Свойства инженерных материалов:общие, физические и механические

В этой статье мы обсудим:1. Общие свойства инженерных материалов 2. Физические свойства инженерных материалов 3. Механические свойства.

Общие Свойства инженерных материалов :

Экономисты, занимающиеся, в основном, отраслями, производящими технические материалы, заинтересованы в поиске путей, при которых инженерные материалы могут использоваться или применяться наиболее экономичным способом. Экономист должен обладать практическими знаниями свойств и процессов производства различных инженерных материалов.

Услуги такого экономиста могут оказаться чрезвычайно полезными при выборе инженерных материалов в конкретных условиях или при выборе линии производства инженерных материалов из доступного местного сырья.

Области применения конкретного инженерного материала регулируются характеристиками и различными свойствами этого инженерного материала.

Такие свойства можно разделить на следующие категории:

(1) Химические свойства:

Химические свойства материала указывают на его склонность к объединению с другими веществами, его реакционную способность, растворимость и такие эффекты, как коррозия, химический состав, кислотность, щелочность и т. д. Коррозия является одной из причин серьезные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при выборе конструкционных материалов, вызванные химическими свойствами металла.

В металлах валентные электроны слабо связаны со своими атомами и могут быть легко удалены в ходе химических реакций. Таким образом, когда металлы подвергаются воздействию атмосферы и контактируют с газами, такими как кислород, хлор и т. Д., Происходят химические реакции. Когда железо вступает в реакцию с кислородом, образуется оксид железа красного цвета, которым покрывается металлическое железо. Это называется коррозией.

(2) Электрические свойства:

Эти свойства обозначают способность материала сопротивляться прохождению электрического тока, и они включают проводимость, электрическую прочность и удельное сопротивление.

(3) Магнитные свойства:

Изучение магнитных свойств материала, таких как проницаемость, гистерезис и коэрцитивная сила, требуется, когда он будет использоваться для генераторов, трансформаторов и т. д.

(4) Механические свойства:

В эти свойства включены характеристики, определяющие поведение материала при приложении внешних сил. Некоторые из важных механических свойств - эластичность, твердость, пластичность, прочность и т. Д.

(5) Оптические свойства:

Когда материал будет использоваться для оптических работ, необходимо знать его оптические свойства, такие как цвет, светопропускание, показатель преломления, отражательная способность и т. д. Когда свет падает на какой-либо материал, он взаимодействует с его атомами и вызывает различные типы эффектов. Свет может отражаться, преломляться, рассеиваться или поглощаться. Изучение света в материалах и то, как использовать это поведение для управления различными световыми эффектами, называется оптикой.

(6) Физические свойства:

Они необходимы для оценки состояния материала без воздействия на него какой-либо внешней силы и включают в себя объемную плотность, долговечность, пористость и т. д.

(7) Тепловые свойства:

Знание тепловых свойств материала, таких как удельная теплоемкость, тепловое расширение и проводимость, помогает узнать реакцию материала на тепловые изменения. Таким образом, можно выбрать подходящие материалы, выдерживающие колебания и высокие температуры.

(8) Технологические свойства:

Свойства металлов и сплавов, влияющие на их обработку или применение, называются технологическими свойствами. Литье, обрабатываемость, свариваемость и обрабатываемость являются одними из важных технологических свойств металлов и сплавов.

Из всех этих свойств физические и механические свойства особенно важны для инженера-строителя.

Физические свойства инженерных материалов:

Определены и объяснены следующие термины, связанные с физическими свойствами инженерных материалов:

(1) Объемная плотность

(2) Химическая стойкость

(3) Коэффициент смягчения

(4) Плотность

(5) Индекс плотности

(6) Прочность

(7) Огнестойкость

(8) Морозостойкость

(9) Гигроскопичность

(10) Пористость

(11) Огнеупорность

(12) Устойчивость к отслаиванию

(13) Удельная теплоемкость

(14) Тепловая мощность

(15) Теплопроводность

(16) Водопоглощение

(17) Водопроницаемость

(18) Устойчивость к атмосферным воздействиям.

(1) Объемная плотность:

Термин объемная плотность используется для обозначения массы единицы объема материала в его естественном состоянии, то есть включая поры и пустоты. Его получают путем определения отношения массы образца к его объему в естественном состоянии.

Технические свойства материала, такие как прочность, тепло, проводимость и т. д., в значительной степени зависят от его насыпной плотности, и, следовательно, эффективность использования материала будет зависеть от его насыпной плотности.

Для большинства материалов объемная плотность меньше их плотности, за исключением плотных материалов, жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс.

Таблица 1-1 показывает насыпную плотность некоторых важных строительных материалов.

(2) Химическая стойкость:

Способность материала противостоять воздействию кислот, щелочей, газов и солевых растворов известна как его химическая стойкость.

Это свойство тщательно исследуется при выборе материала для канализационных труб, гидротехнических сооружений, санитарных узлов и т. д.

(3) Коэффициент размягчения:

Отношение прочности на сжатие материала, насыщенного водой, к прочности на сжатие в сухом состоянии известно как коэффициент размягчения. На такие материалы, как стекло и металл, не влияет присутствие воды, и их коэффициент умягчения равен единице. С другой стороны, такие материалы, как глина, легко теряют свою прочность при замачивании в воде, и, следовательно, их коэффициент размягчения равен нулю.

Материалы, имеющие коэффициент размягчения 0,8 или более, называются водостойкими материалами. Рекомендуется избегать использования материалов с коэффициентом размягчения менее 0,8 в ситуациях, которые могут постоянно подвергаться воздействию влаги.

(4) Плотность:

Термин "плотность материала" определяется как масса единицы объема однородного материала. Его получают путем определения отношения массы материала к объему материала в однородном состоянии. На физические свойства материала большое влияние оказывает его плотность.

(5) Индекс плотности:

Отношение объемной плотности материала к его плотности известно как его индекс плотности и, таким образом, обозначает степень, до которой его объем заполнен твердым веществом.

Поскольку в природе практически нет плотных веществ, индекс плотности большинства строительных материалов меньше единицы.

(6) Долговечность:

Свойство материала противостоять комбинированному воздействию атмосферных и других факторов известно как его долговечность.

Стоимость эксплуатации или обслуживания здания, естественно, будет зависеть от прочности материалов, из которых оно состоит.

(7) Огнестойкость:

Термин огнестойкость используется для обозначения способности материала противостоять действию высокой температуры без потери своей несущей способности, то есть без существенной потери прочности или деформации формы.

Это свойство материала имеет большое значение в случае пожара, и, поскольку операция тушения пожара обычно сопровождается водой, это свойство материала проверяется совместными действиями высоких температура и вода. Материал должен быть достаточно огнестойким, чтобы обеспечивать безопасность и стабильность в случае пожара.

(8) Морозостойкость:

Способность водонасыщенного материала противостоять многократному замерзанию и оттаиванию без значительного снижения механической прочности или видимых признаков разрушения известна как морозостойкость. Морозостойкость материала зависит от плотности материала и степени его водонасыщения.

В целом плотные материалы морозоустойчивы. Пористые материалы, поры которых закрыты или заполнены водой менее чем на 90% своего объема, морозостойки.

(9) Гигроскопичность:

Свойство материала поглощать водяной пар из воздуха известно как гигроскопичность и определяется природой вещества, количеством пор, температурой воздуха, относительной влажностью и т. д. -содержащие или гидрофильные вещества, легко растворяются в воде.

(10) Пористость:

Термин пористость используется для обозначения степени, в которой объем материала заполнен порами. Он выражается как отношение объема пор к объему образца. Пористость материала указывает на его различные свойства, такие как прочность, объемная плотность, водопоглощение, теплопроводность, долговечность и т. Д., И, следовательно, он должен быть тщательно изучен и проанализирован.

(11) Огнеупорность:

Способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры без плавления и потери формы известна как его тугоплавкость.

(12) Устойчивость к отслаиванию:

Способность материала безотказно выдерживать определенное количество циклов резких колебаний температуры известна как его сопротивление растрескиванию и в основном зависит от коэффициентов линейного расширения его составляющих.

(13) Удельная теплоемкость:

Термин удельная теплоемкость определяется как количество тепла, выраженное в килокалориях, необходимое для нагрева 1 Н материала на 1 ° C. При учете аккумуляции тепла следует учитывать удельную теплоемкость материала.

Конкретные значения плавки стали, камня и дерева следующие:

Сталь - 0,046 x 10 ³ Дж / N ° C

Камень - от 0,075 до 0,09 x 10 ³ Дж / N ° C

Дерево - от 0,239 до 0,27 x 10 ³ Дж / N ° C.

(14) Тепловая мощность:

Свойство материала поглощать тепло известно как его теплоемкость и рассчитывается по следующему уравнению -

T =H / M (T ₂ - Т ₁ )

Где, T =тепловая мощность в Дж / N ° C

H =количество тепла, необходимое для повышения температуры материала с T ₁ в T ₂ в Дж M =Масса материала в Н

Т ₁ =Температура материала перед нагревом в ° C

Т ₂ =Температура материала после нагрева в ° C.

(15) Теплопроводность:

Теплопроводность материала - это количество тепла в килокалориях, которое пройдет через единицу площади материала с единицей толщины в единицу времени, когда разница температур на его поверхностях также равна единице. Единица теплопроводности - Дж на м · ч ° C, обычно обозначается буквой K. Теплопроводность материала зависит от его плотности, пористости, содержания влаги и температуры.

Термин термическое сопротивление материала используется для обозначения обратной величины его теплопроводности. Термическое сопротивление материала равно удельному тепловому сопротивлению, умноженному на его толщину.

(16) Водопоглощение:

Способность материала поглощать и удерживать воду известна как его водопоглощение. Сухой материал полностью погружают в воду, а затем определяют водопоглощение в процентах от веса или в процентах от объема сухого материала. В основном это зависит от объема, размера и формы пор, имеющихся в материале.

(17) Водопроницаемость:

Способность материала пропускать воду под давлением известна как его водопроницаемость и описывается как количество воды, которое пройдет через материал за один час при постоянном давлении. при площади поперечного сечения образца 1 см. Плотные материалы, такие как стекло, сталь и т. Д., Водонепроницаемы или водонепроницаемы.

(18) Устойчивость к атмосферным воздействиям:

Термин стойкость к атмосферным воздействиям используется для выражения способности материала противостоять чередованию влажных и сухих условий без серьезного воздействия на его форму и механическую прочность. Таким образом, это указывает на поведение материалов в условиях изменяющейся влажности.

Механические свойства инженерных материалов:

Механические свойства материалов, такие как их жесткость, пластичность и прочность, имеют жизненно важное значение для определения их производства и возможных практических применений.

Строительные материалы демонстрируют широкий диапазон механических свойств, от твердости алмаза до пластичности чистой меди и удивительной эластичности резины. Точно так же многие материалы ведут себя по-разному при различных нагрузках. Например, чугун, цемент и кирпич намного прочнее при сжатии, тогда как дерево и сталь сильнее при растяжении.

Определены и объяснены следующие термины, связанные с общими механическими свойствами строительных материалов:

(1) Истирание

(2) Ползучесть

(3) Эластичность

(4) Усталость

(5) Жесткость

(6) Ударная вязкость

(7) Пластичность и хрупкость

(8) Сила

(9) Носить.

(5) Жесткость

(1) Истирание:

Стойкость материала к истиранию определяется путем деления разницы в весе образцов до и после истирания на площадь истирания.

(2) Ползучесть:

Во многих случаях строительные материалы должны выдерживать постоянные нагрузки в течение длительных периодов времени. В таких условиях материал может продолжать деформироваться до тех пор, пока его полезность серьезно не снизится. Такие зависящие от времени деформации конструкции могут стать большими и даже привести к окончательному разрушению без увеличения нагрузки. Если деформация продолжается даже при постоянной нагрузке, такая дополнительная деформация известна как ползучесть.

Большинство строительных материалов в определенной степени ползучесть при любых температурах. Однако технические металлы, такие как сталь, алюминий и медь, очень мало ползучесть при комнатной температуре. Высокие температуры приводят к быстрой ползучести, которая часто сопровождается микроструктурными изменениями. Явление ползучести важно для полимеров при комнатной температуре, в сплавах алюминия при 100 ° C и в сталях при температуре выше 300 ° C.

(3) Эластичность:

Когда к материалу прилагается нагрузка, его форма и размер меняются. Термин «эластичность» используется для обозначения способности материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки.

Следует отметить разницу между следующими двумя терминами:

(i) Упругая деформация:

Деформация считается упругой, когда твердое тело деформируется при нагрузке, но возвращается в исходное положение при разгрузке. Изменение давления или приложение нагрузки приводит к упругой деформации. Термин идеальная деформация используется для обозначения деформации, которая происходит мгновенно при приложении силы и полностью исчезает при снятии силы.

Такие деформации подчиняются закону Гука, а упругая деформация металла прямо пропорциональна приложенной силе. Идеальная деформация происходит при сравнительно меньших усилиях деформации, что позволяет удерживать рабочие напряжения в пределах упругости.

(ii) Пластическая деформация:

Деформация называется пластической, если твердое тело полностью или частично сохраняет изменение формы после снятия нагрузки. Пластическая деформация наблюдается, когда напряжение превышает предел упругости, а ее скорость контролируется скоростью деформации, приложенным напряжением и температурой. Это может происходить при растягивающих, сжимающих и крутильных напряжениях. Это преднамеренно выполняется в таких процессах, как прокатка, ковка и т. Д., Чтобы производить полезные продукты.

(4) Усталость:

Когда материалы подвергаются повторяющимся или колеблющимся напряжениям, они разрушаются при напряжении, намного меньшем, чем то, которое требуется для разрушения при постоянных нагрузках.

Такое поведение называется утомляемостью и отличается тремя следующими особенностями:

(i) Повышенная неопределенность в отношении прочности и срока службы;

(ii) потеря пластичности; и

(iii) Потеря прочности.

Причины усталостных отказов:

(i) Коррозия окружающей среды, приводящая к снижению усталостной прочности;

(ii) точки концентрации напряжений;

(iii) дефекты поверхности, такие как следы обработки и неровности поверхности; и

(iv) Температура, усталостная прочность является высокой при низких температурах и постепенно снижается с повышением температуры.

(5) Жесткость:

Способность материала сопротивляться проникновению более твердым телом известна как его твердость. Это важный фактор при принятии решения об удобоукладываемости и использовании материала для полов и дорожных покрытий. Твердость не является фундаментальным свойством. Но это совокупный эффект сжимающих, упругих и пластических свойств в зависимости от способа проникновения, формы пенетратора и т. Д.

Твердость находится в довольно постоянной зависимости от прочности на разрыв данного материала. Поэтому его можно использовать в качестве практического неразрушающего контроля, чтобы получить приблизительное представление о прочности материала на разрыв и состоянии металла вблизи поверхности.

Твердость каменных материалов можно определить с помощью шкалы твердости Мооса. Это список из десяти материалов, расположенных в порядке увеличения твердости. Твердость материала находится между твердостью двух материалов, то есть одного, который царапает, и другого, который царапается испытуемым материалом.

Таблица 1-2 показывает шкалу твердости Мооса.

(6) Сила удара:

Ударная вязкость материала - это количество работы, необходимое для его разрушения на единицу его объема. Таким образом, это указывает на ударную вязкость материала, и материалы испытываются в машине для испытаний на удар, чтобы определить их ударную вязкость.

Ударная вязкость - это комплексная характеристика, учитывающая как ударную вязкость, так и прочность материала.

Это зависит от следующих факторов:

(i) Если размеры образца увеличиваются, также увеличивается ударная вязкость.

(ii) Если резкость надреза увеличивается, ударная вязкость, необходимая для разрушения, уменьшается.

(iii) Угол надреза также улучшает ударную вязкость после определенных значений.

(iv) На ударную вязкость также в определенной степени влияет скорость удара.

(v) Температура испытуемого образца указывает на тип вероятного разрушения, т.е. пластичный, хрупкий или пластичный переход в хрупкий.

(7) Пластичность и хрупкость:

Термин пластичность материала определяется как его способность изменять свою форму под нагрузкой без растрескивания и сохранять свою форму после снятия нагрузки.

Материалы можно условно разделить на две группы, а именно, пластмассовые материалы и хрупкие материалы. Сталь, медь, горячий битум и т. Д. Являются пластичными материалами. Хрупкие материалы внезапно разрушаются под давлением без заметной деформации, предшествующей разрушению. Каменные материалы, керамические материалы, стекло, чугун, бетон и некоторые другие материалы являются хрупкими и обладают плохой устойчивостью к изгибу, ударам и растяжению.

(8) Сила:

Способность материала противостоять разрушению под действием напряжений, вызванных нагрузкой, называется его прочностью. Нагрузки, которым обычно подвергается материал, - это сжатие, растяжение и изгиб. Соответствующая прочность получается делением предельной нагрузки на площадь поперечного сечения образца.

Напряжения в строительных материалах не должны превышать определенный процент от их предельной прочности. Таким образом, обеспечивается запас прочности, а термин «коэффициент безопасности» используется для обозначения отношения предельного напряжения к безопасному напряжению. Например, если коэффициент запаса прочности равен двум, напряжение, принимаемое для целей проектирования, будет составлять половину предельного напряжения.

Значения коэффициентов безопасности указаны в стандартах проектирования с учетом различных факторов, таких как характер работы, качество материала, условия эксплуатации, экономические соображения и т. д.

(9) Ношение:

Разрушение материала в результате сочетания истирания и ударов называется его износом. Износостойкость обычно выражается в процентах от потери веса, и это очень важно при принятии решения о пригодности материала для использования в дорожных покрытиях, железнодорожном балласте и т. Д.

Разница:жирная известь и гидравлическая известь | Материалы | Инженерное дело Качества, характеристики и свойства хорошего строительного камня