Основные механические свойства материалов и их применение

Знать механические и физические свойства материалов необходимо всем тем, кто по долгу своей службы должен подбирать оптимальное сырье для изготовления некоторого предмета. Информация из этой сферы – область интересов исследователей, физиков и химиков, представителей научных сообществ других дисциплин. Понимание природы, особенностей окружающих нас материалов дает человеку возможности творить, создавать новые конструкции, уникальные по своей сложности и долговечности.

Общая информация

Определение механических свойств материалов предполагает выявление способности сопротивляться нагрузкам, усилиям, потенциально меняющим форму материала, разрушающим его. Чаще всего на практике рассматривают такие нагрузки применительно к тем материалам, что задействованы в рабочем процессе конструирования капитальных объектов. Строительные конструкции вынуждены сопротивляться многочисленным существенным нагрузкам, разделенным на две крупные группы – динамика, статика.

Анализируя механические свойства конструкционных материалов, необходимо учитывать, что нагрузка из категории статики не провоцирует формирования инерционной силы. Типичный жизненный пример – снежные массы, скопившиеся на крыше здания. А вот динамика – это быстрое воздействие, нередко – буквально одно мгновение, за которое происходит нарастание до максимума. Процесс сопровождается появлением инерционных сил, влияющих на объект. Часто встречающийся в реальности, знакомый всем пример подобной нагрузки – поезд, проносящийся на мосту и воздействующий на опорные балки конструкции.

О чем идет речь?

Известен широкий спектр механических свойств материалов: прочность, склонность истираться, становиться мягче, деформироваться. Довольно важная особенность – твердость сырья. При комплексном анализе всех параметров конкретного вещества можно принимать решение относительно его применимости для некоторой задачи. В настоящее время на территории нашей державы действуют специальные стандарты и требования, регламентирующие, каковы минимальные количественные показатели для всех важных параметров, чтобы сырье стало применимым для конкретной задачи (например, возведения стен жилого дома).

Стойкий оловянный солдатик

На практике применение механических свойств материалов особенно важно в области создания конструкций, используемых людьми, – это транспорт, жилье, промышленные и прочие объекты, машины, иные механизмы. Важно, чтобы эти предметы сохраняли изначальную форму. В то же время полезны и такие материалы, которые могут меняться в объеме, форме под влиянием контролируемых факторов. Чтобы оценить качества некоторого материала в этом аспекте, выявляют количественную характеристику деформативности – такого параметра, который отражает, как сильно при наличии нагрузки корректируется форма, объем. Принято говорить об абсолютном, относительном показателях.

Абсолютная деформация – количественное отражение изменений габаритов при появлении нагрузки. Параметр описывается линейными единицами. Во многом связано это механическое свойство с составом материала. Относительная – процентная величина, отражающая, насколько изменился объем исследуемого предмета в сравнении с первоначальным при приложении усилия.

Вариантов много

Изучая механические и технологические свойства материалов, особенное внимание обращают на тот факт, что в рамках одной категории нагрузок и параметра, ответственного за сопротивление им, есть много подвидов. Например, говоря о деформации, для полноценного исследования образца нужно тщательно оценить способность стойко воспринимать сжатие, изгибание, кручение, растягивание, сдвиг. К примеру, если необходимо исследовать бетон, железобетон, тогда особенное внимание уделяют растягиванию, сжиманию, изгибанию – именно с такими внешними усилиями будут сталкиваться предметы в процессе монтажа объекта и его последующей эксплуатации.

Бывают упругие, пластичные деформации, спровоцированные внешними нагрузками. Первые пропадают, как только источник усилий исчезает, вторые остаются на продолжительное время. Нередко их именуют остаточными. Чтобы дать количественную оценку механическим свойствам и механическим характеристикам материалов, включая деформативность, необходимо проанализировать сперва остаточные деформации. Исследуется объект в секунду разрушения. На практике такое часто встречается при изучении образцов стали, применяемой в качестве арматуры. На момент разрушения объекта выявляют, как велико остаточное удлинение. Это позволяет причислить конкретный образец к группе пластичных либо назвать хрупким. Первые к моменту, когда разрушаются, скапливают внушительные остаточные деформирующие изменения, вторые не отличаются такой особенностью. Пластичностью отличаются медь, мягкие разновидности стали, а вот хрупкие – камни, чугун.

О прочности

Из всех основных механических свойств материалов именно этому всегда уделяется особенное внимание. Анализ объекта также производится относительно способности сопротивляться нагрузкам типа динамики, статики. Если прикладывается статическое усилие, в материале формируется внутреннее напряжение. Прочность показывает, насколько сильно величины меняются, если состояние загруженности корректируется. Оценивают, какие изменения наблюдаются применительно к упругости, есть ли деформации, разрушается ли образец.

Под напряжением при анализе основных механических свойств материалов принято понимать такой параметр, который описывает усилие внутри испытуемого объекта, спровоцированное нагрузками извне. Параметр рассчитывают применительно к единице площади. Для определения корректных значений необходимо производить расчеты относительно сечения. Параметры, при которых тело переходит в новое состояние, принято именовать напряжениями, описывающими предел текучести, прочности.

Некоторые особенности тестирования

Чтобы точно определить химические и механические свойства материалов, необходимо взять опытные образцы и исследовать их реакции на применение различных нагрузок, внешних факторов, соединений. Процессы, происходящие с объектом, тщательно фиксируются. Чтобы изделие было применимым в эксплуатации, оно должно показать параметры, соответствующие введенным на территории страны нормативам. Условия по прочности, стойкости к деформациям, агрессивным средам и прочим факторам систематизированы в таблицы, прописанные для разных материалов и категорий материалов. Чтобы определить нормативы для конкретного объекта, следует воспользоваться актуальным изданием ГОСТа к нему.

В рамках тестирования образцы нагружаются. Если необходимо исследовать, к примеру, прочность, применяют специализированные прессы – механические либо работающие на гидравлике. Можно пользоваться машинами, способными изгибать, рвать образцы. Задают некоторый предел нагрузки и оценивают результат ее приложения, фиксируют в официальном порядке, сравнивают с эталонным поведением. В некоторых случаях также следует использовать специальные формулы расчета применительно к сложным деформациям конкретного вещества.

Вычислить, сравнить, проанализировать

Чтобы выявить влияние механических свойств на материал и обратную зависимость, необходимо проверить, каким образом испытуемый объект откликается на разные внешние факторы. Для этого все выявленные в ходе экспериментов сведения фиксируются в таблице и применяются в качестве базы для построения диаграмм. Графики отражают деформации, прочность, способность сжиматься, растягиваться. Прочностные параметры позволяют оценить физические качества исследуемого сырья и определить нормативные сопротивления – базовые параметры, используемые затем при конструировании сложных объектов.

Проще всего оценивать физико-механические свойства материалов, если они принадлежат к числу однородных. Для определения нормативов сопротивления берут физические величины, стандартные для конкретного сырья и установленные на федеральном уровне действующими нормативами. На основании соответствия полученных при испытании показателей и выверенных метрологическим, материаловедческим контролем можно говорить о применимость предмета для решения поставленной задачи. Если изделие неоднородное, нужно помнить, что прочность зачастую ниже, нежели предполагаемый или определенный в ходе испытаний уровень. Важно при конструировании задуманного заложить запас прочности, учитывая сопротивление сырья.

Внимание всем деталям

Оценивая физико-механические свойства материалов для последующего создания из них важных, крупных конструкций, сталкивающихся с нагрузками, необходимо помнить, что эксплуатационные условия оказывают сильное влияние на качественный уровень как изделия в целом, так и вещества, из которого оно произведено. При выявлении расчетных характеристик далеко не всегда удается учесть все те условия, которые будут негативно влиять на объект в ходе его применения на практике. Чтобы изделие не разочаровало пользователя, следует уже на этапе оценки материала рассчитать коэффициент рабочих условий, способных уменьшить параметры сопротивления.

Нередко конструкторы сталкиваются со сложной ситуацией неопределенности, когда непонятно, как под влиянием внешних нагрузок будут меняться, к примеру, механические свойства строительных материалов, так как нет точного представления об истинной работе. Это накладывает определенные ограничения на точность расчетов. Чтобы обеспечить достойный уровень эксплуатационных параметров, следует предусмотреть коэффициент надежности. Это параметр, отражающий, в какой степени расчетное сопротивление снижается относительно выведенного изначально уровня.

Ударная прочность

Это такое механическое свойство материалов (строительных, металлов, конструкционных и различных других), которое показывает, насколько большой должна быть работа, позволяющая разрушить выбранный для опытов образец. Параметр можно рассчитать на каждую объемную единицу испытуемого объекта. Для опыта необходимо иметь исходный материал и скидываемый на него стандартный груз. Чтобы испытания были систематизированными и точным, необходимо использоваться груз одинаковой массы. Сперва его скидывают с небольшой высоты, постепенно повышая и повышая отправную точку полета. Интервал – сантиметр. Испытания проводят, пока образец не разрушится под влиянием динамической нагрузки. Параметр, выявляемый в ходе таких исследований, считается условными величинами, сантиметрами, которых оказалось достаточно для разрушения объекта сбрасыванием на него предмета.

Истираемость

Это механическое свойство материала особенно важно применительно к сырью, задействованному в изготовлении объектов, на которые оказывается в ходе эксплуатации истирающая нагрузка. Например, с таковыми сталкиваются бетон, клинкер, камень, применяемые при создании автомобильных трасс, аэродромов, гидротехнических конструкций, полов, тротуаров, лестниц.

Чаще всего на практике из механических свойств материалов необходимо вычислить истираемость бетона – едва ли не самого распространенного сырья для создания капитальных конструкций. При этом необходимо ориентироваться на ГОСТ 13087-81. Для испытаний берут кубические образцы, длина ребра которых – ровно 7,07 см. В некоторых случаях оптимальным будет выбор в пользу цилиндра с аналогичным диаметром. Испытуемый объем измеряют, выявляют вес, монтируют на обсыпанный абразивными веществами круг из чугуна. Нагрузка производится в пределах 0,06 МПа, после чего круг начинают вращать. 110 оборотов – шаг, позволяющий повернуть испытуемый объем на прямой угол. 440 оборотов позволяют вернуться к исходному положению. На этом первичный цикл завершается, образец снимается с установки и измеряется. Выявляют, как сильно изменились масса, высота объекта. Эти параметры покажут, насколько успешно сырье сопротивляется нагрузкам на истирание.

Размягчаемость

Это механическое свойство материала, известное еще и под наименованием водостойкость, отражает, в какой степени прочность меняется при увлажнении испытуемого объекта. Сравнение производится с сухим предметом. Известно, что обычно материалы, поглощая воду, становятся менее прочными, так как твердые компоненты могут раствориться, глинистые – набухнуть. Места, где кристаллы срастаются между собой, могут пострадать под воздействием влажности за счет растворения одного из компонентов, менее стойкого относительно жидкости. Водный слой расклинивает объект, если прилегает прямо в поверхности.

Стойкость к воде применительно к камням – механическое свойство материала, которое оценивается по специальной шкале. Коэффициенты выявляют по довольно простой формуле: находят, как соотносятся между собой прочность сухого и увлажненного материала. Прежде чем провести исследования, сухой образец, для которого параметры уже получены, на два дня помещают в жидкость. После этого можно начинать непосредственно сжатие.

О цифрах

Если некоторый материал совершенно не растворяется в жидкости, указанный коэффициент для него составляет единицу. Такими качествами отличаются сталь и стекло, а также несколько подвидов гранитного камня. А вот некоторые разрушаются уже только за счет насыщения водой. Классический представитель такой группы – мел.

Если указанный коэффициент составляет 0,7 и менее, сырье нельзя использовать при создании конструкций, потенциально контактирующих с водой. Например, если нужно построить фундамент для здания во влажном климате, с высоким уровнем влажности грунта, такой материал категорически не подходит. Если известно, что в процессе эксплуатации объект будет постоянно контактировать с водой, в рамках испытания сразу проверяют его в насыщенном водой состоянии, чтобы не переоценить прочность.

Весы и массы

Для корректной и полной оценки механических качеств необходимо выяснить, каковые объемный, удельный вес образца. Под удельным принято понимать такой вес заданной единицы, который вычисляется в идеальном плотном состоянии. Для измерения параметра используют соотношение граммов к сантиметрам в кубе. Стандарт для стали – 7,85, для дерева всех пород – 1,53, а для камня – до 3,3.

Объемный – это такой вес, который описывает параметр объемной единицы в нормальном, естественном состоянии. Характеристика используется, когда вычисляют конструкционные особенности запланированного объекта, а также подбирают транспорт с подходящей грузоподъемностью. Для описания объемного веса используют соотношение килограммов к метрам в кубе.

Поры и вода

Важная особенность материала – пористость. Это механическое свойство показывает, как много в объеме материала представлено пор. Параметр отражается процентами. Суммарно плотность и пористость дают 100% объема предмета.

Не менее важна способность образца поглощать и пропускать воду. Оценивая, насколько сильно предмет впитывает влагу, сохраняет его в своем объеме, выявляют процентное соотношение веса до контакта с жидкостью и после оного. Также можно выявить, как соотносятся между собой объем впитанного и всеобщий, характерный для образца. А вот под проницаемостью принято понимать способность проводить жидкость при наличии давления. Определяется эта величина строением вещества, плотностью, особенностями водного потока. Для оценки значения рассчитывают, как много жидкости проходит через квадратный сантиметр поверхности. Испытания проводят на заранее установленном и точно измеренном стандартном напоре жидкости. Абсолютно непроницаемы для воды стекло, сталь.

Тепло или холодно?

Среди прочих механических свойств не последнее место занимает стойкость к морозу. Этим параметром показывают, насколько негативно на предмет влияют отрицательные температуры. Для испытаний образцы сперва насыщают жидкостью, после чего организуют несколько циклов разморозки и заморозки. Высчитывают, как много циклов требуется, чтобы прочность уменьшилась, появились внешние признаки деформации, разрушений.

Количество циклов позволяет оценить параметры материала с учетом общепринятой шкалы морозостойкости. Важно обратить внимание на климатические условия, в которых реальный предмет будет замерзать, класс конструкций, сооружений. В норме величина Мрз варьируется от 5 до 200.

Теплее, теплее

У любого материала есть свойство теплопроводности. В физике термином принято обозначать способность передавать тепло, спровоцированную разностью уровня прогрева среды у разных поверхностей объекта. Чем выше влажность, плотность, тем больше будет и качество проведения тепла. Для расчета показателя используют специальную формулу.

Не менее важный параметр – теплоемкость, описывающая, как много энергии может поглощать конкретный образец, если передавать ему тепло. Физиками была изобретена специальная формула для его вычисления, а сам параметр назвали коэффициентом удельной теплоемкости.

Огоньку найдется?

Разные материалы описываются различными способностями разрушаться под влиянием очень высоких температур и резкого охлаждения с помощью воды (например, при тушении пожара). Некоторые несгораемы, другие поддаются огню с трудом, а все прочие принадлежат к категории сгораемых. Первый описанный класс не способен воспламеняться, обугливаться, не начинается даже тление, а вот второму все это свойственно, хотя процессы протекают с большими усилиями. Наконец, сгораемые – материалы, которые запросто могут воспламениться, им свойственно тление, а если источник огня убрать, они продолжат гореть.

Близкий к описанному параметру – огнеупорность. Это такая характеристика, которая описывает, насколько эффективно объект может под влиянием нагрева до 1580 градусов и более (в соответствии со шкалой Цельсия) не плавиться, не гореть, противостоять негативному влиянию окружающих факторов.