Механические свойства материалов

 

Прочность – способность материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям, возникающим под действием внешних нагрузок и других (например тепловых) факторов.

       Прочность материала оценивается пределом прочности │R│, который условно равен максимальному напряжению │ _max│, возникшему в материале под нагрузкой │N│, вызвавшей разрушение образца материала деленной на рабочую площадь │F│, т.е. R = _max.=N/F. (1.21.)

       Обычно предел прочности определяют путем разрушения стандартных образцов при сжатии и изгибе /на гидравлическом прессе/, при разрыве/ на разрывной машине/, используя формулы.

Предел прочности при сжатии R_сж

                    N                                                                              R _сж = N / F             (1.22.)

                                                                         где: N – разрушающая нагрузка, Н;

F – рабочая площадь образца, перпендикулярная

                                                                                     Действию нагрузки, м²

 

                   N

                                                                                     

                                                                                      Предел прочности при изгибе.

                                                                        для образцов призм прямоугольного сечения, при

                                                                        одном сосредоточенном грузе относительно опор

                                  N

                                                                        R_из = М_из/W    М_из =             (1.23.)

                            ℓ                                                                    W = bh²/6                   (1.24.)

                                                                      где: М_из – изгибающий момент

                R_из =        (1.25.)      W – момент сопротивления балки прямоугольного

                                                                                     сечения

                                                                     б) при двух равных грузах, расположенных

                            N/2      N/2                 симметрично относительно опор

                                                                         М_мз =               W = bh²/6        (1.26.)

                  ℓ/3                ℓ/3                    R_из = М_из/W=                         (1.27.)

                                L                                   где: N – разрушающая нагрузка, Н;

                                                                                   l – расстояние между опорами, мм

                                                                                  b и h – соответственно ширина и высота

                                                                                              балочки /призмы/

             N         N                                                  Предел прочности при растяжении R _р.

                                                                       а) для образца стержня R_р = N/F₀ F₀ = ПД²/4 (1.28.)

                                                                            где: N – разрушающая нагрузка, Н;

                                                                                   F – площадь поперечного сечения, м²

                                                                                         /начальная до испытания/

                                                                         б) для призмы R_р = N/а²                                      (1.29.)

                  N          N                                    где а – сторона сечения призмы, м

 

Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов /обычно не менее трех/. Форма и размер образцов, состояние их опорных поверхностей и скорость нагружения существенно влияют на результаты испытания. У кубиков малых размеров R_сж оказывается выше, чем у кубиков больших размеров из того же материала. У призмы R_сж меньше чем у кубиков одинакового поперечного сечения. Это объясняется тем, что при сжатии образца возникает его поперечное расширение. Если нагрузка возникает быстрее, чем условленно стандартом, то результат испытания получается завышенным, так как не успевают развиться пластические деформации. В таблице 1,2 приведены схемы стандартных методов определения прочности при сжатии, изгибе, растяжении.

       В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем качества.

Схема стандартных методов определения прочности

при сжатии.

Таблица 1.2.

Образец	Эскиз	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного образца, см
Куб     Цилиндр   Призма     Составной образец   Половина образца-призмы, изготовленной из цементно-песчаного раствора, гипса. Проба щебня (гравия) в цилиндре.	а а                    а                             b                           b                     а                  а      h               а      b              а               6,25   а	R = P/a^2   R = P/(πd^2)     Rпр = Р/a^2   R = Р/А   R = Р/А   Др=	Бетон Раствор Природный камень     Бетон Природный камень     Бетон   Древесина   Кирпич Гипс     Цемент Гипс   Крупный заполнитель для бетона	15х15х15х 7,07х0,07х7,07 5х5х5 10х10х10 15х15х15 20х20х20     d=15; h=30 d=h=5 7, 10, 15.     а=10; 15; 20; h=40; 60; 80; а=2; h=3   а=12; b=12,3; h=14     а=10, А=25см^2     d=15 h=15

 

 

Схема стандартных методов определения прочности

при изгибе и растяжении

 

Таблица 1.3.

Образец	Схема испытания	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного образца, см
Испытание на изгиб
Призма, Кирпич в натуре   Призма	Р          ℓ/2    ℓ/2                     ℓ                  Р/2  Р/2       ℓ/3 ℓ/3 ℓ/3                      ℓ	Rи=3Pl/(2bh^2)     Rи=Pl/(bh^2)	Цемент Кирпич   Бетон Древесина	4х4х16 12х6,5х25   15х15х60 2х2х30
Испытание на растяжение
Стержень, восьмерка, Призма	Р                       Р                           Р                       Р	Rр = 4P/(πd^2)   Rр = Р/a^2	Бетон   Сталь	5х5х50 10х10х80 do=1 ℓo=5 ℓ≥10

 

       В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности, таким образом, создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала, – чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности.

       В настоящее время широко применяются неразрушающие методы определения прочностных показателей материалов, изделий, конструкций и степени их однородности

       Наибольшее распространение получили импульсный и резонансный методы. Указанным методам присуще общее основное положение, физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям – скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частоте собственных колебаний материала и характеристике их затухания.