Механические характеристики и свойства материалов

Работоспособность конструкционных материалов при различных видах нагружения определяется величинами, которые называются механическими характеристиками, устанавливающими границу безопасной эксплуатации конструкций при статическом и динамическом нагружениях.

К основным конструкционным строительным материалам, из которых изготавливаются элементы несущих конструкций, относятся сталь и ее сплавы, алюминиевые сплавы, бетон, природные и керамические камни, древесина, пластмассы и др. Все эти материалы обладают разными механическими характеристиками, которые указывают на прочностные свойства материалов и, следовательно, на область их применения.

Все конструкционные материалы можно условно разделить на пластичные и хрупкие. Пластичные материалы (низкоуглеродистые стали, алюминиевые сплавы, медь и др.) обладают способностью деформироваться в широких пределах без разрушения. Хрупкие материалы (чугун, высокоуглеродистые сорта стали, природные и искусственные камни, стекло) разрушаются без заметной предварительной деформации.

Механические характеристики могут быть получены в лабораторных условиях доведением образцов материала до разрушения или чрезмерной деформации. Наиболее распространены испытания на растяжение и сжатие, так как они относительно просты и дают результаты, позволяющие с достоверностью судить о поведении материалов и при других видах деформации.

Испытание различных материалов на растяжение и сжатие производят на специальных машинах статическим нагружением.

Испытания на растяжение. Диаграмма растяжений. Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы — цилиндрические (рис. 5.8, а) или плоские (рис. 5.8, в). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной /₀, по которой определяют удлинение, и головки с переходным участком для захвата в разрывной машине. Размеры образцов стандартизированы: различают образцы длинные, с соотношением /₀/г/₀ =10, и короткие, с соотношением /₀ДУ₀ = 5.

Рис. 5.8.

При растяжении образца на разрывной машине регистрируют нагрузку на образец и его удлинение. По полученным данным строят диаграмму растяжения образца, имеющую вид графика зависимости F = /(А/). Большинство современных испытательных машин имеет устройство для автоматического вычерчивания указанного графика.

Однако форма такой диаграммы растяжения в координатах (F, А/) зависит от размеров испытуемого образца и соответствует именно этому образцу, поэтому количественную оценку механических свойств материала делают по диаграмме растяжения, построенной в координатах (ст, в). Напряжения и относительные удлинения при этом подсчитываются по отношению к начальным размерам образца, т. е. = Р / А₀, г = М / /". Так как начальные размеры образца — величины постоянные, диаграмма, а = /(е) имеет тот же вид, что и F — /(А/), и отличается от нее только масштабами.

Диаграмма, а = /(в) характеризует свойства испытуемого материала и носит название условной диаграммы растяжения или диаграммы напряжений.

На рис. 5.9 представлена диаграмма напряжений для низкоуглеродистой стали, характеризуемая следующими отличительными величинами напряжений:

• — о_рг предел пропорциональности — наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией, т. е. зона напряжений, в пределах которой выполняется закон Гука, поэтому зона 0/1 называется зоной упругости. Угол наклона а прямой 0А определяет модуль упругости материала Е = tga. После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становятся криволинейной;
• — а_с, предел упругости — наибольшее напряжение, до достижения которого в образце не возникает признаков пластической (остаточной) деформации. Предел упругости характеризует начало перехода от упругой деформации к пластической;
• — <3у, предел текучести — напряжение, при котором происходит рост деформаций при практически постоянной нагрузке. Участок CD на диаграмме напряжений называют площадкой текучести',
• — а_и, предел прочности (временное сопротивление) — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Зона DE называется зоной упрочнения. Удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, сохраняется первоначальная цилиндрическая форма образца, а поперечные сечения изменяются незначительно и равномерно.

Рис. 5.9

Рис. 5.10.

После достижения максимальных напряжений (точка Е на диаграмме) в наиболее слабом месте образца начинает появляться шейка (локальное уменьшение размеров сечения, рис. 5.10). Далее сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться и, наконец, в точке К образец разрушается.

На рис. 5.11 показаны диаграммы напряжений для разных пластических материалов (1 — бронза, 2 — низкоуглеродистая сталь, 3 — низколегированная сталь с добавлением никеля, 4 — низколегированная сталь с добавлением марганца). Углерод, повышая прочность стали, снижает ее пластичность, поэтому при увеличении доли углерода в состав стали вводят специальные легирующие добавки (марганец, кремний, никель и т. д.) При этом диаграмма напряжений, как правило, теряет ярко выраженную площадку текучести, т. е. материал начинает работать как хрупкий.

Рис. 5.11.

Для пластичных металлов и сплавов, диаграмма напряжений которых не имеет площадки текучести, вводится понятие об условном пределе текучести, представляющем собой напряжение, при котором относительная остаточная деформация образца е = 0,002, как для хрупких материалов (рис. 5.12).

Рис. 5.12.

Типичной при испытании хрупких материалов на растяжение является диаграмма напряжений для серого чугуна (см. рис. 5.12), которая не имеет прямолинейного участка, так как упругие деформации не пропорциональны нагрузкам даже при небольших напряжениях. Характер разрушения хрупкого образца и образца из пластичного материала существенно различаются. Разрушение происходит в результате отрыва по площадке, перпендикулярной направлению растягивающей силы.

Для хрупких материалов не существует модуля упругости, вместо него вводится понятие о секущем модуле E_s = tga (см. рис. 5.12) при е = 0,002 (точка А).

Испытания на сжатие. Испытания на сжатие являются основными для определения механических свойств таких строительных материалов, как искусственные камни (кирпич, бетон), различные виды природного камня, дерево, т. е. в основном хрупких материалов. Металлы испытывают на сжатие значительно реже, чем на растяжение.

Размеры образцов некоторых материалов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Размеры образцов при испытании на сжатие.

На рис. 5.13, а показан вид образца из низкоуглеродистой стали до и после испытания. При больших сжимающих нагрузках образец пластически деформируется (сплющивается), но разрушен быть не может, т. е. для пластичных материалов понятия предела прочности при сжатии не существует. В начальной же стадии (0/1 на рис. 5.13, б) диаграмма сжатия совпадает с диаграммой растяжения, площадка текучести выражена слабо. Значения предела пропорциональности при сжатии и растяжении практически одинаковы.

Рис. 5.13.

а б

На рис. 5.14, а показан вид разрушения образца из хрупкого материала (на примере серого чугуна). Разрушение происходит после появления наклонных трещин в виде среза образца под углом примерно 45° к его оси. Па рис. 5.14, 6 представлена соответствующая диаграмма сжатия. Диаграмма с самого начала имеет почти линейную зависимость, при приближении к точке разрушения кривая диаграммы становится более пологой. Предел прочности при сжатии хрупких материалов значительно выше, чем при растяжении, т. е. хрупкие материалы сопротивляются сжатию намного лучше, чем растяжению.

Рис. 5.14.

Большинство хрупких материалов (камни, бетон) имеют диаграмму сжатия, подобную вышеприведенной. На рис. 5.15 показаны примеры разрушения образцов из бетона (рис. 5.15, а) и глиняного кирпича пластического прессования (рис. 5.15, б), разрушение которого происходит по вертикальным плоскостям.

Рис. 5.15.

Древесина относится к анизотропным материалам, сопротивляемость которых зависит от расположения и направления волокон при испытании.

Разрушение образца при сжатии вдоль волокон происходит, но вертикальным плоскостям (рис. 5.16, а), при сжатии поперек волокон образец спрессовывается.

а, МПа А.

Рис. 5.16.

Диаграммы сжатия древесины вдоль (кривая 1) и поперек (кривая 2) волокон показаны на рис. 5.16, б. В пределах О Л и 05 древесина работает почти упруго. Как видно из сопоставления диаграмм, древесина при сжатии вдоль волокон работает в 8—10 раз лучше, чем при сжатии поперек волокон.

Нормативные и расчетные сопротивления. На основании испытаний образцов Строительными нормами и правилами (СНиП) и сводами правил (СП) с учетом контроля и статистической изменчивости механических свойств устанавливаются характеристики сопротивления материалов силовым воздействиям. Основной характеристикой является нормативное сопротивление R_n.

В качестве нормативного сопротивления материалов обычно принимают наименьшее значение предела прочности (временного сопротивления) и_1Г а для сталей — предела текучести а_/у или временного сопротивления а_м. Возможное отклонение в неблагоприятную сторону от значений нормативного сопротивления учитывается коэффициентом надежности по материалу у_т>1. Этот коэффициент учитывает статистическую изменчивость свойств материала и их отличие от свойств отдельных испытанных образцов. Например, для бетона у_гп = 1,3-=- 1,5, для древесины у_т = 1,11−5-1,6, для стали у_т = 1,025-=-1,15.

Величина, получаемая в результате деления значения нормативного сопротивления R_n на коэффициент надежности по материалу у_т, называется расчетным сопротивлением:

Расчетное сопротивление представляет собой наименьшую возможную величину нормативного сопротивления. Расчетные сопротивления, устанавливаемые СНиП и СП, имеют обозначения, приведенные в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Обозначения расчетных сопротивлений в различных главах СНиП и СП.

Значения расчетных сопротивлений для некоторых строительных материалов приведены в нрил. 2—4.