Хрупкое и пластическое разрушение материалов. Твердость материала

Различают хрупкое и пластическое разрушение материалов. Отличительная особенность хрупкого разрушения, характерного для бетона, керамики, стекла, природных камней и других строительных материалов,— это отсутствие заметной пластической деформации. При этом возникающие механические напряжения не успевают релаксировать и трещины, образующиеся в плоскости перпендикулярной действию напряжений, быстро развиваются. Хрупкому разрушению способствуют циклические нагрузки (вибрирование, частые удары и др.), при которых развивается усталость материалов, связанная с накоплением повреждений, возникновением микро-, а затем и макротрещин. Повышению хрупкости материалов способствуют также понижение температуры, увеличение скорости деформирования, наличие поверхностно-активной среды.

Прочность материалов может измеряться не только прямым методом (разрушением образцов), но и неразрушающими методами, основанными на взаимосвязи прочности твердых тел с той или иной косвенной характеристикой, например скоростью ультразвуковых волн, возникающих в них под действием внешнего источника в результате колебания частиц (импульсный ультразвуковой метод), или собственной частотой колебаний образца (резонансный метод), поверхностной твердостью (механические методы).

Особым видом прочности можно считать твердость (прочность при вдавливании) — сопротивление материала разрушению при жестком силовом воздействии. Как и другие виды прочности, твердость — структурно-чувствительное свойство, она зависит также от вида обработки поверхности, температуры и других факторов.

Твердость измеряется вдавливанием в поверхность материала или перемещением по ней под нагрузкой специальных наконечников — инденторов, имеющих сферическую, коническую или другую форму. Мерой или числом твердости при этом служит отношение нагрузки к поверхности отпечатка. При определении где Р — нагрузка; О — диаметр сферического индентора — шарика (применяют шарики диаметром 10; 5 или 2,5 мм); й — диаметр отпечатка.

Наряду с методами измерения твердости статическим нагру-жением применяют динамические методы, при которых индентор оказывает определенную ударную нагрузку на испытываемую поверхность, падая с определенной высоты.

Для приблизительного определения твердости горных пород и других хрупких материалов используют метод Мооса, заключающийся в царапании исследуемого материала эталонным минералом. В этом случае твердость измеряется в условных единицах, соответствующих номеру минерала в десятибалльной шкале: тальк— 1, гипс — 2, кальцит — 3, флюорит — 4, апатит — 5, ортоклаз 6, кварц 7, топаз 8, корунд — 9, алмаз — 10.

Твердость некоторых однородных материалов пропорционально связана с прочностью при растяжении и сжатии, что позволяет использовать ее измерение для проведения неразрушающих механических испытаний.

Для большинства строительных материалов (за исключением пластмасс) с твердостью связано и сопротивление их истирающим воздействиям — истираемость. Истираемость И измеряют отношением уменьшения массы материала после проведения испытания, к площади истирания:
 (1.6)
Высокой стойкостью к истиранию обладают плотные изверженные породы, каменное литье, керамические материалы, пластмассы и др., например: истираемость гранита 0,05—0,07, керамических плиток для полов 0,08, однослойного поливинилхлорид-ного линолеума 0,06 г/см2. Для некоторых дорожно-строительных материалов устанавливают марки по истираемости, которые связаны с максимально допустимыми потерями массы после истирания в процентах. Так, для щебня и гравия марки по истираемости И1, И2, ИЗ и И4 при потерях массы после испытания соответственно до 25, 25—35, 35—45 и 45—60%. Определяют истираемость на специальных машинах — кругах истирания или полочных барабанах, где материалы подвергаются разрушению в результате трения.

Сопротивление материалов разрушению при ударном приложении нагрузки называется ударной вязкостью, а одновременному воздействию истирания и удара —,и з н о с о м. Ударная вязкость оценивается по работе разрушения образцов с помощью копров, а износ — по потерям массы с помощью вращающихся барабанов, заполненных стальными шарами.