Знати механічні і фізичні властивості матеріалів необхідно всім тим, хто за обов’язком своєї служби повинен підбирати оптимальне сировину для виготовлення певного предмета. Інформація з цієї сфери – область інтересів дослідників, фізиків і хіміків, представників наукових спільнот інших дисциплін. Розуміння природи, особливостей оточуючих нас матеріалів дає людині можливість творити, створювати нові конструкції, унікальні за своєю складністю і довговічності.
Загальна інформація
Визначення механічних властивостей матеріалів передбачає виявлення здатності чинити опір навантаженням, зусиллям, потенційно змінює форму матеріалу, що руйнують його. Найчастіше на практиці розглядають такі навантаження стосовно тих матеріалів, що задіяні у робочому процесі конструювання капітальних об’єктів. Будівельні конструкції змушені чинити опір численним істотним навантаженням, розділеним на дві великі групи – динаміка, статика.
Аналізуючи механічні властивості конструкційних матеріалів, необхідно враховувати, що навантаження з категорії статики не провокує формування інерційної сили. Типовий життєвий приклад – снігові маси, що скупчилися на даху будівлі. А ось динаміка – це швидке вплив, нерідко – буквально одну мить, за який відбувається наростання до максимуму. Процес супроводжується появою інерційних сил, що впливають на об’єкт. Часто зустрічається в реальності, знайомий всім приклад подібної навантаження – поїзд, що проноситься на мосту і впливає на опорні балки конструкції.
Про що йдеться?
Відомий широкий спектр механічних властивостей матеріалів: міцність, схильність стиратися, ставати м’якше, деформуватися. Досить важлива особливість – твердість сировини. При комплексному аналізі всіх параметрів конкретної речовини можна приймати рішення щодо його придатності для деякої задачі. В даний час на території нашої держави діють спеціальні стандарти і вимоги, що регламентують, які мінімальні кількісні показники для всіх важливих параметрів, щоб сировину стало придатним для конкретного завдання (наприклад, зведення стін житлового будинку).
Стійкий олов’яний солдатик
На практиці застосування механічних властивостей матеріалів особливо важливо в області створення конструкцій, використовуваних людьми, – це транспорт, житло, промислові та інші об’єкти, машини, інші механізми. Важливо, щоб ці предмети зберігали початкову форму. В той же час корисні й такі матеріали, які можуть змінюватися в обсязі, формі під впливом контрольованих факторів. Щоб оцінити якості деякого матеріалу в цьому аспекті, виявляють кількісну характеристику деформативності – такого параметра, який відображає, як сильно при наявності навантаження коригується форма, обсяг. Прийнято говорити про абсолютний, відносний показники.
Абсолютна деформація – кількісне відображення змін габаритів при появі навантаження. Параметр описується лінійними одиницями. Багато в чому це пов’язано механічне властивість складом матеріалу. Відносна – відсоткова величина, що відображає, наскільки змінився обсяг досліджуваного предмета в порівнянні з початковим при додатку зусилля.
Варіантів багато
Вивчаючи механічні і технологічні властивості матеріалів, особливу увагу звертають на той факт, що в рамках однієї категорії навантажень і параметра, відповідального за опір їм, є багато підвидів. Наприклад, говорячи про деформації, для повноцінного дослідження зразка потрібно ретельно оцінити здатність стійко сприймати стискання, згинання, кручення, розтягування, зрушення. Приміром, якщо необхідно дослідити бетон, залізобетон, тоді особливу увагу приділяють розтягування, стискання, згинання – саме з такими зовнішніми зусиллями будуть стикатися предмети в процесі монтажу об’єкта та його подальшої експлуатації.
Бувають пружні, пластичні деформації, спровоковані зовнішніми навантаженнями. Перші зникають, як тільки джерело зусиль зникає, другі залишаються на тривалий час. Нерідко їх називають залишковими. Щоб дати кількісну оцінку механічним властивостям і механічними характеристиками матеріалів, включаючи деформативність, необхідно проаналізувати спершу залишкові деформації. Досліджується об’єкт в секунду руйнування. На практиці таке часто зустрічається при вивченні зразків сталі, застосовуваної в якості арматури. На момент руйнування об’єкта виявляють, як велике залишкове подовження. Це дозволяє зарахувати конкретний зразок до групи пластичних або назвати крихким. Перші до моменту, коли руйнуються, накопичують значні залишкові деформуючі зміни, другі не відрізняються такою особливістю. Пластичністю відрізняються мідь, м’які різновиди сталі, а ось тендітні – камені, чавун.
Про міцності
З усіх основних механічних властивостей матеріалів саме цього завжди приділяється особлива увага. Аналіз об’єкта також проводиться щодо здатності чинити опір навантажень типу динаміки, статики. Якщо прикладається статичне зусилля, в матеріалі формується внутрішнє напруження. Міцність показує, наскільки сильно величини змінюються, якщо стан завантаженості коригується. Оцінюють, які зміни спостерігаються стосовно пружності, є деформації, руйнується зразок.
Під напругою при аналізі основних механічних властивостей матеріалів прийнято розуміти такий параметр, який описує зусилля всередині випробуваного об’єкта, спровоковане навантаженнями ззовні. Параметр розраховують стосовно до одиниці площі. Для визначення коректних значень необхідно проводити розрахунки щодо перетину. Параметри, при яких тіло переходить в новий стан, прийнято іменувати напругами, що описують межа текучості, міцності.
Деякі особливості тестування
Щоб точно визначити хімічні і механічні властивості матеріалів, необхідно взяти дослідні зразки і досліджувати їх реакції на застосування різних навантажень, зовнішніх факторів, з’єднань. Процеси, що відбуваються з об’єктом, ретельно фіксуються. Щоб виріб був придатним до експлуатації, вона повинна показати параметри, що відповідають введеним на території країни нормативам. Умови міцності, стійкості до атмосферних впливів, агресивних середовищ і іншим факторам систематизовані в таблиці, прописані для різних матеріалів і категорій матеріалів. Щоб визначити нормативи для конкретного об’єкта, слід скористатися актуальним виданням Госту до нього.
У рамках тестування зразки навантажуються. Якщо необхідно дослідити, наприклад, міцність, застосовують спеціалізовані преси – механічні або працюють на гідравліці. Можна користуватися машинами, здатними згинати, рвати зразки. Задають певний межа навантаження і оцінюють результат її застосування, фіксують в офіційному порядку, порівнюють з еталонним поведінкою. У деяких випадках також слід використовувати спеціальні формули розрахунку стосовно до складних деформацій конкретної речовини.
Обчислити, порівняти, проаналізувати
Щоб виявити вплив механічних властивостей на матеріал і зворотну залежність, необхідно перевірити, яким чином випробуваний об’єкт відгукується на різні зовнішні фактори. Для цього всі виявлені в ході експериментів відомості фіксуються в таблиці й застосовуються в якості бази для побудови діаграм. Графіки відображають деформації, міцність, здатність стискатися, розтягуватися. Міцнісні параметри дозволяють оцінити фізичні якості досліджуваної сировини та визначити нормативні опору – базові параметри, які використовуються потім при конструюванні складних об’єктів.
Найпростіше оцінювати фізико-механічні властивості матеріалів, якщо вони належать до числа однорідних. Для визначення нормативів опору беруть фізичні величини, стандартні для конкретного сировини і встановлені на федеральному рівні діючими нормативами. На підставі відповідності отриманих при випробуванні показників і вивірених метрологічним, матеріалознавчим контролем можна говорити про застосовність предмету для вирішення поставленого завдання. Якщо виріб неоднорідне, потрібно пам’ятати, що міцність найчастіше нижче, ніж передбачуваний або визначений в ході випробувань рівень. Важливо при конструюванні задуманого закласти запас міцності, враховуючи опір сировини.
Увагу всім деталям
Оцінюючи фізико-механічні властивості матеріалів для подальшого створення з них важливих, великих конструкцій, які стикаються з навантаженнями, необхідно пам’ятати, що експлуатаційні умови роблять сильний вплив на якісний рівень як виробу в цілому, так і речовини, з якого воно зроблене. При виявленні розрахункових характеристик далеко не завжди вдається врахувати всі ті умови, які будуть негативно впливати на об’єкт в ході його застосування на практиці. Щоб виріб не розчарувало користувача, слід вже на етапі оцінки матеріалу розрахувати коефіцієнт робочих умов, здатних зменшити параметри опору.
Нерідко конструктори стикаються зі складною ситуацією невизначеності, коли незрозуміло, як під впливом зовнішніх навантажень будуть змінюватися, наприклад, механічні властивості будівельних матеріалів, так як немає точного уявлення про справжню роботу. Це накладає певні обмеження на точність розрахунків. Щоб забезпечити гідний рівень експлуатаційних параметрів, слід передбачити коефіцієнт надійності. Це параметр, що відображає, якою мірою розрахунковий опір знижується щодо виведеного спочатку рівня.
Ударна міцність
Це таке механічне властивість матеріалів (будівельних, металів, конструкційних і різних інших), яке показує, наскільки великою має бути робота, що дозволяє зруйнувати вибраний для дослідів зразок. Параметр можна розрахувати на кожну об’ємну одиницю випробуваного об’єкта. Для досвіду необхідно мати вихідний матеріал і скидываемый на нього стандартний вантаж. Щоб випробування були систематизованими і точним, необхідно використовувати вантаж однакової маси. Спершу його скидають з невеликої висоти, поступово підвищуючи і підвищуючи відправну точку польоту. Інтервал – сантиметр. Випробування проводять, поки зразок не руйнується під впливом динамічного навантаження. Параметр, що виявляються в ході таких досліджень, вважається умовними величинами, сантиметрами, яких виявилося достатньо для руйнування об’єкта скиданням на нього предмета.
Стираність
Це механічне властивість матеріалу особливо важливо стосовно до сировини, задіяному у виготовленні об’єктів, на які виявляється в ході експлуатації истирающая навантаження. Наприклад, з такими стикаються бетон, клінкер, камінь, що застосовуються при створенні автомобільних трас, аеродромів, гідротехнічних конструкцій, підлог, тротуарів, сходів.
Найчастіше на практиці з механічних властивостей матеріалів необхідно обчислити стираність бетону – чи не найпоширенішого сировини для створення капітальних конструкцій. При цьому необхідно орієнтуватися на ГОСТ 13087-81. Для випробувань беруть кубічні зразки, довжина ребра яких – рівне 7,07 див. В деяких випадках оптимальним буде вибір на користь циліндра з аналогічним діаметром. Випробуваний обсяг вимірюють, виявляють вага, монтують на обсипаний абразивними речовинами коло з чавуну. Навантаження проводиться в межах 0,06 МПа, після чого коло починають обертати. 110 обертів – крок, який дозволяє повернути випробуваний обсяг на прямий кут. 440 обертів дозволяють повернутися до вихідного положення. На цьому первинний цикл завершується, зразок знімається з установки і вимірюється. Виявляють, як сильно змінилися маса, висота об’єкта. Ці параметри покажуть, наскільки успішно сировину чинить опір навантаженням на стирання.
Размягчаемость
Це механічне властивість матеріалу, відомий ще й під найменуванням водостійкість, відображає, якою мірою змінюється міцність при зволоженні випробуваного об’єкта. Порівняння проводиться з сухим предметом. Відомо, що зазвичай матеріали, поглинаючи воду, стають менш міцними, так як тверді компоненти можуть розчинитися, глинисті – набрякнути. Місця, де кристали зростаються між собою, можуть постраждати під впливом вологості за рахунок розчинення одного з компонентів, менш стійкого щодо рідини. Водний шар розклинює об’єкт, якщо прилягає прямо до поверхні.
Стійкість до води стосовно до каменів – механічне властивість матеріалу, яка оцінюється за спеціальною шкалою. Коефіцієнти виявляють за досить простою формулою: знаходять, як співвідносяться між собою міцність сухого і зволоженого матеріалу. Перш ніж провести дослідження, сухий зразок, для якого параметри вже отримані, на два дні поміщають в рідину. Після цього можна починати безпосередньо стиснення.
Про цифрах
Якщо деякий матеріал зовсім не розчиняється в рідині, зазначений коефіцієнт для нього становить одиницю. Такими якостями відрізняються сталь і скло, а також кілька підвидів гранітного каменю. А ось деякі руйнуються вже тільки за рахунок насичення водою. Класичний представник такої групи – крейда.
Якщо зазначений коефіцієнт становить 0,7 і менше, сировину можна використовувати при створенні конструкцій, потенційно контактують з водою. Наприклад, якщо потрібно побудувати фундамент для будівлі у вологому кліматі, з високим рівнем вологості ґрунту, такий матеріал категорично не підходить. Якщо відомо, що в процесі експлуатації об’єкт буде постійно контактувати з водою, в рамках випробування відразу перевіряють його в насиченому водою стані, щоб не переоцінити міцність.
Ваги і маси
Для коректної та повної оцінки механічних якостей необхідно з’ясувати, які об’ємний, питома вага зразка. Під питомою прийнято розуміти таку вагу заданої одиниці, який обчислюється в ідеальному щільному стані. Для вимірювання параметра використовують співвідношення грамів до сантиметрам у кубі. Стандарт для сталі – 7,85, для дерева всіх порід – 1,53, а для каменю – до 3,3.
Об’ємний – це така вага, який описує параметр об’ємної одиниці в нормальному, природному стані. Характеристика використовується, коли обчислюють конструкційні особливості запланованого об’єкта, а також підбирають транспорт з відповідною вантажопідйомністю. Для опису об’ємного ваги використовують співвідношення кілограмів до метрам в кубі.
Пори і вода
Важлива особливість матеріалу – пористість. Це механічне властивість показує, як багато в обсязі матеріалу представлено пір. Параметр відображається відсотками. Сумарно щільність і пористість дають 100% обсягу предмета.
Не менш важлива здатність зразка поглинати і пропускати воду. Оцінюючи, наскільки сильно предмет вбирає вологу, зберігає його в своєму обсязі, виявляють процентне співвідношення ваги до контакту з рідиною і після нього. Також можна виявити, як співвідносяться між собою обсяг впитанного і загальний, характерний для зразка. А ось під проникністю прийнято розуміти здатність проводити рідина при наявності тиску. Ця величина визначається будовою речовини, щільністю, особливостями водного потоку. Для оцінки значення розраховують, як багато рідини проходить через квадратний сантиметр поверхні. Випробування проводять на заздалегідь встановленому і точно виміряний стандартному напорі рідини. Абсолютно непроникні для води скло, сталь.
Тепло чи холодно?
Серед інших механічних властивостей не останнє місце займає стійкість до морозу. Цим параметром показують, наскільки негативно на предмет впливають негативні температури. Для випробувань зразки спершу насичують рідиною, після чого організовують кілька циклів розморожування і заморожування. Вираховують, як багато циклів потрібно, щоб міцність зменшилася, з’явилися зовнішні ознаки деформації, руйнувань.
Кількість циклів дозволяє оцінити параметри матеріалу з урахуванням загальноприйнятої шкали морозостійкості. Важливо звернути увагу на кліматичні умови, в яких реальний предмет буде замерзати, клас конструкцій, споруд. В нормі величина Мрз варіюється від 5 до 200.
Тепліше, тепліше
У будь-якого матеріалу є властивість теплопровідності. У фізиці терміном прийнято позначати здатність передавати тепло, спровоковану різницею рівня прогріву середовища у різних поверхонь об’єкта. Чим вище вологість, щільність, тим більше буде і якість проведення тепла. Для розрахунку цього показника використовують спеціальну формулу.
Не менш важливий параметр – теплоємність, який описує, як багато енергії може поглинати конкретний зразок, якщо передавати йому тепло. Фізиками була винайдена спеціальна формула для його обчислення, а сам параметр назвали коефіцієнтом питомої теплоємності.
Вогнику знайдеться?
Різні матеріали описуються різними здібностями руйнуватися під впливом високих температур і різкого охолодження за допомогою води (наприклад, при гасінні пожежі). Деякі несгораемы, інші піддаються вогню з працею, а всі інші належать до категорії спаленних. Перший описаний клас не здатний займатися, обвуглюватися, не починається навіть тління, а ось другого все це властиво, хоча процеси протікають з великими зусиллями. Нарешті, спалимі матеріали, які запросто можуть запалитися, їм властиво тління, а якщо джерело вогню прибрати, вони продовжать горіти.
Близький до описаного параметру – вогнетривкість. Це така характеристика, що описує, наскільки ефективно об’єкт може під впливом нагрівання до 1580 градусів і більше (у відповідності зі шкалою Цельсія) не плавитися, не горіти, протистояти негативному впливу навколишніх чинників.
