10.
Макроструктура – это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 6 раз) внутренняя или поверхностная часть материала.
Особенности структуры поверхностного слоя.
Структура поверхностного слоя отличается от структуры внутренних слоев по двум причинам:
· Первая, атомы и молекулы, расположенные на поверхности, имеют избыточную энергию по сравнению с частицами, расположенными внутри материала.
· Вторая, поверхностный слой постоянно взаимодействует с окружающей средой, благодаря чему он претерпевает постоянные изменения, как в процессе изготовления изделий, так и в процессе их эксплуатации.
Избыточная энергия поверхностного слоя возникает вследствие того, что каждая частица на поверхности твердого тела и жидкости имеет некомпенсированные химические связи, которые образуют на поверхности несимметричное силовое поле. Это силовое поле втягивает поверхностные частицы во внутрь материала, создавая на поверхности напряжение сжатия. Поверхностный слой, таким образом, постоянно находится в упруго-напряженном состоянии, а его частицы обладают значительно большим запасом потенциальной энергии, чем частицы внутреннего слоя. Благодаря этому частицы поверхностного слоя более активно реагируют с окружающей средой, более активно вступают в химические реакции.
Макроструктура внутреннего слоя строительного материала достаточно хорошо просматривается на срезе невооруженным глазом или через обычную лупу. В состав структуры входят отдельные твердые тела (зерна) различной крупности, поры и матрица, объединяющая зерна в единый монолит. В качестве матрицы могут быть затвердевший цементный камень, алюмосиликатное или полимерное стекло, затвердевшая глина и пр.
|
|
Макроструктура характеризуется количеством, размером и характером пор, формой и размером частиц.
|
Физические свойства Плотность. Плотность материала бывает средней и истинной. Средняя плотность определяется отношением массы тела (кирпича, камня и т.п.) ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. и выражается в соотношении кг/м3. Истинная плотность — это предел отношения массы к объему без учета имеющихся в них пустот и пор. Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. Насыщение материала водой ухудшает его основные свойства, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность. Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью и характеризуется коэффициентом размягчения. Влагоотдача — это свойство материала терять находящуюся в его порах влагу. Влагоотдача характеризуется процентным количеством воды, которое материал теряет за сутки. Гигроскопичность — свойство пористых материалов поглощать влагу из воздуха. Водопроницаемостью называют способность материала пропускать воду под давлением. Эта характеристика определяется количеством воды, прошедшей при постоянном давлении в течение 1 часа через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м.
Морозостойкость — это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности и массы, а также без появления трещин, расслаивания, крошения. Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту при наличии разности температур снаружи и внутри строения. Эта характеристика зависит от ряда факторов: природы и строения материала, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Кристаллические и крупнопористые материалы, как правило, более теплопроводны, чем материалы аморфного и мелкопористого строения. Материалы, имеющие замкнутые поры, обладают меньшей теплопроводностью, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от средней плотности — чем меньше плотность, тем меньше теплопроводность, и наоборот. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. От теплопроводности зависит толщина стен и перекрытий отапливаемых зданий. Звукопоглощением называется способность материала ослаблять интенсивность звука при прохождении его через материал. Звукопоглощение зависит от структуры материала: сообщающиеся открытые поры поглощают звук лучше, чем замкнутые.
Огнеупорность — свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, выдерживающие действие температур до 1580 °С и выше (шамотный кирпич), тугоплавкие, выдерживающие действие температур 1350-1580 °С (тугоплавкий кирпич), легкоплавкие, размягчающиеся или разрушающиеся при температуре ниже 1350 °С (керамический кирпич). |
Механические свойства.
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки или других факторов.
Прочность строительных материалов характеризуется так называемым пределом прочности при сжатии или пределом прочности при растяжении.
Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала.
Твёрдостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего более твёрдого тела. Это свойство материала не всегда соответствует их прочности. Материалы с разными пределами прочности при сжатии могут обладать примерно одинаковой твёрдостью.
Истираемостью называют способность материала уменьшаться в весе и объёме под действием истирающих усилий.
Сопротивлением удару называется способность материала сопротивляться ударным воздействиям.
Упругостью называется свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму и объём после прекращения действия внешних сил, под воздействием которых форма материалов изменяется в той или иной мере. Первоначально форма может восстанавливаться полностью при малых нагрузках и частично при больших. В последнем случае в материале имеются остаточные деформации.
Деформацией называется изменение формы или объёма твёрдого тела.
Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями на данный материал. Это наибольшее напряжение, по достижении которого материал практически получает только упругие деформации, т.е. исчезающие после снятия нагрузки.
Пластичностью(эластичность) называют способность материала под влиянием действующих на него усилий изменять свои размеры и форму без образования трещин и сохранять их после снятия нагрузки.
ХРУПКОСТЬ способность материала разрушаться без заметных пластических деформаций.
Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ (воздействий), с которыми он находится в соприкосновении, а также способность сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды.
Некоторые материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в обычной среде.
Ряд материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, растворами солей, агрессивными газами и т. д.
Химические превращения протекают также во время технологических процессов производства и применения материалов.
Химическая (коррозионная) стойкость - свойство материала сопротивляться коррозионному воздействию среды (жидкой, газообразной, твердой) или физических воздействий (облучение, электрический ток).
При контакте с агрессивной средой в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции.
Химическая активность - это свойство материалов подвергаться химическим превращениям под влиянием воды, температуры, солнечной радиации или при взаимодействии с другими веществами.
Химические превращения наблюдаются при хранении и технологическом использовании материалов, а также в период эксплуатации строительных конструкций. Например, длительное хранение во влажной атмосфере вызывает гидратацию и снижение активности цемента. В итоге получается так называемый лежалый цемент, сильно уступающий по качеству свежеизготовленному.
Химическая активность таких материалов, как вяжущие вещества или минеральные добавки, зависит не только от их состава и строения, но и от тонкости измельчения.
Эксплуатационные свойства материала – это свойства, которые определяют длительность рабочего ресурса и надежность изделий в соответствии с их функциональным назначением и условиями эксплуатации. Отличительной особенностью эксплуатационных свойств является то, что для их оценки часто используют показатели ресурса или длительности работы материала
Жаростойкость – это свойство материалов сопротивляться окислению и химической коррозии в газовой среде при высоких температурах.
Термостойкость – это свойство материала выдерживать многократно повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения, при которых в материале изделий возникают термические знакопеременные напряжения – сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении.
Износостойкость – это свойство поверхностных слоев деталей противостоять изнашиванию в условиях трения. Износостойкость является одной из основных характеристик, определяющих долговечность деталей и машин. Она оценивается либо потерей массы на единице площади поверхности в единицу времени, г/(м2×ч), либо уменьшением размеров образца (детали) в единицу времени, мм/ч, мм/год.
Хладостойкость – или отсутствие хладноломкости, это основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур. Особенностью низкотемпературной службы является ужесточение требований по пластичности, т.к. с понижением температуры прочность возрастает, а пластичность резко падает. Поэтому, при выборе сплава испытания на прочность проводят при максимальной температуре эксплуатации (обычно комнатной), а испытания и пластичность – при минимальной. Одним из критериев минимальной рабочей температуры служит порог хладноломкости – температура вязко-хрупкого перехода. Сложность количественной оценки влияния различных факторов на работоспособность материала при низких температурах затрудняет создание нормативных рекомендаций.
см вопрос 11 «механические свойства»)
Общие положения относительно прочности и разрушения 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. 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.