Строительные материалы

Ковалентно-ионная

1950

TiC

Тоже

3140

Si

Ковалентная

1417

SiO₂

Тоже

1710

Si₂N₄

»»

-2000

SiC

»»

-2830

Структура твердого тела и температура плавления

Напомним, что структура есть результат совокупного действия химических связей, обеспечивающих единое целое. Поэтому прочность структуры твердого тела зависит от прочности химических связей, так же, как прочность здания зависит от того, из каких кирпичиков оно построено и каким раствором связаны эти кирпичики.

У различных групп веществ и соединений для создания оптимальной структуры имеются определенные условия и особенности. Так, для класса оксидов металлов одной и той же группы или с одинаковой валентностью металла можно отметить следующие особенности:

температура плавления оксида тем выше, чем выше координационное число (к.ч.) катиона;

температура плавления оксида снижается по мере уменьшения к.ч. металла по отношению к кислороду;

температура плавления оксида снижается при уменьшении к.ч. кислорода при неизменном к.ч. ионов металла, равном 6 (пример: к.ч. MgO (2800°С) > к.ч. А1₂О₃(2050°С) > к.ч. ТiO₂(1840°С);

температура плавления оксида тем выше, чем выше плотностьупаковки ионов (т.е. выше к.ч. ионов) и выше прочность химическойсвязи.

Взаимосвязь "температура плавления - тепловое расширение "

Анализ механизмов теплового расширения и плавления, а также влияния на них состава, химических связей и структуры тела выяв ляет в указанных процессах много общего. Особенно это относится к влиянию типа химической связи и ее прочности на интенсивность и результат рассматриваемых процессов.

С увеличением прочности химической связи КТР тел уменьшается (см. табл. 4.3), а их температура плавления растет (см. табл.4.8). Эта взаимосвязь свидетельствует о том, что температура плавления может служить косвенной характеристикой процесса теплового расширения кристаллических тел.

Деформативные и прочностные свойства материалов

Деформативные свойства материалов проявляются при воздействии на них механических и термических нагрузок, в результате которых в материале возникают различного рода деформации, напряженное состояние и, наконец, наступает разрушение.

Деформация -- это нарушение взаимного расположения множества частиц материальной среды, которое приводит к изменению формы и размеров тела и вызывает изменение сил взаимодействия между частицами, т.е. возникновение напряжений. Заметим, что чаще деформации вызывают напряжения, и поэтому, как правило, строят графики зависимости напряжений от деформаций, а не наоборот.

Простейшими элементами деформации являются относительное удлинение и сдвиг.

Относительное удлинениё «е» стержня или материального волокна среды длины «l» есть отношение изменения (l - l_o) к первоначальной длине: е = (l-l_o)/l_o.

Сдвигом называется изменение угла у между элементарными волокнами, исходящими из одной точки и образующими прямой угол до деформации (см. рис. 5.1).

В твердых телах деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, и пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает; если она исчезает не полностью, то называется упругопластической, если она изменяется во времени и обратима, то называется вязкоупругой.

Разрушение -- это ослабление взаимосвязи между частицами при нарушении сплошности структуры.

Различают хрупкое, т.е. мгновенное (без деформации) и пластическое (с деформацией) разрушение твердого тела.

Таким образом, к этой группе свойств можно отнести упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, прочность и твердость.

Упругость -- свойство изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий.

Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов, из которых они построены. В твердых телах при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий атомы занимают равновесное положение, в котором сумма всех сил, действующих на каждый атом со стороны остальных, равна нулю, а потенциальная энергия атома минимальна.

Под влиянием внешних воздействий атомы смещаются относительно своих равновесных положений, что сопровождается увеличением потенциальной энергии тела на величину, равную работе внешних сил на изменение формы и объема тела. В результате возникают напряжения, величины которых пропорциональны произведенной деформации.

Пока отклонения межатомных расстояний и валентных углов от их равновесных значений малы, они пропорциональны силам межатомного взаимодействия, подобно тому, как удлинение или сжатие пружины пропорционально приложенной силе. Поэтому упругое тело можно представить как совокупность атомов-шариков, соединенных пружинами, ориентации которых фиксированы другими пружинами (рис. 5.1), а константы упругости пружин модели подобны модулю упругости материала.

Поле снятия нагрузки конфигурация упругого деформированного тела с неравновесными межатомными расстояниями и валентными углами оказывается неустойчивой и самопроизвольно возвращается в равновесное состояние. Запасенная в теле избыточная потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию колеблющихся атомов, т.е. в теплоту.

Рис. 2.4. Шариковая модель элементарной ячейки кубического кристалла: а - в равновесии при отсутствии внешних сил; б - под действием внешних сил и касательных напряжений

Константы упругости

Количественно упругость характеризуется константами, свойственными каждому материалу. При этом необходимо учитывать, что большинство свойств, кроме плотности и теплоемкости, связано с анизотропией структуры. Упругость является ярко выраженным анизотропным свойством. Поэтому следует различать упругость кристаллов и анизотпропных материалов и упругость изотропных тел.

Поликристаллические тела и материалы в целом изотропны, анизотропия их свойств проявляется только в результате формования или обработки, например прессования, штампования, прокатки, уплотнения и т.п. Таким образом, формируется анизотропия свойств керамической плитки, черепицы, стального листа и т.д. В дальнейшем рассматривается упругость только изотропных свойств, для которых не применимы представления об ориентированных кристаллографических осях и пр.

С учетом вышеизложенного для большинства природных и искусственных материалов (горные породы, керамика, бетон, металлы и т.д.) при малых деформациях зависимости между напряжениями «у» и деформациями «е» можно считать линейными (рис. 2.5) и описывать обобщенным законом Гука:

у = Ее,

где Е -- модуль упругости (модуль Юнга).

Подобным образом напряжение сдвига «ф» прямо пропорционально относительной деформации сдвига или углу сдвига у(рис. 2.6):

ф = G . у

где G -- модуль сдвига.



Рис 2.5 Классическая зависимость напряжение -- деформация: А -- керамики; В -- металлов; С -- полимеров

Рис. 2.6. Упругая деформация твердого тела при сдвиге

Удлинение образца при растяжении сопровождается уменьшением его толщины (рис. 2.7). Относительное изменение толщины Дl/l к относительному изменению длины Дd/d называется коэффициентом Пуассона «м» или коэффициентом поперечного сжатия:

м = (Дl/l) / (Дd/d).

Рис. 2.7. Упругая деформация твердого тела при растяжении

Если при деформации тела его объем не изменяется, а это может иметь место только при пластическом или вязком течении, то м = 0,5. Однако, практически, эта величина значительно ниже теоретического показателя и для разных материалов она различна. Упругие материалы (бетон, керамика и др.) имеют невысокие значения коэффициента Пуассона (0,15-0,25), пластичные (полимерные материалы) -- более высокие (0,3-0,4). Это объясняется зависимостью между силами притяжения и отталкивания и изменением межатомного расстояния при деформации.

Модуль Юнга

Модуль Юнга, или модуль продольной деформации Е показывает критическое напряжение, которое может иметь структура материала при максимальной ее деформации до разрушения; имеет размерность напряжений (МПа).

Е =у_р/е;

Где: у_р - критическое напряжение.

У поликристаллических материалов обычно наблюдаются отклонение от линейной у = ѓ(е,), не связанное с энергией кристаллической решетки, а зависящей от структуры материала. Для оценки упругих свойств таких материалов применяют два модуля упругости: касательный Е = tgб и секущий V= tgв, который называют модулем деформаций (рис. 2.8).



Рис. 2.8. Схематическое изображение деформации огнеупоров: а -- кривая деформации; б -- точка разрушения; у; -- предельное напряжение при разрушении; е -- деформация

Величина модуля упругости двухфазной системы является средней между величинами модулей упругости каждой из фаз, и аналитическое выражения для ее нахождения аналогичны тем, что используются при различных значениях линейного КТР:

Е = Е₁V₁ + E₂V₂,

где V₁ и V₂ -- относительные объемные доли первой и второй фаз.

Это соотношение используется при разработке стеклопластиков, т.е. пластмасс, армированных стекловолокном. Е стекловолокна (~7^.10⁴ МПа) велик по сравнению с Е пластмасс (Е = 0,7^.10⁴ МПа). Поэтому даже при низкой объемной доле стекловолокна в композиции на него как на более прочный компонент приходится большая часть общей нагрузки.

Пористость и модуль Юнга

Увеличение пористости структуры снижает ее модуль упругости, так как пористость представляет собой вторую или п-ю фазу с минимальным модулем упругости. Количественно эта зависимость представляется достаточно сложной, так как кроме суммарного объема пор необходимо учитывать их форму, непрерывность, извилистость и пр. Если принять, коэффициент Пуассона м равным 0,3, то величина модуля упругости пористого тела в случае наличия замкнутых пор в непрерывной среде достаточно точно может быть определена по следующему эмпирическому уравнению:

Е = Е_о (1-1,9П+0,9П²),

где Е и Е_о -- модули упругости пористого и абсолютно плотного тела;

П -- относительная пористость, ед.

Если в пористых материалах пространство пор непрерывно, а твердые частицы могут смещаться относительно друг друга, то влияние пористости оказывается более значительным, чем в результате определения по приведенному уравнению.

Термическое расширение и модуль упругости

Кристаллические тела с высоким КТР имеют, как правило, низкий модуль упругости. С повышением температуры расстояние между атомами увеличивается также за счет термического расширения, и упругая составляющая деформации несколько снижается, уменьшая напряженное состояние и, как следствие, модуль упругости. При высоких температурах упругая составляющая понижается значительно. Наконец, она становится настолько малой, что тело теряет свои упругие свойства, т.е. переходит из состояния неустойчивого равновесия в равновесное состояние, в котором величина напряжения и силы межатомного взаимодействия зависят только от температуры.

В материаловедении такое состояние, называемое пиропластическим, и является необходимым условием для формования (ковка, црокат, горячее прессование, термопластичное формование и пр.) различных материалов и изделий.

Пластичность

Пластичность (от греч. р1аstcos -- податливый) -- свойство твердых тел и материалов деформироваться (изменять свою форму и размеры) без нарушения сплошности структуры под действием внешних сил и сохранять часть деформации после прекращения действия этих сил. Такие сохраненные (необратимые или остаточные) деформации часто называют пластическими.

Все реальные твердые тела, даже при малых деформациях, в большей или меньшей степени обладают пластическими свойствами, т.е. наряду с упругими деформациями также имеют место пластические. Соотношения между двумя противоположными видами деформации для различных материалов неодинаковы. В керамике это соотношение в пользу упругой деформации, в полимерах -- в пользу пластической. По этому показателю условный ряд материалов с повышением доли пластической деформации может быть представлен следующим образом:

керамика > метал > высокомолекулярные соёдинения.

Это соотношение зависит от многих факторов, в том числе от структуры твердого тела. Например, в отформованном глиняном сырце доля упругой деформации невелика по сравнению с пластической. В высушенном глиняном образце доля пластической деформации значительно уменьшилась, а в спеченной керамике эта доля ничтожна. Это объясняется так: под влиянием температурных воздействий структура глиняного сырца претерпела кардинальные изменения: высокодисперсная коллоидная система превратилась в пористую стеклокристаллическую структуру с высоким модулем упругости.

Заметим, что при нагружении любое твердое тело можно считать упругим, т.е. не проявляющим заметных пластических деформаций, до тех пор, пока нагрузка не превысит некоторого предела, после которого часть деформаций становится необратимой. Напряженное состояние этого момента называется пределом текучести у_т. После этого предела линейный характер взаимосвязи напряжение -- деформация нарушается, в дальнейшем он может восстановиться, но в другом соотношении у/е. При пластической деформации, сопровождающейся нарушением связности структуры, наступает разрушение, характеризующееся резким падением напряжения Пограничное состояние между пластической деформацией и разрушением называется предельным напряжением структуры у_пр, которое численно равно пределу прочности R_пр твердого тела.

Из графика (рис. 2.9) следует, что при повышении нагрузки до предела текучести у_т проявляются только упругие деформации, и напряжение возрастает с большой скоростью. После достижения у_пр проявляются только пластические деформации, хотя в обоих случаях имеют место и те, и другие. В этот период напряжение возрастает медленно и только за счет наличия упругих деформаций, вплоть до нарушения сплошности структуры, R_пр.

Таким образом, становится очевидным, что появление пластических деформаций свидетельствует о начале процесса разрушения структуры твердого тела. Этот факт следует учитывать при расчете или выборе конструкций различного функционального назначения, разработке способов подготовки масс, формования, других технологических переделов.

Рис. 2.9. Кривые зависимости напряжение - деформация: _ упругая деформация; -- пластическая деформация.



Рис. 2.10. Зависимость упругой и пластической деформаций от времени приложения нагрузки

На рис. 2.10 изображен график временной зависимости деформации при постоянном напряжении и температуре.

В момент нагружения, которое осуществляется со скоростью звука, в твердой непрерывной среде возникает только упругая деформация 4 (отрезок ОА). С течением времени в твердом теле развивается необратимая деформация. Совокупное развитие обратимой и необратимой деформаций во времени характеризуется отрезком АВ. В момент времени ф_i, соответствующий т. В, обратимая деформация достигает равновесного значения при действующем напряжении и больше не увеличивается. Если бы наблюдаемая деформация была обусловлена только обратимой (упругой) составляющей деформации, то в дальнейшем она не изменялась бы во времени, и отрезок ВС располагался бы параллельно оси времени. В действительности деформация непрерывно увеличивается, но уже за счет необратимой составляющей, и отрезок ВС характеризует ее изменение во времени.

Если участок ВС прямолинеен, то, экстраполируя его к нулевому моменту времени, получаем графическое выражение закона пластической деформации в виде прямой ВС. Пластическая деформация (отрезок ДЕ), накопившаяся за время ф2 остается после снятия нагрузки, когда со временем гз исчезает упругая составляющая (кривая СД).

Резюмируя сказанное, отметим следующее:

- в момент нагружения (мгновенно) имеет место только упругая деформация (ОА);

- в период достижения упругой деформацией равновесного значения (АВ) имеет место как упругая, так и пластическая деформация,

- в период роста пластической деформации упругая составляющая остается неизменной (ВС);

- после снятия нагрузки исчезает упругая деформация (СД);

- (ДЕ) - пластическая деформация.

Разделение упругой и пластической деформаций, улучшение пластических свойств материала -- достаточно сложные, но подчас необходимые операции при создании новых технологий переработки, обработки, формования различных материалов и получении материалов с заданными свойствами.

Причины и механизм образования пластических деформаций

Напомним, что при приложении к твердому телу внешней силы, величина которой превышает предел текучести а возникает пластическая деформация, образующаяся в результате скольжения плоскостей атомной решетки благодаря напряжению сдвига. Напряжение, необходимое для смещения ряда атомов вдоль некоторой плоскости, как показано на рис.2.11, можно определить по формуле:

у_т = (G/2р)(b/h),

где G-- модуль сдвига;

b -- расстояние между атомами в направлении скольжения;

h -- расстояние между плоскостями скольжения.

Следует заметить, что во время скольжения плоскостей каждый атом перемещается не вдоль прямой линии расположения соседних атомов, где необходимо преодолевать высокий энергетический барьер, а по зигзагу через места с низкими энергетическими барьерами, и поэтому значение у_T должно быть на порядок ниже. Например, для Al₂O₃ теоретическое значение у_T = 1,7х 10⁵МПа, а реальное в 17 раз меньше. Тот факт, что экспериментальные значения оказываются гораздо меньше теоретических, можно отнести почти ко всем другим твердым материалам, а также металлам.

Рис. 2.11. Отклонения в расположении атомов под воздействием напряжения сдвига

Способность различных материалов к пластической деформации и механизм ее образования можно объяснить с помощью понятия “дислокации”. Если к кристаллу приложить усилие, вызывающее напряжение сдвига, то происходит скольжение его верхней и нижней частей во взаимно противоположных направлениях. В результате этого возникают дислокации, т.е. линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Поскольку дислокация в кристалле обладает собственным полем напряжений, возникающим от действия внешних сил, она также испытывает силу, под действием которой приходит в движение, результатом чего является взаимное “проскальзывание” атомных плоскостей, или пластическая деформация.

Каждый раз при перемещении дислокации в плоскости скольжения разрываются и возникают новые связи не между всеми атомами на плоскости скольжения, а только между теми атомами, которые находятся у линии дислокации. Поэтому пластическая деформация сдвига происходит при сравнительно малых внешних напряжениях, которые значительно ниже теоретических, т.е. без дислокаций.

Плоскость скольжения образуется в кристалле лишь на участках со слабой связью между атомами. При этом скольжение происходит в направлении самого низкого энергетического барьера, который необходимо преодолеть. Механизм скольжения, основанный на движении дислокаций, можно идентифицировать с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой. На рис. 2.12. приведен пример систем скольжения в кристалле поваренной соли.

Рис. 2.12. Системы скольжения в кристаллах типа NаСl

Если приложить к кристаллу внешнюю силу в каком-то направлении, то на скольжение в кристалле будут эффективно влиять только те составляющие внешней силы, которые соответствуют системам скольжения. Исходя из этого, можно заключить, что чем больше вероятность реализации системы скольжения, тем выше пластические деформации кристалла. Очевидно, что в металлах такая вероятность значительно выше, чем в природных каменных материалах и керамике.

Подвижность дислокаций, обеспечивающая пластические свойства кристалла, ограничивается не только прочностью межатомных связей, но и рассеянием фононов и электронов проводимости в упругоискаженной области кристалла. Кроме того, движению дислокации мешают также упругое взаимодействие с другими дислокациями и с примесными атомами межзеренными границами в поликристаллах и пр. На преодоление отмеченных препятствий затрачивается часть работы внешних сил. Из этого следует, что реальный кристалл (с дислокациями) «мягче» или пластичнее бездефектного, но если плотность дислокаций становится выше критического значения, то он становится более прочным и «жестким».

Дислокации, как и иные дефекты кристаллов, влияют не только на такие их свойства, как пластичность и прочность, но и на другие физические свойства кристаллов. Например, с увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается электрическое сопротивление (металлов). Дислокации увеличивают скорость диффузии в кристаллах, ускоряют процессы старения, увеличивают химическую активность и уменьшают стойкость кристаллических структур в различных средах.

Таким образом, пластичность наряду с упругостью является важнейшей характеристикой твердых тел. Пластические деформации, возникающие в теле под действием внешних сил, позволяют судить о характерных особенностях структуры того или иного материала в двух основных аспектах:

1. Появление пластических деформаций -- свидетельство начала разрушения структуры материала. Это позволяет:

- определить запасы прочности, деформируемости и устойчивости структуры;

- снизить материалоемкость изделий и конструкций;

- обеспечить их наиболее рациональное функционирование, надежность и безопасность;

- повысить сопротивляемость тел ударным нагрузкам, снизить концентрацию напряжений в материале.

2. Наличие значительных пластических деформаций -- положительный момент для обеспечения качественного формования и обработки твердых тел давлением (прокатка, штамповка, ковка и т. п.).

Хрупкость

Если при нагружении твердых тел возникают преимущественно упругие деформации, а пределы текучести и прочности имеют близкие значения, то такие тела называются хрупкими. (У идеально хрупких тел у_Т =R_пр).

Хрупкие тела разрушаются почти мгновенно, с едва заметной деформацией.

Отсюда следует, что хрупкость -- свойство материала разрушаться при незначительной, преимущественно упругой, деформации, при напряжениях, средний уровень которых несколько ниже предела текучести.

Эластичность

Эластичность (от греч. е1аstos -- гибкий, тягучий) -- способность материала или изделия испытывать значительные упругие (обратимые) деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях. Такой способностью обладают каучуки (натуральные и синтетические), резина, некоторые, в основном линейные, полимеры. Благодаря этой способности их обычно называют эластомерами.

В отличие от упругости кристаллических материалов и стекол, обратимые деформации которых составляют доли процента или несколько процентов, упругие деформации эластомеров достигают 100% и более. Это связано с особым состоянием полимеров, которое называется высокоэластическим.

Высокоэластическое состояние является устойчивым в определенном для каждого полимера интервале температур, ниже которого полимер находится в стеклообразном состоянии, а выше -- в вязко - текучем состоянии.

Прочность

Под прочностью в широком смысле слова понимают способность материалов сопротивляться разрушению, происходящему в результате действия внешних сил. Кроме того, причиной разрушения материала могут быть такие факторы, как неравномерно протекающие тепло- и массообменные процессы, действие электрических и магнитных полей и многие другие физические и физико-химические процессы и явления.

Критерии прочности

Критериями прочности в зависимости от класса материала, вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, сдвиг и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и пр.) могут быть временное сопротивление, предел текучести, предел усталости и другие виды сопротивления.

Прочность строительных материалов чаще всего оценивают временным сопротивлением, или пределом прочности «R», определяемым при данном виде деформации. для хрупких материалов (природных и искусственных каменных материалов) основными прочностными характеристиками являются пределы прочности при сжатии и изгибе, а для эластичных (полимеры) -- предел прочности при растяжении, которые определяются по формулам:

R_сж = F_сж/А; R_р = F_р /A R_и = M / W

где R_сж, R_р R_и -- соответственно пределы прочности при сжатии, растяжении и изгибе, МПа;

F_сж и F_р -- соответственно разрушающее усилие при сжатии и растяжении, Н;

А -- площадь поперечного сечения испытуемого образца, м²;

М -- наибольший изгибающий момент, Н*м;

W - момент сопротивления сечения образца, м³.

Факторы, влияющие на показатель прочности

Полученные показатели пределов прочности материалов (особенно предела прочности при сжатии) носят условный характер, так как при испытании на конечный результат существенное влияние оказывают различные факторы:

- размер и форма образца;

- время и скорость приложения нагрузки;

- тепловлажностные условия проведения испытаний;

- методы испытаний и особенности конструкций испытательных машин.

Влияние размера и формы образца на показатели предела прочности при сжатии обусловлено двумя факторами: образованием при сжатии поперечных растягивающих усилий и наличием в большем объеме образца большего количества дефектов структуры, влияющих на прочностные свойства материала.

При одноосном сжатии, благодаря наличию у образца свободных вертикальных поверхностей, образуются поперечные растягивающие усилия. Между опорными гранями образца и плитами пресса эти усилия уравновешиваются силами трения. По мере удаления от поверхности образца действие сил трения уменьшается и растягивающие усилия растут, достигая своего максимума к середине образца (по высоте). Чем больше расстояние между опорными плитами образца при сжатии, т.е. h_к h_пр (рис. 5.28), тем меньше силы трения в середине образца и выше результирующие растягивающие усилия. Поэтому предел прочности при сжатии у образцов кубической формы выше, чем у призм.

Случайное распределение структурных неоднородностей по объему и поверхности образца приводит к различным значениям прочности в разных локальных участках структуры. Прёдел прочности всего образца определяется прочностью самого слабого участка.

Вероятность встретить в образце слабое место тем больше, чем больше его объем. Поэтому разрушающее напряжение малых образцов выше, чем больших из того же материала. Особенно это заметно при сравнении пределов прочности при растяжении изделий, резко различающихся по сечению, таких, как стержень, проволока, волокно. Чем меньше сечение изделия, тем меньше его удельный объем и поверхность, а следовательно, меньше вероятность наличия в нем дефектов (табл. 2.13).

Рис. 2.13. Схемы сжатия образцов: а - поперечное расширение при сжатии эластичных тел; б - изменение сил трения при сжатии хрупких тел кубической и призматической формы

Ввиду этих особенностей в строительстве все чаще используются тросы и канаты, сплетенные из тонкой проволоки, а в текстильной промышленности - нити, сплетенные из тончайших волокон.

Следует заметить, что значительное количество дефектов в виде микротрещин, выступов, шероховатостей и т. д. образуется на поверхности изделия, так как при формировании структуры поверхность слоя испытывает большие напряжения, чем внутренние слои материала. Полировка поверхности нивелирует эти дефекты, а защитные покрытия препятствуют их развитию, увеличивая прочность изделия.

Таблица 2.9 Предел прочности при растяжении материалов различной формы

Материал	Предел прочности при растяжении, МПа
	Стандартная форма	Волокнистое изделие
Графит	-	24000 (нитевидный кристалл)
Сталь	500-3000	4000-5000 (проволока)
Стекло	12-20	3000-3600
Асбест	-	3200-5400

Скорость приложения нагрузки также оказывает влияние на конечный результат при испытании. Значение разрушающего напряжения оказывается, как правило, выше, если образец разрушен в короткий промежуток времени. Напротив, значение разрушающего напряжения такого же образца, разрушенного медленно, оказывается более низким.

Поскольку для хрупких материалов разрушение рассматривается как процесс зарождения и роста трещин, время от момента приложения нагрузки до момента разрушения характеризует жизнеспособность материала, которую в материаловедении принято называть долговечностью.

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

Материал	Сухая среда, 240оС	Насыщенный водяной пар
		240оС	25оС
Натрий-кальций-силикатное стекло	150	-	77
Кварцевое стекло	453	257	391
Кварц	448	251	367
Гранит	130	42	164

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)

Шкала твердости	Минерал	Химическая формула	Структура	Химическая связь
1	Тальк	Mg3[Si4O10][OH]2	Листовая	Ионно-мол.
2	Гипс	CaSО4 * 2Н2О	Пластинчатая	Ионная
3	Кальцит	СаСО3	Призматическая	Ионная
4	Флюорит	CaF2	То же	Ионная
5	Апатит	Ca5[P04]3F	То же	Ионная
6	Ортоклаз	К[А1 Si3O8]	Ромбическая	Ионно-ковал.
7	Кварц	SiO2	Тетраэдрическая	Ковалентная
8	Топаз	Al2[Si40][F,0H]2	То же	Ковалентная
9	Корунд	A12O3	Октаэдрическая	Ковалентная
10	Алмаз	С	Тетраэдрическая	Ковалентная

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.

Таким образом, - твердость -- это характеристика материала, отражающая его пластичность и прочность.

Твердость связана четкой корреляционной зависимостью с модулем Юнга. У минералов, обладающих химической связью одного типа, с увеличением модуля Юнга твердость увеличивается.

Завершая анализ деформативных и прочностных свойств строительных материалов еще раз отметим четко выраженную взаимосвязь в системе: состав -- химические связи -- структура -- свойства.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационными принято считать такие особенности материала, которые проявляются во взаимодействии с окружающей средой в период его работы в конструкции в тех или иных условиях. К таким условиям можно отнести:

- переменные температурные воздействия при эксплуатации тепловых агрегатов;

- атмосферные условия, связанные с переменными тепловлажностными воздействиями;

- влияние агрессивных жидкостных и газовых сред.

К материалам, работающим в таких условиях, предъявляют повышенные требования, связанные с сохранением специально созданной структуры. Материалы, работающие в условиях воздействия агрессивных сред, должны обладать стойкостью к тем или иным воздействиям. Например: они должны характеризоваться водостойкостью; морозостойкостью; термостойкостью, или температуростойкостью; огнестойкостью; коррозионной стойкостью; и др. Рассмотрим некоторые из них.

Водостойкость

Водостойкость -- способность материала сопротивляться агрессивному воздействию на него воды. Результатом такого воздействия может быть снижение прочности материала, связанное с частичным разрушением структуры вследствие разрыва наиболее слабых химических связей.

Причинами частичного разрушения структуры могут быть следующие:

- адсорбционно-активное воздействие тонких водных пленок на микротрещины, имеющиеся в пористой структуре материала;

- химическое воздействие воды на метастабильные контакты различных фаз;

- деформация структуры в результате процессов набухания и усадки гидрофильных составляющих материала.

Критерием водостойкости принято считать 20%-ное снижение прочности в результате водонасыщения материала. Количественно водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения Кразм, который определяется по формуле

К_разм = (R_сух -- R_нас) / Rсух,

где R_сух и R_нас пределы прочности при сжатии соответственно сухих и водонасыщенньхх образцов материала, МПа.

Из формулы видно, что чем больше потеря прочности материала, тем выше коэффициент размягчения и ниже водостойкость материала. Таким образом, материалы, имеющие коэффициент размягчения выше 0,2, т.е. потеря прочности которых составляет более 20%, следует считать неводостойкими.

Примечание. Коэффициент снижения прочности при водонасыщении по ГОСТ 9479-84 «Блоки из природного камня для облицовочньтх изделий. Методы испытаний» принято определять как соотношение пределов прочности при сжатии водонасыщенных и сухих образцов».

Морозостойкость

Морозостойкость плотных и пористых материалов

В строительном материаловедении понятие «морозостойкость» связывают с воздействием на материал двух основных факторов:

- влияние низких температур - для абсолютно плотных материалов (стекло, металлы, полимерные изделия и др.);

- совокупное влияние низких температур и воды - для материалов мелкопористой структуры (природные и искусственные каменные материалы, в том числе строительная керамика, бетоны, растворы и др.).

Таким образом, для плотных материалов морозостойкость -- способность материала сохранять эксплуатационные свойства при низких температурах. К таким материалам предъявляются требования в зависимости от их назначения с учетом условий эксплуатации. В большинстве случаев основным требованием является сохранение целостности структуры.

Механизм разрушения структуры материала при перепадах температуры связан с явлением расширения -- сжатия и изменением упругих свойств материала. При низких температурах материал становится более хрупким, ломким; резко снижается его ударная прочность.

Это в большей степени относится к полимерным материалам и металлам.

Морозостойкость природных и искусственных каменных материалов -- способность материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии (без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности).

Разрушительное воздействие мороза на ограждающую конструкцию можно условно разделить на три основных периода: водонасыщение, промерзание и, собственно, разрушение.

В наиболее влажный период года происходит водонасыщение поверхностного слоя ограждающей конструкции.

При понижении температуры окружающей среды наружные слои конструкции постепенно охлаждаются, фронт низких температур распространяется внутрь конструкции. Водяной пар, находящийся в противоположной зоне конструкции, перемещается от тепла к холоду, поскольку давление влажного воздуха при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Попадая в зону низких температур, водяной пар конденсируется в порах, вблизи наружной поверхности ограждающей конструкции (рис. 5.12.).

Рис. 2.15 Распределеление температуры в наружной стене здания (а) и заполнение пор водой (б) вблизи наружной поверхности: 1 - адсорбированная вода; 2 - конденсат; З - устье; 4 - дождевая вода

При наступлении даже небольших морозов (-5..-8^оС) вода, находящаяся в крупных порах, замерзая и превращаясь в лед, создает напряженное состояние в материале.

Механизм разрушения структуры пористых тел при замораживании

Существует несколько гипотез, объясняющих причины разрушения структуры материала при замораживании:

- вода, находящаяся в крупных порах материала при температуре ниже 0,01^оС, превращается в лед с увеличением в объеме около 9%. Если при этом коэффициент насыщения приближается к 1, то в стенках пор могут возникнуть растягивающие напряжения, являющиеся основной причиной разрушения структуры;

- давление расширения воды при замерзании заставляет мигрировать еще не замерзшую воду, создавая большое гидростатическое давление, которое усиливает напряжения на стенки сообщающихся пор;

- перемещение незамерзшей воды в направлении поверхности из тонких пор в крупные в момент образования в них льда и понижение при этом давления пара (эффект вспучивания грунта при замерзании).

Анализируя вышеперечисленные гипотезы, отметим, что, несмотря на некоторые противоречия (например, между двумя последними причинами в плане направления миграции воды), главным фактором разрушения следует признать изменение фазового состояния воды при изменении температуры или давления.

С точки зрения термодинамики, процесс замораживания сопоставим с процессом сушки пористых материалов по двум основным положениям:

- изменение агрегатного состояния воды или установление равновесного состояния «вода--лед» при замораживании и «вода -- пар» при сушке (рис. 2.16);

`

Рис. 2.16 Диаграмма состояния воды

- возникновение массообменных процессов внутри материала в результате высоких градиентов давлений над водой при замораживании и высоких градиентов влажности при сушке.

Известно, что процесс диффузии влаги внутри материала при сушке зависит от характеристики структуры материала и свойств воды, а также градиентов температуры, влажности и давления.

Проводя аналогию между процессами диффузии влаги при сушке и замораживании материалов, отметим следующие основные моменты:

- если при сушке основной движущей силой влагопроводности является градиент влажности, который во многом зависит от интенсивности испарения воды, то при замораживании -- градиент давления, который зависит от изменения температур и скорости кристаллизации воды;

- направление движения влаги в обоих случаях одинаковое -- в сторону расположения критической точки превращения воды: в первом случае -- в пар, во втором -- в лед, т. е. к поверхности;

- роль воздуха в пористой структуре материала в двух этих процессах неодинаковая, но положительная: при сушке, особенно во время интенсивного нагрева, влага в порах испаряется и за счет избыточного давления пара увеличивает диффузию, а при замораживании наличие свободного воздушного пространства уменьшает гидростатическое давление и снижает напряжение в материале.

Факторы, влияющие на морозостойкость

Анализ механизма при замораживании показывает, что морозостойкость пористых строительных материалов связана в основном с двумя характеристиками структуры: водопоглощением и способностью сопротивляться растягивающим напряжениям.

Водопогющение -- косвенная характеристика пористости, которая показывает способность материалов впитывать и удерживать влагу в период эксплуатации. Водопоглощение характеризуется коэффициентом насыщения пор водой, который определяется по формуле:

Кн = W / П,

где: Кн -- коэффициент насыщения, ед.;

W - водопоглощение по объему, %;

П -- общая пористость материала, %.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), и тогда W = П. Уменьшение коэффициента насыщения при неизменной пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости, что значительно повышает морозостойкость структуры.

Предел прочности при растяжении зависит от природы химических связей и наступает при нарушении равновесия между силами притяжения и отталкивания с последующим нарушением связности структуры. Эта характеристика является константой для каждого материала.

Однако следует заметить, что в условиях замораживания в локальных участках пористой структуры имеет место не классическое осевое растяжение, а гидростатическое давление расширения, которое меняет характер и механизм разрушения структуры.

Главной проблемой повышения морозостойкости пористых материалов является снижение растягивающих напряжений при замораживании, которое может быть достигнуто:

- при уменьшении водопоглощения за счет создания микропористой структуры с преимущественно замкнутыми порами;

- путем воздухововлечения, когда в материале образуются воздушные резервуары, гасящие избыточное давление мигрирующей воды;

- посредством введения в структуру материала высокодисперсного армирующего компонента, увеличивающего пластическую составляющую в целом упругой деформации.

...