Дисциплина Строительные материалы2 Тема лекции 3 Механические

Дисциплина: Строительные материалы2 Тема лекции № 3: «Механические свойства материалов в конструкциях»

План лекции n Теоретическая прочность и механика разрушения материалов. n Понятие о нагрузках, деформациях внутренних напряжениях, их видах и количественных характеристиках. n Влияние строения (наличие микродефектов) материала на деформационные и прочностные характеристики материала.

Прочность - это свойство материалов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением), определенным при данном виде деформации. Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей.

l Теоретическая прочность материала тем выше, чем больше модуль упругости и поверхностная энергия и чем меньше межатомное расстояние. l Прочность твердого тела должна находиться между значениями Е/5 и Е/10. Например, теоретическая прочность стали 30000 МПа, в то время как прочность обычной стали около 400 МПа, а специальной проволоки - 3000 МПа. Теоретическая прочность стекла при комнатной темпера туре 14000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (толщиной 3 -5 мкм) - 3500 -5000 МПа, а обыкновенного стекла - только 70 -150 МПа. l Используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.

Влияние строения на прочность l Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. Реальные кристаллические материалы имеют большее или меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения и могут располагаться даже между узлами кристаллической решетки. Их нормальные места остаются свободными и затем замещаются другими ионами. Следовательно, в узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого рода дефекты возникают в результате размещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основное вещество (примеси замещения), или между ними(примеси внедрения).

Свойства кристаллических материалов зависят от дислокаций кристаллов. Дислокация - это всегда одномерный (линейный) дефект кристаллической решетки, возникающий или в процессе образования кристалла, или в результате после дующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные - криволинейные. Дислокационная теория рассматривает пластический сдвиг в кристаллических материалах как скольжение путем движения дислокации. Подвижность дислокации зависит от того, насколько легко межатомная связь может быть разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый раз, когда дислокация перемещается на один шаг (межатомное расстояние), должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении предпочтительнее связи, обеспечивающие одинаковое притяжение во всех направлениях: металлическая и ионная. Дислокации в ковалентных кристаллах при нормальной температуре малоподвижны, так ковалентная связь является направленной, наиболее прочной и жесткой.

Дислокации присутствуют почти во всех кристаллических материалах. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но зато придают пластичность поликристаллическим телам с металлической связью, делают металл ковким, затрудняют распространение трещин. l дислокации следует рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных свойств кристаллических материалов. l

Механика разрушения Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться “внезапно”, не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам. Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация. Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др. Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке. l

Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины. В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из простого уменьшения площади поперечного сечения. Напряжение на конце трещины зависит от номинального напряжения, длины (глубины) трещины и радиуса кривизны в вершине трещины. l В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превышает критическую глубину трещин, способны при данном напряжении самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распространения упругой волны (1, 5 -2 км/с). l Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих могут передаваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении. Например, у природных каменных материалов (гранит и др. ) предел прочности при растяжении составляет всего 1/40 -1/60 предела прочности при сжатии. Хрупкие материалы также плохо сопротивляются удару и взрыву.

Прочность бетона при сжатий 1. При проектировании конструкций прочность бетона на сжатие характеризуется классами. 2. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0, 95. 3. Классы бетонов: В 1; В 1, 5; В 2, 5; В 3, 5; В 7, 5; В 10; В 12, 5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 55; В 60.

Между классом бетона и средней прочностью имеется зависимость: l B=R(1 l Где - tv), В-класс бетона по прочности, МПа; l R-средняя прочность, МПа; l t-коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона; l v-коэффициент вариации прочности бетона.

Переход от класса к средней прочности l Для перехода от класса бетона (В) к средней прочности (Rсж) при сжатий образцов 15 х15 х15 см (при нормативном коэффициенте вариации 13, 5 % и t=0, 95) следует применят формулу: l Rсж = В / 0, 778 l Например: для класса В 5 (М 75) – Rсж=6, 43 МПа; l В 7, 5 (М 100) – Rсж=9, 64 МПа; l В 25 (300) - Rсж=32, 13 МПа; l В 40 (М 500) – 51, 4 МПа.

Переходные коэффициенты при испытаний на прочность при сжатий Размер куба, см 10 х10 х10 15 х15 х15 20 х20 х20 Коэффициент 0, 95 1, 05 *кубы размером 15 х15 х15 см принимают в том случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителя 40 мм. **на производстве необходимо обеспечивать среднюю прочность или заданную марку бетона. **превышение заданной прочности допускается не более 15 %, т. к. это ведет к перерасходу цемента.

Понятие о нагрузках, деформациях, внутренних напряжениях Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силам - нагрузкам, которые вызывают в них деформации и внутренние напряжения.

НАГРУЗКИ статические, действующие постоянно динамические, которые прикладываютс я внезапно и вызывают силы инерции.

На статические нагрузки рассчитываются здания и сооружения промышленного и гражданского строительства. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкции и т. д. Ряд сооружений предназначен для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха, фортификационные и специальные объекты. Нагрузки, преимущественно динамического характера, образуются от природных катастроф (землетрясения, ураганы, наводнения, селевые потоки, оползни и др. ), а также от аварий на предприятиях (взрывы, удары). Статические нагрузки действуют независимо от времени, динамические же главным образом зависят от длительности действия: от долей до нескольких секунд, вызывая колебания и смещения сооружений. Ударная волна ядерных взрывов может длиться до 2 -3 секунд, а интенсивность на ее фронте при этом достигает сотен МПа, вот почему она обладает столь разрушительными последствиями.

Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации тела. Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения, сжатия и др. ), ползучесть. Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму в 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 или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией. Пластическую или остаточную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой. Хрупкостью твердого тела называют его способность разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.

Напряжение - мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под воздействием внешних сил. Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением выражающим закон Гука: ε = σ/Е При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле σ = Р/Е, где Р - действующая сила; Е - площадь первоначального поперечного сечения элемента. Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.

Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформаций, построенной на основании результатов испытания в координатах «напряжение деформация» (σ – ε). а) 6) σ σ А напряжение В ε Относительная деформация σ в) е) ε σ ε ε Рис. Схема диаграмм деформации: а) стекла; 6) стали; в) бетона; е) эластомера

Список литературы Основная литература: • 1. Микульский В. Г. Строительные материалы (материаловедение и технология), М. : ИАСВ, 2004 (154 -190 с. ) • 2. Скобников К. М, Глазов Г. А. , Петраш Л. В и др. Технология металлов и других конструкционных материалов, Машиностроение (75 -80 с. ) Дополнительная литература: • 1. Горчаков Г. И. Баженов Ю. М. Строительные материалы: - М. : Стройиздат, 1986 (120 -135 с. ) • 2. Рыбьев И. Г. Строительное материаловедение – М. : Высш. . шк. 2002. (100 -127 с. )