Что относят к наиболее часто используемым показателям прочности материалов

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

Источник

Металловедение и физические основы сварки относятся к числу, основополагающих учебных дисциплин для специальностей газотеплоснабжения и энергетики высших учебных заведений страны

2.2. Определение механических свойств материалов

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.

^ Показатели прочности материалов характеризуются удельной величи­ной — напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим оп­ределение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

,

где Рт — нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения.

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести, то задаются допуском на остаточную деформацию образца и оп­ределяют условный предел текучести.

^ Условный предел текучести (?_0,2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:

,

где Р_0,2 — нагрузка, соответствующая остаточному удлинению .

Временное сопротивление (предел прочности) (?_в, МПа) — это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmaх, предшествующей разрыву образца:

.

а — образец до испытания ( и — начальные расчетные длина и диаметр); б — образец, растянутый до максимальной нагрузки ( и — расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации); в — образец после разрыва ( — конечная расчетная длина; — минимальный диаметр в месте разрыва)

(2.1)

Как следует из уравнения (2.1), Е больше G, так как для смещения ато­мов отрывом требуется большее усилие, чем сдвигом.

Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

где — нормальное напряжение; — относительная упру­гая деформация.

Материал	E, МПа	G,MПa	?
Сталь 20	210000	82031	0,28
Медь листовая	113000	42164	0,34
Латунь	97000	34155	0,42
Цинк	82000	32283	0,27
Алюминий	68000	25564	0,33
Свинец	17000	5862	0,45

Рис.2.7 – Схема машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов:

а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

,

где

^ Показатели пластичности. Пластичность — одно из важных механи­ческих свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

где — площадь поперечного сечения образца, соответствующая . Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

^ Относительное удлинение после разрыва (?, %) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине:

^ Относительное сужение после разрыва (?, %)- — это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте раз­рыва к начальной площади поперечного сечения:

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения и (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012—59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпе­чатка d (рис. 2.8, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

(2.2)

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости НВ шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия. Подобие отпечатков при разных D и Р будет обеспечено, если угол ? остается постоянным (рис.2.8, а). Подставив в формулу (2.2) получим следующее выражение:

. (2.3)

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердо­стью более 450НВ, так как стальной шарик может заметно деформировать­ся, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ2999—75) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине (рис. 2.8, б). После снятия нагрузки вдавлива­ния измеряется диагональ отпечатка . Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки ^ Р к площади поверхности пирами­дального отпечатка М :

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2 ) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10—15с, а для цветных металлов — 30с. Например, 450 НV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10кгс (98,1Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля за­ключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013—59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588мм. Однако, согласно этому ме­тоду, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис.2.8, в. Вначале приклады­вается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдав­ливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого сни­мают нагрузку Р₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достига­ет уровня h₀. Разность () зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индика­тором часового типа с ценой деления 0,002мм. При испытании мягких ме­таллов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или С, или В, обозначающая соответствую­щую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

Шкала	A	B	C
Индентор	Алмазный конус	Алмазный конус	Стальной шарик
Обозначение твердости	HRA	HRC	HRB
Нагрузки вдавливания, кгс(Н):
Р0	10(98,1)	10(98,1)	10(98,1)
Р1	50(490,5)	140(1373,4)	90(882,9)
Р2	60(588,6)	150(1471,5)	100(981)

Различие в нагрузке Р₁, для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Числа твердости по Роквеллу подсчитывают по формулам

где 100 и 130 — предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002мм.

Например, 50HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале С при вдавливании алмазного ко­нуса, равна 50 (размерность не ставится).

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает не­обходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Для измерения твердости тонких слоев материалов и даже их отдельных структурных составляющих применяют метод микротвердости (ГОСТ 9450 — 76). Этот метод по существу не отличается от метода Виккер­са, однако при этом используют малые нагрузки вдавливания: 0,049 (0,005), 0,098 (0,01), 0,196 (0,02), 0,49 (0,05), 0,98 (0,1), 1,962 (0,2), 4,9 (0,5) Н (кгс).

^ 2.4. Испытания на трещиностойкость

Трещиностойкостью называют свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Трещины в ма­териалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возмож­ности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкции и машин необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов. Для оценки размера допустимого дефекта необхо­димо знать количественную характеристику трещиностойкости материала.

Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины . Под плоской деформацией понимают деформацию, которая развивается в одной плоскости и запрещена по толщине образца. На практике используют для определения связи между разрушающими напряже­ниями и размерами дефектов в элементе конструкции. Определяют путем испытания специальных образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной (ГОСТ 25506—85). На рис.2.9 изображена схема компактного об­разца с надрезом и выращенной усталостной трещиной для определения . Об­разец подвергается внецентренному растяжению (рис.2.10, а) с автоматической регистрацией диаграммы нагрузки (Р) — раскрытие берегов надреза образца (V) (рис. 2.10, б). При обработке диаграммы из начала координат проводят секущую, тангенс угла наклона которой на 5% меньше тангенса угла наклона начального прямолинейного участка диаграммы. Определяют нагрузку (рис.2.10, б), затем по излому разрушенного образца оценивают длину трещины l. По полученным значениям и l рассчитывают коэффициент интенсивности напряжений (МПа ):

где t, W — толщина и ширина образца соответственно; — функция значений 1/W.

Значение принимается за критический коэффициент интенсивности напряжений , если выполняются условия:

(рис.2.12, б); (2.4)

где — толщина разрушенного образца в зоне максимального сужения.

Если условия (2.4) не выполняются, то необходимо взять образец с большей толщиной и повторить испытания.

Значения критического коэффициента интенсивности напряжений и предела текучести , определенные при комнатной температуре (Т = 293 К) для некоторых конструкционных материалов, приведены в табл.2.3.

материалаМаркаМПа,МПа

Легированная сталь25ХНЗМФА120745Титановый сплавВТЗ-1521010Алюминиевый сплавД1633290

^ 2.5.Испытания на ударную вязкость

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454—78 для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис.2.11, а) и V-образным (рис.2.11, б) надрезами.

а— с U-образным надрезом; б — с V-образным надрезом

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2.12).

а — схема маятникового копра; б — расположение образца на копре; 1 — корпус;

2 — маятник; 3 — образец

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть оп­ределена по следующей формуле:

где G — вес маятника; h₁ — высота подъема маятника до испытаний; h₂ — высота подъема маятника после испытаний.

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки ука­зателя, сопротивление воздуха и др.).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характе­ристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС₃ и удельной работы ее распространения КС_р, т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарожде­ние трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пла­стичных материалов работа распространения трещины имеет преобладаю­щее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более ра­ционально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А.Дроздовского и А.П.Гуляева. По методу Б.А.Дроздовского испытывают удар­ные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходу­ется на распространение трещи­ны, т. е. при таком испытании определяется величина КС_Р. Ра­бота зарождения трещины КС₃ в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталост­ной трещины КС и работой ее распространения КС_Р.

По методу А.П.Гуляева ис­пытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис.2.13). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КС_р. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с об­разцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляю­щих ударной вязкости.

Источник