Какое свойство материала называют упругостью

Материалы это материальная субстанция, используемая для производства, изготовления вещей или преобразования в другие материальные субстанции, объекты и предметы, на практике это — продукция, которую расходуют с изменением формы, состава или состояния при изготовлении изделий.  В зависимости от выбранного материала окончательное изделие будет обладать тем или иным свойством.

Механические свойства

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.

Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия нагрузки, называют необратимой.

Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: относительная деформация, модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину dl в направлении действия силы.

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации dl к первоначальному линейному размеру l тела.

Формула расчета: є = dl / l,

где є — относительная деформация.

Модуль упругости (модуль Юнга) связывает упругую деформацию є и одноосное напряжение s линейным соотношением, выражающим закон Гука.

Формула расчета: є = s / E ,

где E — модуль Юнга.

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:

s = Р / F,

где Р — действующая сила; F — площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.

Зависимость модуля упругости Е ряда материалов от температуры плавления ( tпл. ) смотри в таблице.

Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение (сжатие) sz вызовет деформацию по этой оси — єz и сжатие по боковым направлениям — єx и — єy, которые у изотропного материала равны между собой.

Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия µ равен отношению:

µ = — єx / єz.

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Коэффициент Пуассона бетона — 0,17 — 0,2, полиэтилена — 0,4.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.

Схема диаграмм деформаций.

Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.

Предел прочности при осевом сжатии равен частному от деления разрушающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы).

Формула расчета: Rсж = Рразр / F,

где Rсж — предел прочности при осевом сжатии; Рразр — разрушающая сила; F — первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел прочности при осевом растяжении Rр используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.

В зависимости от соотношения Rр / Rсж можно условно разделить материалы на три группы:

1) материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые — древесина и др.) ;
2) Rр = Rсж (сталь);
3) Rр < Rсж (хрупкие материалы — природные камни, бетон, кирпич).

Размерность: (Мпа).

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца в виде балочек на двух опорах.

Формула расчета: Rр•и = М / W,

где Rр•и — предел прочности при изгибе; М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.

Размерность: (Мпа).

Коэффициент конструктивного качества (к.к.к.) материала равен отношению показателя прочности R к относительной средней плотности pо.

Формула расчета: к.к.к. = R / pо.

Следовательно, это прочность, отнесённая к единице средней плотности. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой средней плотности.

Примеры значений к.к.к. для некоторых строительных материалов:

стеклопластик — 225; древесина (без пороков) — 200; сталь высокопрочная — 127; сталь — 51; легкий конструкционный бетон — 22,2; тяжелый бетон — 16,6; легкий бетон — 12,5; кирпич — 5,56.

Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.

1. Тальк, Mg3[Si4O10][OH]2 — легко царапается ногтем.
2. Гипс, CaSO4 • 2H2O — царапается ногтем.
3. Кальцит, CaCO3 — легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF — царапается стальным ножом под небольшим нажимом.
5. Апатит, Ca5 [PO4]3 F — царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз, К2О.Al2О3.6SiO2 — царапает стекло.
7. Кварц, SiO2; топаз, Al2 [SiO4] (F, OH)2; корунд, Al2 О3; алмаз, С — легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.

Твердость древесины, маталлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости
HB = P / F,

где F — площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F.

Формула расчета: И = ( m1 — m2 ) / F,

где m1 и m2 — масса образца до и после истирания.

Размерность: (г/кв.см).
Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц, и т. п.

Износом называют свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться действию удара падающего груза. Для определения прочности материалов при ударе применяются специальные копры.

Физические свойства

Истинная плотность — масса единицы объёма абсолютно плотного материала.

Формула расчета: p = m / Vа,

где m — масса материала; Vа — его объем в плотном состоянии.

Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).

Средняя плотность — масса единицы oбъема материала в естественном состоянии.
pо = m / V,

где m — масса материала; Vс — его объём вместе с порами.
Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).

Значение средней плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:
p = p / (1 + Wм),

где Wм — количество воды в материале, доли от его массы.

Насыпная плотность ( pн ) — масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.).

Истинная пористость — степень заполнения объема материала порами.

Формула расчета 1: П = Vп / V,

где Vп — объем пор; V — объём материала с порами.

Размерность: в процентах от объема.

Формула расчета 2: П = [1 — ( pо / p)] 100,

где pо — средняя плотность материала; p — истинная плотность материала.

Размерность: в процентах от объема.

Основные свойства строительных материалов представлены в таблице.

Свойства, связанные с действиями воды

Гигроскопичность или сорбционная влажность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.

Поглощение влаги из воздуха называется сорбцией.

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему — степень поглощения материала водой.

Формула расчета: Wо = ( mв — mс ) / V • 100,

где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии; V — объём материала.

Размерность: (%).

Водопоглощение по массе — определяют по отношению к массе сухого материала.

Формула расчета: Wм = ( mв — mс ) / mс • 100,

где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии.

Размерность: (%).

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Водопоглощенние различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02- 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2-4%, кирпича — 8-15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше.

Связь между водопоглощением по массе и водопоглощением по объему определяется соотношением:

Wо = Wм • pо,

где pо — средняя плотность.

Коэффициент насыщения.
Водопоглощение используют для оценки структуры материла, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой равный отношению водопоглощения по объему к пористости:

kн = Wо / П,

где П — истинная пористость.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда Wо = П.

Коэффициент размягчения — отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала.

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокшие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Формула расчета: kр = Rв / Rс,

где Rв — прочность материала, насыщенного водой; Rс — прочности сухого материала.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость материала.
Формула расчета: kф = Vв a / [ S( P1 — P2 ) t],

где kф = Vв — количество воды в куб.м, проходящей через стенку площадью S = 1 кв.м, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки ( P1 — P2 ) = 1 м вод. cт.

Размерность: (м/ч).

Газо- и паропроницаемость.
При возникновении у поверхности ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала.

Коэффициент газопроницаемости характеризует газо- и паропроницаемость:

Формула расчета: kг = aVp / ( StdP),

где Vp — масса газа или пара (плотностью p), прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки dP.

Размерность: [г/(м•ч•Па)].

Относительные значения паро-газопроницаемости некоторых строительных материалов представлены на таблице.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Усадка некоторых строительных материалов представлена на таблице.

Свойства, связанные с действиями тепла

Морозостойкость ( F, Мрз) — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без значительной потери в массе и прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости.

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз 50, Мрз 100 и Мрз 200, гидротехнический бетон — до Мрз 500.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой.

где SQRT( ) — операция вычисления квадратного корня; pо — средняя плотность материала.

Размерность: Вт/(мК).

Теплоёмкость определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.

Примеры строительных материалов по данному свойству:

Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДЖ/(кг •°С). Теплоёмкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 0,7 кДЖ/(кг •°С), вода имеет наибольшую теплоемкость — 1 кДЖ/(кг •°С), поэтому с повышением влажности теплоемкость возрастает.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.

Горючесть — способность материала гореть.

Материалы делятся на горючие (органические) и негорючие (минеральные).

Добавлено:
23.10.2019 15:13:04

Источник