прочные межатомные связи.
При распространении трещины материал вблизи трещины разгружается, и вследствие этого выделяется энергия упругой деформации. Объем, в котором выделяется энергия, изображается на рис. 16 как половина объема цилиндра единичной высоты, численно равного πl²/2. Выделенная энергия Uд зависит от приложенного напряжения σ, модуля упругости Е и глубины трещины l( половина длины внутренней трещины:
Uд=—(πl²/2E)·σ².Образование двух новых поверхностей трещины требует затрат энергии Uп=2Э1·l, где Э1-поверхностная энергия единицы площади поверхности. Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую критическую длину Гриффитса, при которой освобождающаяся энергия упругой деформации больше энергии образующихся новых поверхностей, тогда πlσ²/E=2Э1, откуда σ=(2Э1Е/πl)½.
Напряжение, необходимое для разрушения растянутой пластины, возрастает у материалов с высоким модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких поверхностных трещин.
В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превышает lкр, способны при данном σ самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распространения упругой волны (1,5 — 2 км/с).
Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих могут передаваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении.
Рисунок-10. Схема торможения трещин (по Куку — Гордону)
Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах.
Механизм торможения трещины по Куку — Гордону основан на том, что при распространении трещины кроме напряжений, перпендикулярных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает растяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине трещины и достигает максимума впереди трещины на расстоянии одного- двухатомных размеров от ее вершины.
В растянутом материале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному перпендикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если прочность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности материала, то поверхность не разрушится, трещина ее только пересечет и поведение материала не изменится, т. е. он останется хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет поверхности раздела, последняя будет разрушена на небольшом участке, и образуется ловушка, способная остановить трещину (рис. 10).
Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению (рис. 11).
Рисунок-11. Влияние внутренних поверхностей на торможение развития трещин:
а — волокнистый материал, содержащий внутренние поверхности; б — однородный материал (по Гордону).
Модели механических свойств строительных материалов
Для моделирования поведения упругого материала используют пружину. Упругая деформация идеального подчиняющегося закону Гука твердого тела возникает тотчас после приложения силы и не зависит от времени, как это показано на рис. 12. После снятия нагрузки деформация становится равной нулю, следовательно, деформация упругого твердого тела постоянна и обратима.
Рисунок-12. Модель идеального (подчиняющегося закону Гука) твердого тела:
а — график упругой деформации; б — модель-пружина
Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется уравнению вязкого течения: εвязк=τt/η, где τ-напряжение сдвига, Па; t-время, с; η-вязкость, Па·с;
Деформация вязкого течения εвязк при постоянном напряжении сдвига возрастает пропорционально времени ( смортри рисунок 13,а). Поведение жидкости моделируют демпфером ( рисунок-13,б) в котором поршень перемещается под действием приложенных сил, при этом жидкость протекает через кольцевой зазор между стенками цилиндра и поршнем.
Рисунок-13. Модель идеальной (ньютоновской) жидкости:
а — график деформации вязкого течения; б — модель-демпфер
Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие свойства можно описать с помощью модели Максвелла, которая состоит из пружины и демпфера, соединенные последовательно ( смотри рисунок-14,б), при постоянном напряжении. В первый момент времени t0 сопротивление создается упругим элементом и возникает упругая деформация εупр,сохраняющаяся неизменной при постоянном напряжении.
Рисунок-14. Сочетание упругих и вязких свойств:
а — график упруговязких деформаций; б — упругий и вязкий элементы расположены последовательно (модель Максвелла)
В период времени t0 до t1 деформация возрастает вследствие вязкого течения ( оно моделируется демпфером, присоединенном к пружине). В момент времени t1 при снятии нагрузки упругая составляющая деформации равна нулю но вязкое смещение εвязк сохраняется, так как оно необратимо.Следовательно, общая деформация ε асфальтобетона, пластика и тому подобное содержит упругую и вязкую составляющую: ε=εупр+εвязк.
В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой для εвязк получаем следующее уравнение упруговязкой деформации:ε=σ/Е+σt/η, ε=σ(1/E+t/η. Соответствующий график приведен на рисунке 14,а. Примером вязкого течения является след шин, вдавившихся в асфальтовое покрытие дороги. Он напоминает о повышенной склонности к вязкому течению материала покрытия в жаркую погоду. При высокой температуре вязкое течение проявляется у стекла, металла и других твердых материалов.
Релаксация напряжений
Модели деформации твердых тел дают возможность получить количественную характеристику скорости релаксационных явлений, протекающих в полимерных и других строительных материалах. Если быстро деформировать тело (например, полимер), сохраняя деформацию постоянной, то напряжение постепенно уменьшается. Деформация вызывает перестройку внутренней структуры тела, и требуется некоторый промежуток времени, пока все частицы тела придут в равновесие в соответствии с новыми условиями.
Элементарная модель релаксации напряжений при постоянной деформации представляет собой последовательное соединение пружины и демпфера (модель Максвелла). Для этой модели общая деформация ε равна сумме упругой и вязкой составляющих (рисунок-14).
ε= ε упр+ ε вязк=const. Следовательно, dε упруг/dt=—dε вязк/dt. Поскольку εупруг =σ/Е, а εвязк=—σt/η, получим (dσ/dt )·(1/E)=—σt/η,откуда dσ/σ=—(E/η) dt.
Рисунок-15. Релаксация напряжений при постоянной деформации
Пример( по Ван Флеку). Для увеличения длины каучуковой ленты с 10 до 140 мм необходимо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты в этом положении в течении 42 сут напряжение снизилось до 4,22 МПа. Определить: 1) постоянную времени релаксации; 2) действующее напряжение после выдержки в течении 90 сут.
Решение:
1) Согласно уравнению релаксации напряжений ln σ/σ0=-t/λ; ln[4,22/8,44]=-42/λ, откуда λ=61 сут.
***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!