Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При выборе материала и обосновании целесообразности применения в строительной конструкции учитывают его способность сопротивляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Одни материалы успешно сопротивляются сжимающим усилиям, другие — растягивающим, которые возникают под действием нагрузки или других силовых факторов. Аналогичная сопротивляемость материалов характерна при воздействии сил, способных вызвать изгиб, сдвиг, раскалывание и т. п. Материал должен надежно сопротивляться этим воздействующим силам при работе конструкции в эксплуатационный период.

Одновременно необходимо, чтобы материал проявлял достаточную стойкость к воздействию физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе через 0 °C, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факторов. Нередко одним из главных показателей качества служит способность материала к восприятию технологической обработки, например, шлифования, распиливания, раскалывания на части правильной формы и т. п. Следовательно, для обоснованного выбора материала приходится учитывать комплекс его так называемых свойств. Под свойствами строительных материалов понимают их способность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние, или внутренние воздействия — силовые, тепловые, усадочные, водной или иной среды и т. д.

Свойства разделяют на четыре группы: механические, физические, химические, технологические, иногда выделяют еще физико-химические. В совокупности все свойства именуют как технические свойства строительных материалов. Числовые значения свойств получают при лабораторных или полевых испытаниях материалов с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Испытания производят с разрушением специально подготовленных образцов или отдельных элементов конструкции или без их разрушения, т. е. адеструктивными методами.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства выражают способность материала сопротивляться напряжениям силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим без нарушения установившейся структуры. Чаще всего напряжение обусловлено внутренней Рис. 3.1. Схема расположения сил механической силой, а его числовая величина определяется при напряжениях как отношение силы к единице площади. Под внутренней подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону этой площадки (рис. 3.1). Расчетом определяют нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в размерности «сила/площадь» (МПа).

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, или остаточные, называемые также пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими; исчезающие в течение некоторого времени — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упруго-пластическими или упруго-вязко-пластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части (рис. 3.2).

На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью, или крипом.

Рис. 3.2. Графики зависимости деформаций (є) от времени (т) действия нагрузок: а — упругая деформация; б — упругоэластическая деформация; в — пластическая деформация; г — упругопластическая деформация Явление ползучести выражается в непрекращающемся изменении размера тела (образца) под влиянием растягивающих или сжимающих силовых воздействий (напряжений ниже предела прочности) при постоянной температуре (ниже температуры плавления). Ее обычно выражают в единицах скорости деформации, т. е. как относительное изменение размеров образца (в мм) за время (в ч): т = (АІІГ) ¦ (1/т), где Д/ — линейное изменение образца, мм, за время т, ч; / — начальная длина, мм.

Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например, зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например, из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутри молекулярной структуры. Время, или период,-релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз (е — основание неперовых логарифмов, равное 2,718…). Так, например, если у материала в виде образца напряжение было равно 5,0 МПа. а возникшая деформация под влиянием этого напряжения была жестко зафиксирована, то время (0 с), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до величины 5,0:2,718 = 1,85 МПа, называется временем, или периодом, релаксации, выражаемым в секундах или минутах. Эта величина — важная характеристика строительных материалов: чем она меньше, тем более деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величиной.

При весьма малой продолжительности (т с) действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (т" 0) все материалы (тела) ведут себя как упругохрупкие тела и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения нс нарушают их сплошности. Однако наиболее типичным случаем деформации хрупких тел (материалов) является отсутствие структурных изменений, а упругая энергия, затрачиваемая на деформацию, не успевает рассеиваться под влиянием релаксационных процессов. У упругохрупких тел возможно накопление малой упругой энергии, а за счет местных разрушений структуры происходит частичная релаксация напряжений. Приближенным значением меры хрупкости служит |> = Єу/Єпрсд и при V)/ = 1—0,8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

При очень длительных (т" 0) наблюдениях за действием нагрузки (по сравнению с временем релаксации) материал подобно жидкости течет. При очень коротких наблюдениях (по сравнению с временем релаксации) даже жидкий материал проявляет хрупкость твердого кристаллического тела. Так, например, при весьма коротком времени действия силы на воду, время релаксации которой равно порядка 10-¹¹ с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело; при весьма длительном периоде действия сил (или наблюдения) природный камень в виде горных пород, время релаксации которого равно 10¹⁰ с, ведет себя как текучая жидкость. Но эти крайние условия не встречаются в практике строительства и эксплуатации конструкций зданий и сооружений, поэтому вода всегда кажется жидкой, а камень — твердым. Однако многие материалы остаются весьма чувствительными к различию между временем действия нагрузки и временем релаксации, особенно при повышенных температурах, когда процесс релаксации напряжений в некоторых материалах заметно интенсифицируется, особенно при местных (локальных) перенапряжениях в материале.

Кроме времени релаксации, в расчетах пользуются коэффициентом vp релаксации, показывающим долю спада напряжений за определенный период времени: у = с,/сто, где а, — напряжение в момент времени т при постоянной деформации; сто — начальное напряжение.

Коэффициент релаксации позволяет расчетным путем определить релаксационную характеристику с помощью опытных значений деформации ползучести, точнее — скорости ползучести, получаемых менее трудоемким измерением, чем релаксации напряжений. С некоторым приближением к опытным данным можно воспользоваться зависимостью: 1пц/ = -<�р, где <�р — коэффициент ползучести, равный St/єо = Ео/ь; ?т —деформация ползучести в момент времени т при постоянном напряжении сто; єо — начальная упругая деформация, равная сто/Ео; Ео — начальный модуль упругости, равный сто/єо; е, — удельная деформация ползучести в момент времени т, равная ?,/сто.

Прочность характеризует способность материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений.

Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести — постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности — максимальное напряжение в момент разрушения материала (рис. 3.3). Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки (табл. 3.1). При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала. Даже сравнительно малые величины напряжения (например, от собственной массы) могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Нередко измеряют длительную прочность материала не только при статической (неподвижной), но и динамической нагрузках.

Рис. 3.3. Диаграмма — при растяжении (а, — предел упругости, МПа; о, — предел текучести, МПа; р — предел прочности, МПа; Е — модуль упругости, или модуль Юнга, численно равный cjs, МПа; е, — относительная упругая деформация) Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность материала называется усталостной и определяется специальным испытанием образцов.

Таблица 3.1. Физико-механичсскис свойства некоторых материалов.

В целом упомянутые выше характеристики прочности по своей сущности относятся к условным по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении хрупких материалов. Во-вторых, приборы, размеры и форма образцов, скорость приложения нагрузки на прессе и другие исходные параметры методов испытания материала на прочность приняты условными. Поэтому материал может иметь различную величину показателя прочности в зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения нагрузки (или скорости деформации), тем выше получаемая величина предела прочности при испытании на сжатие.

В упругой области деформаций действует закон Гука: о = Е е, где, а — напряжение, МПа; є — относительная упругая деформация; Е — модуль упругости материала, МПа. Если относительная деформация е, выражающая отношение прироста деформации Д/ к первоначальной длине образца /, т. е. Д/// окажется равным единице (є = 1), то Е = о. Отсюда следует, что модуль упругости по своему физическому смыслу численно равен напряжению, которое потребовалось приложить к материалу (образцу), чтобы вызвать относительную деформацию є = 1 (что возможно, когда приращение Д 1 = 1), т. е. когда было удвоение длины образца при условии сохранности упругих свойств материала. В реальных строительных материалах (кроме резины) величина упругой деформации всегда гораздо меньше, составляя у стали 1—1,5%, а у хрупких она и вовсе приближается к нулю.

Численные значения величины модуля упругости и прочности определяют, как с разрушением образцов, например, при испытании под прессом, так и неразрушающими (адеструктивными) методами. Распространены следующие адеструктивные методы их измерения: акустические, магнитные и электромагнитные, механические, радиометрические, рентгеновские и электрические. Они основаны на прямых и обратных закономерностях между физическими значениями, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и традиционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, таблиц, тарировочных графиков. Измерения становятся более эффективными при комплексном использовании адеструктивных методов измерения с получением двух или нескольких физических характеристик.

К комплексным методам относится совместное применение механического и ультразвукового методов или радиометрического и ультразвукового и других для определения предела прочности и модуля упругости, контроля качества и дефектоскопии, однородности по различным показателям (прочности, влажности, толщине защитного слоя и др.). Эти методы весьма эффективны при контроле за сохранением оптимальности структуры материалов и изделий по однородности, минимуму дефектов, плотности, континуальности пространственной сетки вяжущего вещества или жидкостной оболочки свежеизготоелейного монолита, минимального количества вяжущего вещества или другим обязательным ее параметрам. В частности, набору параметров оптимальной структуры соответствует наиболее широкий спектр частот ультразвукового сигнала, а также наибольшая амплитудная характеристика.

Альтернативой условным методам определения прочности имеются инвариантные, независимые от обстановки опыта. К инвариантным характеристикам прочности относятся предельное напряжение сдвига (Рк), структурная вязкость и другие, определяемые с помощью построения реологических кривых по данным измерений на вискозиметрах, пластометрах и других приборах. Принцип действия таких приборов основан на истечении массы через капилляр заданного диаметра или на погружении в вещество металлического конуса, шара или других тел. При испытаниях осуществляется чистый и однородный сдвиг частиц вещества относительно друг друга в плоскостных или цилиндрических (коаксиальных) приборах (вискозиметрах) и достаточно четко устанавливается, что прочностные характеристики существенно зависят от продолжительности действия механического усилия, являются типичными кинетическими величинами.

Кроме прочности технической или реальной, определяемой с помощью условных или инвариантных приборов, существует прочность, определяемая вычислением и поэтому называемая теоретической. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был, в свое время, предложен Поляни. Так, если для разрыва стержня сечением 1 м² потребовалось приложить напряжение ао, a атомные плоскости при этом удалились друг от друга на величину а, адекватную порядку параметра кристаллической решетки, то работа выразилась как сто • а. При разрыве образовались две новых поверхности площадью 2 м², а затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию. Последнюю можно обозначить как g и выразить в Дж/м². Следовательно, со • а = 2g. Отсюда искомая теоретическая прочность ао = 2gla.

Существуют и другие методы определения теоретической прочности хрупких твердых тел, например по теплоте сублимации (переходе вещества из твердого состояния в газообразное без превращения в жидкость); по методу Поляни—Орована (из сил молекулярного взаимодействия) и др. Установлено, что независимо от метода вычисления результаты дают близкие значения теоретической прочности для твердых тел: ао = 0,1 Е. Учитывая высокие значения модуля упругости (табл. 3.2), становится очевидным, что теоретическая прочность твердых тел и кристаллов также очень велика. Что же касается технической (реальной) прочности, то она в 100—1000 раз, т. е. на два-три десятичных порядка, ниже теоретической прочности (см. табл. 3.2). Большое различие между теоретической и реальной прочностью материалов объясняется дефектностью микроструктуры, т. е. наличием микротрещин, пор и т. и. Чем крупнее образцы твердых тел, принятых для испытания, тем больше концентрируется в них дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует обратная зависимость прочности от размера изделий (масштабного фактора).

Таблица 3.2. Свойства некоторых металлических и неметаллических материалов.

Наиболее обстоятельно метод расчета реальной (технической) прочности хрупких твердых тел исследовал Гриффитс. Им предложена формула для расчета этой прочности материала, имеющего микротрещину:

где g и Е — соответственно свободная поверхностная энергия образца и модуль упругости материала, / — длина поперечной микротрещины в образце, составляющая обычно к моменту разрушения образца несколько микрон или более; р — числовой коэффициент, зависящий от вязкости и характера материала: наличия кристаллической и аморфной фаз, их количественного соотношения, дефектов в кристаллической решетке (вакансий, дислокации), микропор в аморфной части структуры.

Следует отметить, что прочность больше, чем некоторые другие свойства материала, проявляет чувствительность к явлениям и процессам формирования и изменения структуры, особенно кристаллической. Прочность является структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в необходимом направлении путем соответствующих корректив структуры на микроили макроуровне; уменьшения дефектов; введения добавок, например, кристаллических затравок; повышения дисперсности новообразующихся фаз; оптимизации структуры, изменения пористости и размера пор и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств материалов служат твердость, истираемость, ударная вязкость. Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например, при испытании на склерометрах путем вдавливания стального шарика или стального конуса, царапании резцом, сверлении, ударе молотком, пулевом вы стреле и пр. Эти испытания дают условные значения твердости либо только качественные, например, по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко стремятся перейти от полученного значения твердости к величине прочности. Устанавливаемые отношения между твердостью и прочностью тем менее точны, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, поскольку оба этих свойства обусловлены в основном сцеплением между микрочастицами материала.

Нередко о твердости судят также по потере массы образцов при истирании на металлических кругах с добавлением абразивных порошков.

Более сложным свойством, включающим прочность и твердость, служит износ. Об износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы во вращающемся барабане с металлическими шарами или без шаров, в течение определенного периода времени или определенной частоты вращения. Чем больше измельчается проба, тем, следовательно, и больше ее износ (в %).

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например, кровельных листов и плит.