![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Раздел 1, Строительное материаловедение 4 страница
R tf.op = у/ ЕЭ /а, (1.28) где Е - модуль упругости; Э - поверхностная энергия твердого тела на 1 см2, а - межатомное расстояние (в среднем 210 8 см). Теоретическая прочность материала тем выше, чем больше модуль упругости и поверхностная энергия и чем меньше межатомное расстояние. Согласно приведенному выражению прочность твердого тела должна находиться между значениями Е/5 и £ /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 температуре - 14000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (толщиной 3-5 мкм) - 3500-5000 МПа, а обыкновенного стекла - только 70-150 МПа. Используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала; прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала. Влияние строения на прочность Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. На рис. 1.11 представлен график прочности цементного бетона, показывающий, что увеличение пористости с 12, 4 до 15, 2% снизило прочность при сжатии с 37, 5 до 26 МПа. Подобная зависимость характерна и для других материалов (известняка, керамических материалов и пр.). 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 последующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные - криволинейные.
На рис. 1.12 схематически изображена краевая дислокация. Отклонение от идеального строения кристалла вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дислокацию из одного ряда атомов в другой, пока не вытолкнем дислокацию на грань кристалла. Механизм скольжения, основанный на движении дислокации, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой (рис. 1.14). При таком способе требуется значительно меньшее усилие, чем в случае перемещения ковра как единого целого. Дислокационная теория рассматри- вает пластический сдвиг в кристалли- — гтг'^^йВ''-" fr,,.,.; ^-, - — ческих материалах как скольжение путем движения дислокации. Под- Рис. 1.14. Складка ковра вижность дислокации зависит от того, в качестве модели скольжения: насколько легко межатомная связь АА'-ВВ'- перемещение ковра 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 как 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. Теоретическая прочность железа на сдвиг около 7000 МПа, но практически кристалл очень чистого железа Плотность дислокаций (т.е. число дислокаций, пересекающих площадь в 1 см2) может быть весьма велика - 107 - 105 (в отожженных металлах). При механических воздействиях дислокации перемещаются, взаимодействуют между собой и порождают новые дислокации, в особенности в местах концентрации напряжений. В результате этого их плотность возрастает до 1010 - 1013 (в сильно наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше некоторой критической плотности), они переплетаются (словно спутанные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким. Вакансии в кристаллической решетке, межузловые (внедренные) атомы, дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, в частности, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако наличие дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и физических воздействий среды. Следовательно, дислокации следует рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных свойств кристаллических материалов. 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 су Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация. Большинство материалов при понижении температуры охрупчи- ваются, 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. Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины (рис. 1.15). В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из простого уменьшения площади поперечного сечения. Напряжение о на конце трещины зависит от номинального напряжения о„, длины (глубины) трещины / и радиуса кривизны в вершине трещины г. < т, = а(\ + 2уЦ77) (1.29) Коэффициент концентрации напряжений а А. = cr[\ + 2^l / г J может быть равен 100 и даже 1000, если радиус вершины трещины соизмерим с радиусом атома, хотя глубина трещины лишь 0, 1 и 10 мкм. Следовательно, местное напряжение может превысить 7000 МПа при номинальном (т.е. среднем по сечению) напряжений 35-100 МПа. Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Перегруженная связь лопнет раньше других и положение ухудшится, так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким образом, трещина становится тем инструментом, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет прочные межатомные связи.
При распространении трещины материал вблизи трещины разгружается, и вследствие этого выделяется энергия деформации. Объем, в котором выделяется энергия, изображается на рис. 1.15 как половина объема цилиндра единичной высоты, численно ид = ~Ть(130) Образование двух новых поверхностей трещины требует затрат энергии ип=2Э, 1, (1.31) где Э, - поверхностная энергия единицы площади поверхности. Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую " критическую длину Гриффитса" ", при которой освобождающаяся энергия упругой деформации больше энергии образующихся новых поверхностей, тогда я/ < т/Е = 2Э„ (1.32) откуда сг= (2Э, E/nl)" 2. (1.33) Напряжение, необходимое для разрушения растянутой пластины, возрастает у материалов с высоким модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких поверхностных трещин. В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превышает /д-р, способны при данном напряжении а самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распростране' ния упругой волны (1, 5-2 км/с). 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. Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах. Механизм торможения трещины основан на том, что при распространении трещины кроме напряжений, перпендикулярных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает растяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине трещины и достигает максимума впереди трещины на расстоянии одного-двух атомных размеров от ее вершины. В растянутом материале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному перпендикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если прочность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности материала, то поверхность не разрушится, трещина ее только пересечет и поведение материала не изменится, т.е. он останется хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет поверхности раздела, последняя будет разрушена на небольшом участке и образуется ловушка, способная остановить трещину (рис. 1.16).
Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению (рис. 1.17).
Модели механических свойств Механические свойства материалов моделируют, используя реологические факторы: упругость, пластичность и вязкость. Реология - наука о деформациях и текучести вещества, исследующая различные деформации материалов в зависимости от напряжений. Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию при деформации образца. Для моделирования поведения упругого материала используют пружину. Упругая деформация идеального тела возникает тотчас после приложения силы и не зависит от времени, как это показано на рис. 1.18. После снятия нагрузки деформация становится равной нулю, следовательно, деформация упругого твердого тела постоянна и обратима.
Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется уравнению вязкого течения £ ВЯЗК = Tt/rj, где г- напряжение сдвига (Па); l - время (с); т] - вязкость (Па с).
Деформация вязкого течения при постоянном напряжении сдвига возрастает пропорционально времени (рис. 1.19, а). Поведение жидкости моделируют демпфером (рис. 1.19, б), в котором поршень перемещается под действием приложенных сил, при этом жидкость протекает через кольцевой зазор между стенками цилиндра и поршнем. Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие свойства, можно описать с помощью модели Максвелла[3], состоящей из пружины и демпфера, соединенных последовательно (рис. 1.20, а) при постоянном напряжении. В первый момент времени t„ сопротивление создается упругим элементом и возникает упругая деформация £ УПр, сохраняющаяся неизменной при постоянном напряжении. В период времени от 1„ до t, деформация возрастает вследствие вязкого течения (оно моделируется демпфером, при- " Д.Максвелл (1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики. соединенным к пружине). В момент времени t, при снятии нагрузки упругая составляющая деформации равна нулю, но вязкое смещение евязк сохраняется, так как оно необратимо. Следовательно, общая деформация s асфальтобетона, пластика и т.п. содержит упругую и вязкую составляющую:
а) -V х s §.ч> •V
ВЯЗК- В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой для £ вязк получаем следующее уравнение упруго-вязкой деформации: с =а/Е + а t/rj, в — с? (1/Е + I/tj). (1.36) Соответствующий график приведен на рис. 1.20, б. Примером вязкого течения является след шин, вдавившихся в асфальтовое покрытие дороги. Он напоминает о повышенной склонности к вязкому течению материала покрытия в жаркую погоду. При высокой температуре вязкое течение проявляется у стекла, металла и других твердых материалов. Релаксация напряжений Релаксация - свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации остается неизменной.
Модели деформации твердых тел дают возможность получить количественную характеристику скорости релаксационных явлений, протекающих в полимерных и других строительных мате Элементарная модель релаксации напряжений при постоянной деформации представляет собой последовательное соединение пружины и демпфера (модель Максвелла). Для этой модели общая деформация е равна сумме упругой и вязкой составляющих (рис. 1.20) е = еУПР + евязк = const. (1.37) Следовательно, deyn/dt = -eB„3l/dt. (1.38) Поскольку £ уш> = ст/Е, а £ вязк = -crt/tj, получим (do/dt)- (1/Е) ~-< у/г\, ' (1.39) откуда ^ = (1.40) о" 7 Введем постоянную времени релаксации Л = tj/E, тогда (1.41) где о - напряжение по прошествии времени /; а,, - первоначальное напряжение. Из формулы видно, что релаксация напряжения следует экспоненциальному закону (рис. Время > 1.21). Скорость релаксации Рис. 1.21. Релаксация напряжений напряжения характеризуется по постоянной деформации временем релаксации - промежутком времени, в течение которого напряжение уменьшается в е раз по сравнению с первоначальным (где е - основание натуральных логарифмов). Дсформативные свойства материалов зависят от температуры. При нагревании они размягчаются и переходят в пиропластиче- ское (глина, стекло и др.) или каучукоподобное (линейные полимеры) состояние, затем плавятся и становятся жидкотекучими. Следовательно, в зависимости от температуры материал может Поскольку каждый элемент модели функционирует раздельно, он характеризуется своими значениями Е и г/, поэтому £ = о/Е, + о/Е, (1 - elEy" : ) +at/r/3. (1.42) На рис. 1.22, б представлено развитие деформации во времени. После прекращения действия напряжения, начиная с момента времени th упругая е, и вязкоупругая е: составляющие деформации становятся равными нулю, а вязкая деформация £ 3 необратима.
Твердость, истираемость, износ Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость " У.Кельвин (1824-1907), лорд, титул, полученный английским физиком У.Томсоном за научные открытия. природных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10: 1. Тальк Mg3 [Si40m][0H]2 - легко царапается ногтем. 2. Гипс CaS04-2H20 - царапается ногтем. 3. Кальцит СаСОз - легко царапается стальным ножом 4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 - царапается стальным ножом под небольшим нажимом. 5. Апатит Cas [РО< |]з F - царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз K[AISij08] ] - легко царапают стекло, применяются в качестве 8. Топаз Ah[Si40][F, 0H]2 ( абразивных (истирающих 9. Корунд АЬОз:. и шлифующих) материалов. 10. Алмаз С Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости НВ = P/F, где F- площадь поверхности отпечатка. От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания и вычисляют по формуле (г/см2) И = (т, - m: )/F, где т, и т2 - масса образца до и после истирания. Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевыми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестницы и т.п. Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенного испытания (в % от первоначальной массы). Вопросы для самоконтроля 1. Какие существуют методы оценки для определения структуры материалов на микроуровне? 2. Какие числовые значения и размерности истинной и средней плотности, пористости, коэффициента плотности, теплопроводности и теплоемкости для тяжелого и ячеистого бетона, керамического кирпича и древесины? 3. Какие числовые значения прочности при сжатии, изгибе и растяжении с указанием размерности для тяжелого и ячеистого бетона, керамического кирпича и древесины? 4. Какие формы образцов и схемы испытаний используются для определения прочности материалов при сжатии, изгибе, растяжении? 5. Какие деформации в координатах напряжение-деформации показывают материалы упругие, пластичные, хрупкие? 6. Как можно моделировать механические свойства материалов? Дополнительная литература 1. СивухинД.В. Общий курс физики. - М: Наука, 1979-1989, т. I-V. 2. Смирнов А.Ф. Сопротивление материалов. - М: Высшая школа, 1975. 3. Глинка Н.А. Общая химия. - JI.: Химия, 1985, 25-ое изд. 4. Рейнер М. Реология. - М., 1965. 5. Горшков В С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1981. 6. Горчаков В.И., Мурадов Э.Г. Основы стандартизации и управления качеством промышленности строительных материалов. - М., 1987. 7. Попов К.Н., Каддо М.Б., Кульков О.В. Оценка качества строительных материалов / Под ред. К.Н. Попова. - М., Изд-во АСВ, 1999 8. И.А. Рыбьев, Строительное материаловедение - М. Высшая школа, 2002 Глава II. ПОНЯТИЕ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ § 1. Общие сведения Композиционные материалы представляют собой гетерофаз- ные системы, получаемые из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Другой компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается упрочняющим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, керамика, неорганические и органические вяжущие, полимеры. Упрочняющими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы. В композиционных материалах - композитах, разнородные компоненты создают синергетический эффект - новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов. В конструкционных композитах главное - это высокая удельная прочность (коэффициент конструктивного качества), превышающая аналогичную характеристику стали примерно в 15 раз. Производство композитов в мире стремительно растет. В 1977 г. в Западной Европе и США было продано по 350 тыс. т композитов соответственно; в 1986 г. - уже по 1 млн. т, т.е. за 10 лет - утроение продукции. К 2000-2005 г.г. там ожидается годовое потребление композитов по 2, 5-3, 0 млн. т. Одновременно в передовых западных странах падает потребление стали. С учетом меньшей - в 4 раза массы, более высокого (в 2-3 раза) выхода при изготовлении готовых изделий, большей продолжительности эксплуатации (в 2-3 раза), 1, 0 т композита может заменить теоретически 15-25 т, а практически 4-5 т стали. Появление названия композиционных материалов связано с принципиально новым направлением в технике, когда были созданы технологии, позволяющие получать высокопрочные материалы, в основном, для авиа-, ракето- и машиностроения. Примером такого материала, применяемого и в строительстве, являются стеклопластики, состоящие из полимерной матрицы и стекловолокон. Следовательно, дальнейшее создание новых материалов для строительства возможно будет развиваться с использованием теории и технологии композиционных материалов. Назовем их истинными композитами в отличие от других, к которым можно отнести многие строительные материалы: бетон, железобетон, фибробетон, асбестоцемент, древесностружечные, древесноволокнистые плиты и др. § 2. Состав и строение композита Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью упрочняющих компонентов, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается, как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей сохранение их первоначальных свойств. Многообразие упрочняющих и матричных материалов, а также схем армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др. Для волокнистых композиционных материалов существует несколько классификаций, например, материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (металлокомпозиты), с керамической матрицей и матрицей из углерода.
|