Какие существуют основные показатели свойств материалов
СОДЕРЖАНИЕ:
Механические свойства (прочность, твердость,
триботехнические характеристики)………………………………
Коррозионная стойкость
Температурные характеристики
Электрические и магнитные свойства
Технологические свойства
Механические свойства
Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок. Основными показателями свойств материалов являются:
прочность;
твёрдость;
триботехнические характеристики.
Их параметры существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры воздействия окружающих сред и других факторов).
Прочность–свойство материалов сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал.
Если при растяжении образца сила внешнего взаимодействия на пару атомов превосходит силу их притяжения, то атомы будут удаляться друг от друга. Напряжение, возникающее в материале и отвечающее силе межатомного притяжения, соответствует теоретической прочности.
При возникновении в материале локального напряжения больше теоретической прочности произойдет разрыв материала по этому участку. В результате образуется трещина. Рост трещин продолжается, пока в результате их слияния одна из трещин не распространится на все сечение образца и не произойдет его разрушение.
Деформирование–изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом, деформация–изменение формы и размеров изделия или его частей в результате внешнего воздействия. Деформацию называют упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, или пластичной, если она не исчезает (необратима)
Предел упругости–напряжение, при котором остаточные деформации , т.е.деформации, обнаруживаемые при разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости ограничивает область упругих деформаций материала.
Предел текучести–напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме (рис.1) для материалов разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация. Прочие материалы характеризуют условным пределом текучести–напряжением, при котором остаточная деформация достигает значения, установленного ТУ.
Обычно остаточная деформация не превышает 0,2%. Отсюда и обозначение
ε
Рис.1 Зависимость нормального напряжения σ в образце
от его относительного удлинения ε при растяжении:
предел упругости;предел текучести;
предел прочности (временное сопротивление)
Предел прочности–напряжение или деформация, соответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают .
Предел прочности –основная характеристика, механических свойств хрупких материалов, т.е. материалов, которые разрушаются при малых пластических деформациях.
Правила определения характеристик технической прочности материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах напряженного состояния установлены в ГОСТ.
У современных конструкционных материалов предел прочности составляет:
o Конструкционные стали – 600…3000 н/мм2
o Алюминиевые сплавы – 200…900 н/мм2;
o Титановые сплавы – 600…1600 н/мм2;
o Композиционные материалы – 300…20000н/мм2
Динамическая прочность–сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление и точка приложения которых быстро изменяется во времени.
Усталость материалов–процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств материалов, образованию и разрастанию трещин. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью.
Ползучесть–непрерывное пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки. Любые твердые материалы в той или иной степени подвержены ползучести во всем диапазоне температур эксплуатации. Вредные последствия ползучести материалов особенно проявляются при повышенных температурах.
Причиной неудовлетворительной прочности изделий может быть влияние поверхностных дефектов и напряжений, которые возникают из-за неравномерного распределения нагрузки, обусловленного особенностями конструкции. Поэтому прочность конструкционных элементов (сварных швов и болтов, валов и т.д.) –конструкционная прочность во многих случаях ниже технической прочности исходных материалов.
Твердость является механической характеристикой материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Твердость во многом определяет износостойкость деталей машин, воспринимаемые ими без разрушения контактные нагрузки, таким образом существенно влияя на технические самой машины или прибора. Она выражается сопротивлением материала местному пластическому деформированию, возникающему при внедрении в материал более твердого тела–индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, несколько методов:
— вдавливание индентора (закаленный шарик – по Бриннелю, алмазная пирамидка по Виккерсу, алмазный конус по Роквеллу);
— динамические методы;
— царапанье.
Динамические методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделий. Распространен способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого материала с определенной высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.
Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталлонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: 1-тальк,2-гипс,3-кальцит,4-флюорит,5-аппатит,6-ортоклаз,7-кварц,8-топаз,9-корунд,10-алмаз.
Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения.
Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.
Основные триботехнические характеристики материалов:
— износостойкость;
— прирабатываемость;
— коэффициент трения.
Износостойкость–свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или пути, на котором происходило изнашивание–это, соответственно, скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной обратной скорости и интенсивности изнашивания.
Прирабатываемость–свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.
Коэффициент трения–отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят от скорости скольжения, давления и твердости материалов трущихся поверхностей.
Триботехнические характеристики материалов зависят от следующих основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:
· внутренних, определяемых природой материалов;
· внешних, характеризующих вид трения(скольжение, качение);
· режима трения (скорость, нагрузка, температура);
· среды и вида смазочного материала
Совокупность этих факторов обуславливает вид изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др.
Основная причина всех видов изнашивания-работа сил трения под воздействием которых происходит многократное деформирование поверхностных слоев трущихся тел, изменение их структуры и т.д.
Коррозионная стойкость.
Коррозия–физико-химический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей среды.
Под корррозионным повреждением понимают любой дефект структуры материала, возникший в результате коррозии. Если механические повреждения ускоряют коррозию материалов, а коррозия облегчает их механические разрушения, имеет место коррозионно-механическое повреждение материалов.
Электрохимическая коррозия-процесс взаимодействия материалов и окружающей среды посредством электродных реакций. Металлы наиболее подвержены этому виду коррозии вследствие высокой электрической проводимости и химической активности.
Коррозионное повреждение различных участков материала может быть неодинаковым. По характеру разрушения материалов различают равномерную и местную коррозию. Последняя возникает из-за химической или физической неоднородности среды и материала на отдельных участках поверхности изделия.
С конструктивными особенностями изделий связаны щелевая и контактная коррозии. Первая протекает в непосредственной близости от узкого отверстия или зазора в конструкциях. Вторая вызвана контактированием металлов, различающихся по электродному потенциалу, например, пара металлов: медь–железо.
Для оценки сопротивления материалов коррозии используют следующие параметры:
— фронт коррозии–воображаемая поверхность, отделяющая поврежденный материал от неповрежденного;
— скорость коррозии–это скорость продвижения ее фронта;
— техническая скорость коррозии–ее наибольшая скорость, вероятностью превышения которой нельзя пренебречь в конкретных условиях.
Сопротивление материалов коррозии характеризуют с помощью параметра коррозионной стойкости–величины обратной технической скорости коррозии в данной коррозионной системе (R=1/Vкорр.).Условность этой характеристики заключается в том, что она относится не к материалу, а в целом к коррозионной системе. Коррозионную стойкость материала нельзя изменить, не изменив других параметров коррозионной системы.
Противокоррозионная защита–это изменение коррозионной системы, ведущее к снижению скорости коррозии материала.
Классификация строительных материалов
Номенклатура материалов, применяемых в современном строительстве огромна. Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов и изделий, чаще всего их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях и по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления (керамические, древесные, каменные, бетонные и железобетонные и т.д.).
Для архитектурного и строительного материаловедения наиболее удобна классификация по назначению: материалы условно делят на две группы: конструкционные и материалы специального назначения.
Иногда встречается разделение материалов на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные, однако не совсем верно, т.к. классификация не включает огромную группу материалов, например, герметики.
Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие:
1) природные каменные;
2) вяжущие[1];
3) искусственные каменные, получаемые:
а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы);
б) спеканием (керамические материалы и огнеупоры);
в) плавлением (стекло и ситаллы);
4) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы);
5) полимеры;
6) древесные;
7) композиционные материалы (асбестоцемент, железобетон, полимербетон, фибробетон, стеклопластик и др.).
Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие:
1) теплоизоляционные;
2) акустические;
3) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие;
4) отделочные;
5) антикоррозионные;
6) огнеупорные;
7) материалы для защиты от радиационных воздействий и др.
Понятие свойство материала. Классификация свойств
Важным слагаемым, определяющим качество современной архитектуры, является качество применяемых в строительстве конструкционных и отделочных материалов и изделий. Борьба за повышение качества промышленной продукции неразрывно связана с его оценкой, управлением, контролем и аттестацией. Чтобы управлять качеством, необходимо, прежде всего, научиться его измерять.
Область науки, занимающаяся методами количественной оценки качества продукции, называется квалиметрией (от лат. gualis-какая по качеству и греч. metreo — измеряю). Количественная оценка качества продукции, т.е. определение численных значений показателей качества, применяется в различных областях для выбора оптимального варианта (из некоторого числа сравниваемых), для изучения динамики совершенствования качества, планирования, контроля и аттестации качества продукции и т.п.
Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.
Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор. Действие того или другого фактора обусловлено как составом и строением материала, так и эксплуатационными условиями материала в конструкции зданий и сооружений.
Свойство —характеристика материала (изделия), проявляющееся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.
Например, термопластичность жесткого поливиннлхлорадного листа проявляется при изготовлении из него рельефных вакуумформованных облицовочных материалов, удобоукладываемость бетонной смеси — при применении (укладке), а износостойкость керамических плиток для полов — при эксплуатации покрытия.
Простое свойство— свойство материала (изделий), которое нельзя подразделить на другие. Например, масса материала» или «длина изделия» не могут быть представлены другими, более простыми свойствами.
Сложное свойство — такое свойство материала (изделия), которое может быть подразделено на два или большее количество менее сложных или простых свойств. Например, сложное свойство функциональность материала (изделия) определяется совокупностью эксплуатационно-технических и технологических свойств, характеризующих его функцию, назначение, утилитарную способность, т. е. то, для чего он разработан и изготовлен.
Качество— сложное свойство, совокупность всех функциональных и эстетических свойств материала (изделия), обусловливающих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением.
Интегральное качество (соотношение цена/качество)— наиболее сложное свойство материала (изделия), определяемое совокупностью его качества и экономичности.
Общие свойства строительных материалов и изделий можно классифицировать на три основные группы: функциональные, эстетические и экономические. Каждая группа представляет собой сложное свойство, которое, в свою очередь, является совокупностью менее сложных свойств.
Свойства строительных материалов и изделий по их природе классифицируют на три основные группы: — физические, механические и химические.Такое деление широко применяется для изучения методов оценки свойств, для выявления закономерных связей между строением и свойствами веществ и других исследовательских и прикладных целей.
К физическим свойствамматериалов относятся:
· характеристики структур и массы (плотность, пористость, пустотность и др.);
· свойства, определяющие отношение материалов к действию воды, пара, газов (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, влагостойкость, водостойкость, паропроницаемость, газопроницаемость и др.);
· отношение материалов к действию тепла, огня, холода, электрического тока, звуковых волн, излучений (теплопроводность, термостойкость, огнестойкость, огнеупорность, хладостойкость, электропроводность, звукоизолирующая и звукопоглощающая способность, радиационная стойкость и др.);
· отношение к комплексному действию внешней среды, например, одновременного действия воды и холода (морозостойкость) и т.п.
Одни физические свойства материалов проявляются в процессе их производства и переработки (плавкость, ковкость, свариваемость, спекаемость, формуемость, растворимость и др.) их называют технологическими, другие – непосредственно в процессе эксплуатации или через характеристики тех свойств материала, которые определяют его функциональность и эстетичность. Свойства материалов обычно взаимосвязаны. Так, плотность и пористость материала влияют на его весовые и теплотехнические характеристики, поверхностное водопоглощение — на морозостойкость и загрязняемость, воздухопроницаемость — на звукопоглощение материалов и т.п.
Некоторые физические свойства строительных материалов и изделий определяют их важное функциональное свойство — технологичность в применении, характеризующее удобство работы с материалом (изделием) в процессе строительства (его укладки «в дело»). Таковы, например, удобоукладываемость (подвижность и жесткость) бетонной смеси, вязкость, укрывистость и скорость высыхания (пленкообразование) красок, эластичность и гибкость рулонных отделочных и кровельных материалов, сроки схватывания гипсового теста и др.
Для архитектора не менее важны физические свойства материалов, характеризующие их цвет, блеск, фактуру, текстуру и др.
Под механическими свойствами материалов понимают их способность сопротивляться деформированию и разрушению (в сочетании с упругим и пластическим поведением) под действием внешних сил.
К этим свойствам относятся: прочность (при сжатии, растяжении, изгибе, ударе, срезе, кручений и т.д.), твердость, упругость, деформативность, хрупкость, ударная вязкость, пластичность, текучесть, ползучесть, выносливость (усталость), истираемость и др.
Химические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающей в них обменные реакции и приводящие к разрешению материалов. Это -кислотостойкость, щелочестойкость, стойкость к одновременному действию комплекса химически активных агентов и др.
Кроме этих основных групп свойств можно выделить биологические свойства строительных материалов и изделий, характеризующих их стойкость к действию грибков, микроорганизмов, насекомых и их личинок, и др. Однако все биологические процессы могут быть сведены к химическим.
Следует отметить, что в эксплуатационных условиях строительные материалы и изделия подвергаются, как правило, одновременному действию физических, механических, химических, биологических, физико-химических, химико-биологических и других факторов. Так, например, материалы для наружных ограждающих конструкций здания подвергаются действию различных механических нагрузок, воды, тепла, холода, ультрафиолетового облучения и других факторов внешней среды. Свойства материалов, характеризующие их стойкость к такому одновременному или циклическому действию различных агрессивных (разрушающих) факторов, являются комплексными.Это — долговечность, надежность, совместимость, длительная прочность, износостойкость, теплостойкость, жаропрочность и жаростойкость, кавитационная стойкость, сопротивление коррозии и эрозии.
Санитарно-гигиеническиехарактеристики материалов, в основном, зависят от их химического состава и оцениваются методами санитарно-химического анализа. Исключение составляет характеристика загрязняемости, которая определяется, главным образом, наличием на поверхности материала открытых пор. Санитарно-гигиенические свойства правомерно выделить в отдельную группу, однако обычно они рассматриваются в группе химических свойств.