Курс лекций: Строительные материалы

Исследования многих кристаллических и аморфных материалов показали, что в широком интервале температур и напряжений долговечность «ф» при растяжении определяется соотношением (Журков):

ф = ф_о^.еxp(U_o - уV) / kT

где ф_o-- период тепловых колебаний атомов в твердом теле, с;

U_o -- энергия, близкая к энергии сублимации материала, Дж;

у-- напряжение, МПа;

V--объем, м³;

Т -- абсолютная температура, К;

k -- постоянная Больцмана, Дж/К.

Установлено, что предельные значения напряжений у_о, действующие на образцы из хрупкого материала, почти неизменны при любых практически значимых величинах долговечности ф. Если предельные значения напряжений у_о (пределы прочности материалов) превышены, то образец мгновенно разрушается; если эти значения ниже, то срок долговечности материала не ограничен.

Влияние тепловлажностных воздействий. Для большинства хрупких и пластичных материалов повышение температуры при испытании снижает прочностные показатели образцов, особенно при растяжении и изгибе. Это связано с явлением температурного расширения и увеличением межатомного расстояния. Однако следует заметить, что при незначительных отклонениях от нормальной температуры (18.. .20°С) изменения прочности несущественны.

При более высоких температурах (400... 800°С) различные материалы ведут себя по-разному. Например, керамические изделия мо гут увеличивать свою прочность благодаря закрытию (залечиванию) трещин, а безобжиговые изделия, в основном гидратационные материалы, резко снижают свои прочностные показатели.

При температурах выше 1000... 1300 предел прочности керамических материалов при изгибе зависит от содержания и свойств кристаллической фазы, а при сжатии -- от содержания и свойств стекловидной фазы. Гидратационные материалы при таких температурах разрушаются.

Для большинства полимерных материалов повышение температуры снижает прочность образцов. Однако для полимеров, реализующих способность макромолекул к деформации (эластики), наблюдается температурный интервал аномалии температурной зависимости. В этом интервале с увеличением температуры возрастает ориентация макромолекул перед разрывом образца. Причем чем больше ориентация, тем выше прочность образца. Это явление перекрывает общую тенденцию понижения прочности при повышении температуры испытания.

Влажность среды и материала оказывает в большинстве случаев негативное воздействие на его прочностные показатели. Снижение прочности материалов вызывается рядом причин:

- действием адсорбционно-активной среды (эффект Ребиндера);

- растворением метастабильных контактов срастания кристаллов, составляющих структуру материала;

- набуханием присутствующих в некоторых материалах глинистых минералов и др.

Паровая среда, т.е. совместное действие температуры и насыщенного водяного пара, оказывает еще большее влияние на прочностные показатели материалов. Результаты испытаний представлены в табл. 5.2.

Следует заметить, что не представляется возможным с достаточной степенью точности определить обособленное влияние каждого из многочисленных факторов на процесс разрушения материала.

Таблица 2.10. Предел прочности при сжатии (МПа) некоторых материалов в зависимости от тепловлажностных воздействий

Общие положения относительно прочности и разрушения материала

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать следующие общие положения по вопросам прочности и разрушения строительных материалов.

1. Всякое тело в процессе эксплуатации практически всегда находится под действием механических сил. Если эти силы велики, то тело неизбежно разрушится. Разрушение произойдет тем позднее, чем меньше деформирующие усилия.

2. Практическое воздействие механических сил нередко оказывается столь незначительным, что еще до механического разрушения материал может разрушиться вследствие химических процессов (коррозия, дегидратация, деполимеризация).

3. При разрушении материала разрываются связи, обеспечивающие его целостность. При этом энергии затрачивается больше, чем затрачено на образование связей. Энергия разрушения складывается из энергии теплового движения, преодолевающего притяжение элементов структуры, и работы (энергии) деформации.

4. В процессе разрушения происходит флуктуация тепловой энергии тел, так как постоянно разрушаются одни связи и восстанавливаются другие. Механическое воздействие внешней силы в зависимости от типа твердого тела обусловливает в той или иной степени восстановление или перегруппировку этих связей в новом месте в соответствии с направлением действия силы. Даже при ярко выраженном хрупком разрушении на поверхности заметны следы перенапряжений в виде измененной структуры материала.

5. Наряду с поглощением энергии при механическом нагружении происходит распределение энергии по связям, обеспечивающим сплошность структуры образца. Однако неравномерность распределения объясняется релаксационными свойствами материала или его фаз, т.е. степенью его структурной однородности.

6. При разрушении рассматриваются мгновенный или критический характер разрушения (теория Гриффитса) и постепенное разрушение, отвечающее статистической теории хрупкой прочности (Журков С.Н. и Александров А.П.). Сущность статистической теории состоит в том, что разрыв происходит не одновременно по всей поверхности разрушения, а постепенно, начиная с самого опасного очага, на котором перенапряжение достигает значения, сравнимого с величиной теоретической прочности. Затем разрушение идет в новых дефектных местах.

7. Поверхностные дефекты составляют значительную долю дефектов структуры и фактически определяют величину реальной прочности материала.

8. По мере растяжения образца из пластичного и эластичного материала (металлы и, полимеры) в результате его утончения напряжение сначала возрастает. Однако вследствие перегруппировки частиц, стремящихся занять менее напряженное положение, скорость роста напряжения замедляется. далее наступает момент, когда частицы не справляются с возрастающим напряжением, и происходит разрыв.

Следовательно, можно заключить, что разрушение твердых тел связано в основном с диссипативными явлениями, обусловленными необратимостью процесса разрыва перенапряженных межатомных связей тепловыми флуктуациями. При этом механизм рассеяния энергии для низкомолекулярных соединений связан с созданием новых поверхностей, а для высокомолекулярных соединений -- обусловлен еще и цепным строением молекул.

Твердость

Твердость - свойство материала, которое характеризует сопротивление упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела в условиях неравномерного сжатия. Эта величина, отражая энергию связи и особенности структуры, зависит от некоторых физико-механических, а также таких свойств, как прочность и пластичность.

Факторы, влияющие на твердость материала

Твердость является структурной характеристикой материала, ее связь с электронной структурой сложна и неоднозначна. Более очевидно влияние на твердость температуры и пористости.

При увеличении температуры твердость материала снижается из-за увеличения подвижности дислокаций и, как следствие, роста пластических деформаций.

Влияние пористости на твердость материалов неоднозначно. Пористость в интервале от 0 до 4% природных каменных материалов группы гранита и керамического фарфорового черепка, практически, не оказывает влияния на твердость, однако при показателе пористости 13% (обычный тяжелый бетон) влияние пор весьма существенно, особенно при высоких температурах.

Способы оценки твердости

Оценку твердости материала связывают с поведением его поверхностного слоя при механическом воздействии на материал. При этом используют два различных метода:

- качественный, или сравнительный метод, когда пластическая деформация поверхности осуществляется при взаимном царапании сравниваемых материалов;

- количественный метод, при котором пластическая деформация поверхности материала достигается вдавливанием в нее так называемых инденторов, т.е. стандартных твердых тел различной геометрической формы.

В первом случае в качестве ориентира применяют шкалу твердости по Моосу, т.е. обозначают стандартные материалы твердых тел 10 видов (от талька до алмаза), которые ступенчато классифицированы от 1 до 10 в зависимости от твердости, определяемой при взаимном царапании. Более мягкими считают те материалы, на которых остается царапина, а более твердыми -- те, на которых следы царапин отсутствуют (см. табл. 2.11).

Таблица 2.11. Влияние структуры и типа химической связи на твердость минералов (шкала Мооса)

В табл. 2.11 явно просматривается зависимость показателя твердости от класса минерала и типа химической связи Наибольшей твердостью обладают кристаллы с высокой направленностью ковалентной связи. Простые кристаллы за редким исключением (например, SiС) имеют более высокую твердость.

Как ориентир твердости материалов показатель твердости по Моосу является весьма качественным экспериментальным показателем.

Количественный метод определения твердости связан с приложением нагрузки посредством вдавливания индентора из алмаза или другого материала в поверхность испытуемого образца. По величине образующегося отпечатка рассчитывают показатель твердости. В зависимости от типа и формы индентора различают показатель твердости по Бринеллю (символ Нв), по Виккерсу (Нv), по Кнуппу (Н_N) и по Роквеллу (Н_R).

Величину твердости в зависимости от высоты отскока стального Шарика при падении на поверхность твердого тела называют показателем твердости по Шору.

Рис. 2.14. Схемы определения твердости материалов методом вдавливания индентора: а -- по Бринеллю (Нв); б -- по Виккерсу (Н_V); в -- по Кнуппу (H_N)

Результаты испытаний на твердость одних и тех же материалов, проведенных различными методами, как правило, неодинаковы, хотя cходимость их во всех случаях имеет место. Так, зависимость между твердостью по Моосу М и твердостью по Виккерсу Н_V выражается формулой:

lg Н_V = kМ,

где k -- константа (для керамики k = 1,6; для металлов k = 1,2).

При испытаниях материалов по методу вдавливания большое влияние на результат оказывают величины прикладываемой нагрузки:

- при усилиях вдавливания ниже определенного для каждого материала значения возникают только упругие деформации и отпечатка от индентора не остается, а следовательно, замерить показатель твердости не удается;

- при усилиях вдавливания выше критического значения на поверхности образуется отпечаток, глубину которого можно замерить и, следовательно, установить величину сопротивления пластической деформации, т.е. показатель твердости.

Таким образом, при увеличении усилия вдавливания сверх предела текучести для некоторых материалов, например металлов, происходит пластическая деформация, но так как металлы с большим модулем Юнга характеризуются большим пределом текучести, можно предположить, что пластичные материалы с большим модулем Юнга должны обладать большей твердостью. Хрупкие материалы, например керамика, плохо подвергаются пластической деформации и во многих случаях разрушаются в пределах упругости. Следовательно, если усилие вдавливания индентора в поверхность керамики выше некоторого предела и образуется отпечаток, то не только осуществляется пластическая деформация, но и возникают трещины, которые могут быть причиной локального разрушения материала.