§ 4. Механические свойства

К механическим свойствам материалов относят их способность сопротивляться разрушению или деформации (изменение формы и размеров) под действием внешних нагрузок; такими свойствами являются прочность, твердость истираемость.

Прочность. Прочность – способность материалов сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок.

В построенном здании почти все его конструкции испытывают те или иные нагрузки (сила тяжести от частей здания, оборудования или мебели, людей, находящихся в здании, воздействие ветра и др.), вследствие чего в материалах конструкции возникают те или иные деформации. Исследованиями установлено, что:

деформация зависит от размера внешней силы: чем больше усилия, тем больше деформации;

деформации могут быть упругими, которые исчезают после снятия нагрузки, и остаточными, которые остаются после снятия нагрузки;

деформации зависят не только от силы, но и от материала;

при достижении усилия достаточно большой величины материал разрушается, и если мы хотим, чтобы здание не теряло своих эксплуатационных качеств, то усилия и деформации отдельных его частей не должны превышать определенных пределов;

внешняя нагрузка вызывает в материале внутренние силы, препятствующие его деформации и разрушению. Эти силы называют напряжениями и обозначают буквой сигма о.

Прочность материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности называют наибольшее напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение материала. Чтобы рассчитать предел прочности при сжатии Rcж в кгс/см2 (или растяжении Раст), надо разрушающую силу Р в кгс разделить на первоначальную площадь сечения образца F0 в см2.

Предел прочности при сжатии определяют в лабораториях на прессах, испытывая образцы материалов обычно в виде кубов; иногда испытывают на сжатие образцы в виде цилиндров, призм и половинок балочек.

Предел прочности при растяжении определяют на разрывных машинах путем испытания специально изготовленных образцов, а предел прочности при изгибе — на специальных установках, испытывая образцыбалочки.

Для балки прямоугольного сечения наибольшие нормальные напряжения изгиба ан в кгс/см2 определяют по формулам:

при одном сосредоточенном грузе посередине образца

при двух равных грузах, расположенных симметрично,

где Р — груз, кгс (Н, МН); / — расстояние между опорами, см (м); h — высота поперечного сечения, см (м); Ь — ширина поперечного сечения, см (м); а — расстояние между грузами, см (м).

Прочность некоторых строительных материалов характеризуют маркой, которая определяется пределом прочности при сжатии, а иногда при сжатии и изгибе, полученным при испытании образцов стандартной формы и размеров. Для строительных материалов, получаемых с использованием неорганических вяжущих веществ, марку определяют в возрасте, предусмотренном ГОСТ.

Для каменных материалов установлены марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 800 и 1000. Например, предел прочности при сжатии материала марки 150 находится в пределах от 150 до 199 кгс/см2.

Упругость. Упругость — это способность материала изменять под действием нагрузки свою форму без признаков разрушения и восстанавливать ее в большей или меньшей степени после удаления нагрузки. Восстановление формы в зависимости от величины действующей силы может быть полным или неполным. Пример очень упругого материала — резина. Упругими являются и такие материалы, как сталь, дерево.

Пластичность. Пластичность — это способность материала под действием нагрузки изменять без признаков разрушения свою форму и полностью сохранять эту измененную форму после снятия нагрузки. Большинство растворных смесей отличается высокой пластичностью.

Хрупкость. Свойство материала под действием прилагаемых к нему усилий разрушаться сразу, не обнаруживая скольконибудь значительных деформаций, называется хрупкостью. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару, поэтому их нельзя использовать там, где могут быть ударные нагрузки. Примером хрупкого материала может служить стекло, многие каменные материалы.

Твердость. Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Твердость определяют различными способами. Твердость металлов, древесины, бетона и пластмасс (кроме пористых) определяют, вдавливая в образцы стальной шарик, конус или пирамиду. О твердости материала судят по глубине вдавливания шарика

(конуса, пирамиды) или по диаметру полученного отпечатка. Твердость однородных (каменных) минералов определяют по десятибалльной шкале твердости (табл. 2).

Таблица 2

Шкала твердости минералов (по Моосу)

Минерал	Показатель твердости	Характеристика твердости
Тальк или мел	1	Легко чертится ногтем
Каменная соль или гипс	2	Чертится ногтем
Кальцит или ангидрид	3	Легко чертится стальным ножом
Плавиковый шпат	4	Чертится стальным ножом при небольшом давлении
Апатит	5	Чертится стальным ножом при большом нажиме. Стекло не чертит
Ортоклаз	6	Слегка царапает стекло
Кварц	7 8 9 10	Легко чертят стекло, стальным ножом не чертятся
Топаз
Корунд
Алмаз

Минералы в шкале расположены в порядке возрастающей твердости. Каждым последующим минералом можно прочертить линию на минерале, который ему предшествует. Если при определении твердости какогонибудь материала окажется, что его образец оставляет черту на гипсе, а сам чертится кальцитом, его твердость равна 2,5.

У некоторых материалов существует определенная взаимозависимость между твердостью и прочностью. Приближенные способы проверки прочности бетона или металла в конструкции основаны на измерении их твердости.

Истираемость и износ. Истираемость — способность материалов уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Истираемость определяют в лабораториях на специальных машинах — кругах истирания. Размер истираемости И в г/см2 вычисляют по формуле

И = (m1 — m2)/F,

где m1 — масса сухого образца до истирания, г; m2 — масса сухого образца после истирания, г; F — площадь истирания, см2.

Например, для древесностружечных плит истираемость равна 0,08 г/см2, а для пластмассовых проступей — 0,03 г/см2. Истираемость в значительной степени зависит от прочности.

Если конструкция наряду с истиранием испытывает ударные нагрузки, то она подвергается износу. К таким конструкциям относятся, например, полы промышленных предприятий, дорожные покрытия. На износ материалы испытывают во вращающихся барабанах, где куски материала, находясь в непрерывном движении, ударяются один о другой и частично разрушаются.