Теплофизические свойства

Свойства материалов, связанные с изменением температуры, относят к теплофизическим. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих при тепловой обработке.

Теплопроводность — свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий), и материалов, предназначенных для теплоизоляции.

Теплопроводность материала зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, от влажности и температуры, при которой проходит передача теплоты.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 10С.

Удельная теплоемкость, КДж/(кг•0С):•искусственные каменные материалы 0,75 - 0,92;•древесина 2,4 - 2,7;•сталь 0,48;•вода 4,187.

Теплоемкость учитывается при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при расчете печей.

Огнестойкость - способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости материалы делят на: несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич).

Трудно сгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (древесно-цементный материал фибролит, асфальтовый бетон, некоторые виды полимерных материалов).

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (дерево, войлок, толь, рубероид).

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные (длительное время выдерживают температуру свыше 15800С), тугоплавкие (1350 - 15800С) и легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 13500С (к ним относят и обыкновенный глиняный кирпич).

Коэффициент линейного температурного расширения (КТЛР) характеризует удлинение материала при нагревании его на 1ºС. Коэффициенты линейного температурного расширения у разных материалов значительно отличаются

 

13. Деформационные свойства характеризуют способность материалов деформироваться под воздействием механических напряжений.

Упругость - свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал ее обладает упругостью, называется пределом упругости. Упругость является в подавляющем большинстве случаев положительным свойством материалов.

Пластичность - способность материала изменять под действием нагрузки форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

Модуль упругости характеризует жесткость материала (изделия)-его способность сопротивляться образованию деформации при воздействии внешних сил. В случае простых деформаций (в пределах закона Гука) при растяжении -сжатии жесткость численно определяется как произведение модуля упругости на площадь поперечного сечения. Модуль упругости — отношения напряжения к отн. деформации (Е=σ/ε).

Относительная деформация — отношение абсолютной деформации к начальному линейному размеру(ε=Δl/l).

Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформаций, построенной на основании результатов испытания в координатах «напряжение - относительная деформация» (а - є).Диаграммы деформаций позволяют определить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

коэффициент Пуассона σП (коэффициент поперечного сжатия) – отношение поперечного сжатия тела при одноосном растяжении к продольному удлинению.

• Коэффициент Пуассона равен абсолютному значению отношения относительной поперечной деформации тела к относительной продольной деформации:

 

• где εx, εy, εz – деформации по соответствующим осям.

Коэффициент Пуассона выражает отношение поперечной деформации к продольной, где W – ширина тела до деформации, Δ W - изменение ширины тела в результате деформации

14. Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность является основным свойством большинства материалов, используемых в горной промышленности, от ее значения зависит величина нагрузки, которую может воспринять данный элемент при заданном сечении.

Материалы, в зависимости от происхождения и структуры, по- разному противостоят различным напряжениям. Материалы минерального происхождения (природные камни, кирпич, бетон и др.) хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже срезу и еще хуже растяжению. Другие материалы (металл, древесина) хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют значительно чаще в конструкциях, работающих на изгиб.

Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе и растяжении). Предел прочности - напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии и растяжении Rраст, МПа, вычисляют по формуле

сж(Rраст) = P/F,

где P - разрушающая нагрузка, Н; F - площадь поперечного сечения образца, мм2.

Предел прочности при изгибе Rизг:

.при одном сосредоточенном грузе и образце-балке прямоугольного сечения

Rизг = 3Pl / 2bh2;

.при двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки

Rизг = P(l - a) / bh2,

где l - пролет между опорами, мм; а - расстояние между грузами, мм; b и h - ширина и высота поперечного сечения балки, мм.

Прочность теоретическая -прочность без дефектов материалов без учёта атомов и молекул.

Техническая прочность -прочность с учётом естественных и искусственных дефектов.

Коэффициент конструктивного качества материала (К.К.К.) материала характеризует его конструктивные свойства. Коэффициент конструктивного качества определяют по формулам: К.К.К.= R/ ρ0, [МПа], (9.2) где: R - предел прочности материала, МПа; ρ0 - средняя плотность материала, г/см3, подставляемая в формулу в виде безразмерной величины. Наиболее эффективные конструкционные материалы имеют более высокую прочность при малой средней плотности. Повышения К.К.К. можно добиться снижением средней плотности материала и увеличением его прочности.

Вакансии являются важнейшим, наиболее распространённым видом точечных дефектов. Вакансия представляет собой узел решётки кристалла, в котором отсутствует атом или ион металла. В плотноупакованных металлах образование вакансий по сравнению с другими дефектами решётки требует наименьшей энергии. Поэтому в условиях теплового равновесия вакансии преобладают. Вокруг пустого узла или атома в междоузлии решётка искажается.

Важнейшим видом линейных дефектов являются Дислокации. Дислокации представляют собой такие дефекты, движение которых вызывает пластическую деформацию кристаллов при напряжениях, существенно меньших теоретической прочности на сдвиг. Дислокация ограничивает поверхность, на которой произошёл сдвиг. Такая дислокация называется краевой. Кроме краевой дислокации бывают винтовые и смешанные.

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопряжено с заметной пластической макродеформацией и, как правило, наблюдается при воздействии средних напряжений, нe превышающих предел текучести. Траектория разрушения близка к прямолинейной, излом нормален к поверхности и имеет кристаллический характер. Хрупкое разрушение, как правило, является внутрикристаллическим. Хрупкое разрушение происходит при возрастающей нагрузке в результате появления и быстрого развития

Залечивание трещин в конструкциях производится разными методами, одним из которых является инъецирование, т.е. нагнетание в трещины растворов. В зависимости от вида конструкции, формы и размеров дефектов инъецирование осуществляется различными видами растворов, по названию которых даются определения: силикатизация, битумизация, смолизация и цементация. Одной или нескольких трещин.

 

15. Истираемость - свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения материала для устройства настилов, футеровки бункеров, исполнительных органов погрузочных машин. Истираемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах - кругах истирания.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Подобное воздействие на материал происходит при эксплуатации бункеров. На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах.

Релаксация — свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная ее личина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. При релаксации напряжений может измениться характер начальной деформации, например из упругой постепенно перейти в необратимую '(пластическую), при этом изменения размеров не происходит. Такое исчезновение напряжений возможно за счет межмолекулярных перемещений и переориентации внутримолекулярной структуры.

 

16. Долговечность - способность материала сохранять требуемые свойства до предельного состояния, заданного условиями эксплуатации. За предельное состояние принимается то минимально (или максимально) допустимое значение показателей свойств,ниже которых материал (изделие) уже не может применяться в заданном эксплуатационном режиме. Долговечность материала зависит, с одной стороны, от состава, структуры и качества (совокупности свойств) самого материала, с другой — от совокупности воздействующих на него в период эксплуатации факторов: режима и уровня нагрузок, температуры, влажности и агрессивности среды и т.п. Поэтому для каждого конкретного материала его долговечность будет зависеть от области и способа его применения, интенсивности эксплуатационных нагрузок, уровня ухода за ним в течение всего срока службы.

Надежность - одно из основных комплексных свойств материала, определяющее его способность выполнять свои функции в течение заданного времени и при данных условиях эксплуатации, сохраняя при этом в определенных пределах установленные характеристики. Надежность материала зависит от совокупности многих факторов, определяющих условия производства, транспортирования, хранения, обработки, применения и эксплуатации. Основное значение надежности состоит в исключении «отказов» - внезапного ухудшения свойств материала ниже уровня браковочного показателя, которым обусловлена его работоспособность. Высокая надежность особенно важна для конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях (высокие напряжения, температура, агрессивная среда и т.п.) и при малых запасах прочности. Надежность таких материалов оценивается ускоренными испытаниями основных эксплуатационно-технических свойств (прочность, усталость, ползучесть, коррозионная стойкость и др.).

Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт. К показателям безотказности относят вероятность безотказной работы.

Ремонтопригодность - приспособленность устройства к удобному и быстрому осуществлению отдельных технологических операций при его обслуживании, ремонте, контроле технического состояния, при разборке (сборке) узлов и деталей устройства, их контроле и замене. Обеспечивается при проектировании и изготовлении изделия — правильным выбором конструкции и соблюдением технологии производства. Поддержание ремонтопригодности. в процессе эксплуатации изделия достигается рациональной системой технического обслуживания и ремонта. Она характеризуется средним временем восстановления и вероятностью восстановления работоспособности в течение определённого интервала времени, Готовности коэффициентом, Технического использования коэффициентом, Взаимозаменяемостью, степенью унификации и т.п.

Сохраняемость — это свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функ- ции в течение и после хранения и/или транспортирования. Сохраняемость ха- рактеризует поведение объекта в условиях, весьма существенно отличающихся от условий эксплуатации. Прежде всего во время хранения и транспортирования объект находится в выключенном состоянии. Кроме того, есть различия в тем- пературе окружающей среды, влажности, других климатических условиях, ме- ханических нагрузках

17. Методы оценки состава и структуры материалов

Петрографический метод (световая микроскопия). Данный метод применяется для исследования цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т.д. Метод световой микроскопии направлен на определение характерных для каждого минерала оптических свойств, которые определяются его внутренним строением. Главные оптические свойства минералов – показатели светопреломления, сила двойного преломления, оптический знак, соосность, цвет и т.д.

Разновидностями петрографического метода являются:

– поляризационная микроскопия – для изучения образцов в виде порошков в специальных иммерсионных аппаратах;

– микроскопия в проходящем свете – для изучения прозрачных шлифов материалов;

– микроскопия в отраженном свете – для изучения непрозрачных полированных шлифов материалов.

Электронная микроскопия, которая применяется для исследования тонкокристаллической массы. Электронный микроскоп способен дать увеличение до 300 000 раз. При этом разрешающая способность составляет 0,3…0,5 нм. Можно изучать форму и размеры отдельных кристаллов, процессы роста и разрушения кристаллов, процессы диффузии, фазовые превращения, механизм деформации и разрушения материалов.

Рентгеновский анализ. Данный метод исследования строения и состава вещества производится путем экспериментального изучения дифракции рентгеновских лучей в этом веществе. Каждое кристаллическое вещество характеризуется набором определенных линий на рентгенограмме.

С помощью рентгеновского метода можно проводить следующие исследования:

– качественный и количественный фазовый анализ состава материалов при различных температурах;

– определение структуры вещества, сингонии, параметров кристаллической решетки, размеров кристаллов и др.;

– исследование твердых растворов и полиморфных превращений;

– измерение внутренних напряжений, коэффициента линейного температурного расширения, плотности материалов и др.

– контроль качества сырья и готовой продукции;

– наблюдение за технологическими процессами;

– дефектоскопию материалов.

Дифференциально-термический анализ (ДТА) применяется для определения минерально-фазового состава материалов. Основа данного метода – фазовые превращения, сопровождающиеся тепловыми эффектами. Дифференциальная запись позволяет регистрировать термические реакции, протекающие в образце при соответствующих температурах. Получается она с помощью дифференциальной термопары, состоящей из двух термопар, которые соединены одноименными концами проволоки и подключены к прибору, фиксирующему изменения в цепи электродвижущей силы, возникающей при нагревании спаев термопары.

18. Композицио́нный материа́л — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Классификация композиционных материалов.

Волокнистые композиционные материалы.

Этот композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композитные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.
Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. К ним можно отнести: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др.

Дисперсионно-упрочненные материалы — композитные материалы, в связующий компонент которых (матрицу) включены в армирующие элементы в виде специально вводимых частиц (примесных или дисперсных фаз). Оптимальным образом подобранным распределением включений достигается значительное повышение прочности такого материала по сравнению с материалом матрицы. Дисперсионно-упрочненными называются материалы, сопротивление пластической деформации которых определяется торможением дислокаций на препятствиях в виде, как правило, наноразмерных частиц. Такие структуры получают различными способами — выделением наночастиц из пересыщенного твердого раствора (дисперсионно-твердеющие сплавы), методом порошковой металлургии, в том числе механическим легированием, методами внутреннего окисления и азотирования и др. Материал частицы выбирают из ряда наиболее стабильных соединений — оксидов, карбидов, нитридов и т.д.

 

Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита

В дисперсно-упрочненных композитах частицы начинают ока­зывать упрочняющее действие тогда, когда они ограничивают де­формацию матрицы посредством механического стеснения. Это есть функция отношения расстояния между частицами к их диаметру, а также упругих характеристик матрицы и частиц

Ek=EmVm+E4V4.

В волокнистых композитах, как указывалось выше, включается два компонента — волокна и матрица, что дает высокую прочность на растяжение и изгиб

модуль упругости композита Ек в рассмотрен­ном случае формируется по правилу смесей:

EK=EBVB+EM(-VB).

19.Природное и техногенное сырье для производства строительных материалов

Сырьем для изготовления всех неорганических строительных материалов (каменных и металлов) являются горные породы.

Природными каменными материалами в строительстве называют камни, полученные механической обработкой горных пород – дроблением, распиливанием, раскалыванием, фактурной обработкой поверхности. Природные каменные материалы сохраняют структуру горной породы. Некоторые горные породы, разрушенные самой природой, могут представлять собой готовый строительный материал (песок, гравий и др.).

Наряду с природным сырьем в производстве строительных материалов применяют так называемые техногенные отходы. Промышленность выпускает готовой продукции значительно меньше, чем потребляет сырья. Среди техногенных отходов могут быть газообразные, жидкие и твердые продукты. Многие из них загрязняют воздух и воду. Техногенные отходы, в том числе полученные при очистке промышленных стоков, газовых и пылевых выбросов, могут быть снова использованы как сырье в том же или другом производстве.

Сырье:

Природное: горные породы(известняк, долонит и т.д.); лесные материалы(тростник, торф и т.д.)

Техногенное: отходы горнодобывающей промышленности

20. Строительным материалом растительного происхождения преимущественно является древесина.

Достоинства: невысокая средняя плотность (375-910);низкая теплопроводность;благоприятная (красивая) фактура;высокая прочность.

Недостатки: горючесть;гигроскопичность;наличие разнообразных пороков;усушка и разбухание.

Макроструктура - строение видно невооруженным глазом или при небольшом увеличении - получается при рассматривании разреза ствола дерева по 3 направлениям (торцевой (поперечный), радиальный, тангенциальный). Основные части ствола дерева: 1 сердцевина,2 сердцевидные лучи, 3 ядро, 4 заболонь, 5 годичные слои, 6 сосуды или смоляные ходы.

Микростроение характеризуется строением клеток и межклеточного пространства. Микроструктуру - можно наблюдать при сильном увеличении в микроскоп видно, что древесина слагается из большого количества живых и отмерших клеток различных форм и размеров. По функциональному назначению живые клетки делятся на проводящие, механические и запасающие. Клетка имеет оболочку, внутри нее находится растительный белок-протоплазма и ядро.