На свойстве пластичности основано применение. Ограничения при использовании модели пластичности на основе деформационной теории. Основными механическими характеристиками являются
Естественно, что свойства свежеприготовленной растворной смеси и затвердевшего раствора совершенно различны. Основными свойствами растворной смеси являются удобоукладываемость, пластичность (подвижность) и водоудерживающая способность, а затвердевших растворов - плотность, прочность и долговечность.
Правильный выбор области применения растворов всецело зависит от их свойств.
Свойства растворных смесей
Удобоукладываемость - свойство растворной смеси легко укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не расслаиваться при хранении, транспортировании и перекачивании насосами.Она зависит от пластичности (подвижности) и водоудерживающей способности смеси.
Пластичность смеси
характеризуют ее подвижностью, т. е. способностью растекаться под действием собственного веса или приложенных к ней внешних сил.
Подвижность почти всех растворных смесей определяют глубиной погружения (в см) стандартного конуса массой (300:4:2) г.
Высота конуса 180 мм, диаметр основания 150 мм, угол при вершине 30 °.
В лаборатории конус устанавливают на штативе (рис. 1,а), в условиях строительной площадки его подвешивают на цепочке с кольцом (рис. 1,6).
|
Рис.1. Штатив |
Конус 3, удерживаемый за кольцо, подносят к смеси так, чтобы он вершиной касался ее поверхности. Затем конус отпускают и он погружается в смесь под
действием собственного веса.
По делениям на шкале 6 или на поверхности конуса определяют глубину погружения его в смесь.Если конус погрузился на глубину 6 см, это значит, что
подвижность растворной смеси равна 6 см.
Подвижность растворной смеси
зависит прежде всего от количества воды и вяжущего, вида вяжущего и заполнителя, соотношения между вяжущим и заполнителем.
Жирные растворные смеси подвижнее тощих. При прочих равных условиях растворы на извести и глине более подвижны, чем на цементе; растворы на природном
песке подвижнее растворов на песке искусственном (дробленом).
Вид вяжущего подбирают и состав раствора задают в зависимости от требуемой прочности раствора и условий эксплуатации здания.
Подвижность растворной смеси можно регулировать, увеличивая или уменьшая расход вяжущею или воды. Увеличивая в растворной гмеси содержание воды и вяжущего, получают более пластичные (подвижные) и удобоукладываемые смеси
Удобоукладываемая растворная смесь получается при правильно назначенном зерновом составе ее твердых составляющих (песка, вяжущего, добавки). Тесто вяжущего
не только заполняет пустоты между зернами песка, но и равномерно обволакивает песчинки тонким слоем, уменьшая внутреннее трение.
Растворная смесь с нормальной водоудерживающей способностью - удобообрабатываемая и удобоукладываемая, мягкая, не тянется за лопатой штукатура,
обеспечивает высокую производительность труда.
От удобоукладываемости смеси зависит качество каменной кладки и штукатурки.
Правильно подобранная и хорошо перемешанная растворная смесь плотно заполняет неровности, углубления, трещины в основании, поэтому получается большая
площадь контакта между раствором и основанием, в результате возрастает монолитность кладки и штукатурки, увеличивается их долговечность.
Расслаиваемость
- способность растворной смеси разделяться на твердую и жидкую фракции при транспортировании и перекачивании ее по
трубам и шлангам.
Растворную смесь часто перевозят автосамосвалами и перемещают по трубопроводам с помощью растворонасосов. При этом не редки случаи, когда смесь разделяется
на воду (жидкая фаза) и песок и вяжущее (твердая фаза), в результате чего в трубах и шлангах могут образоваться пробки, устранение которых связано с
большими потерями труда и времени.
Расслаиваемость растворной смеси определяют в лаборатории.
Проверить смесь на расслаиваемость упрощенно можно так. В ведро помещают растворную смесь слоем высотой около 30 см и определяют ее подвижность эталонным
конусом. Через 30 мин снимают верхнюю часть раствора (около 20 см) и вторично определяют глубину погружения конуса. Если разность значений погружения
конуса близка нулю, то растворную смесь считают нерасслаивающейся, если она находится в пределах 2 см - смесь считают средней расслаиваемости.
Разность значений погружения конуса более 2 см свидетельствует о том, что растворная смесь расслаивается.
Если состав растворной смеси подобран правильно и водовяжущее отношение назначено верно, то растворная смесь будет подвижной, удобоукладываемой, она будет
обладать хорошей водоудерживающей способностью и не будет расслаиваться.
Пластифицирующие добавки как неорганические, так и органические повышают водоудерживающую способность растворных смесей и уменьшают их расслаиваемость
При проектировании элементов конструкции и деталей машин необходимо знать механические и пластические свойства материалов. Для этого изготавливаются стандартные образцы, которые подвергаются разрушению в испытательной машине. Для испытания на растяжение рекомендуется применять цилиндрические и плоские образцы. Расчетная длина цилиндрических образцов должна быть равной ℓ 0 =5d 0 или ℓ 0 =10d 0 . Образцы с расчетной длиной ℓ 0 =5d 0 называются короткими, а образцы с ℓ 0 =10d 0 – длинными. Применение коротких образцов предпочтительнее. В качестве основных применяют образцы диаметром d 0 =10 мм. Образцы с меньшими (иногда большими) диаметрами или некруглого поперечного сечения называются пропорциональными. Расчетная длина ℓ 0 на образце отличается рисками.
Расчетную длину образца можно выразить через площадь поперечного сечения:
Таким образом, для коротких образцов:
для длинных образцов:
Эти соотношения используются для определения расчетной длины образцов прямоугольного поперечного сечения.
Соотношения между рабочей ℓ и расчетной ℓ 0 длинами принимают:
для цилиндрических образцов: от ℓ = ℓ 0 + 0,5d 0 до ℓ = ℓ 0 + 3d 0 ;
для плоских образцов толщиной 4 мм и больше:
Основной задачей испытания на растяжение является построение диаграммы растяжения, т. е. зависимости между силой, действующей на образец и его удлинением.
Испытательная машина сообщает образцу принудительное удлинение и регистрирует силу сопротивления образца, т. е. нагрузку, соответствующую этому удлинению. Результаты опыта записываются с помощью диаграммного аппарата на бумагу в виде диаграммы растяжения в координатах F – Δℓ. Типичная для малоуглеродистой стали диаграмма растяжения образца показана на рисунке.
Данную кривую условно можно разделить на четыре участка. Прямолинейный участок ОА называется участком упругости. Здесь материал образца испытывает только упругие деформации. Зависимость между нагрузкой на образец и его деформацией подчиняется закону Гука:
Удлинение Δℓ на участке ОА очень мало.
Участок ВК называется участком общей текучести, а отрезок ВК – площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести является характерным для малоуглеродистой стали.
Участок КС называется участком упрочнения . Здесь материал вновь обнаруживает способность повышать сопротивление при увеличении деформации. Область упрочнения материала на диаграмме растяжения простирается до точки С, ордината которой равна наибольшей нагрузке на образец F max .
Начиная с точки С резко меняется характер деформации образца. При возрастании нагрузки на образец от 0 до F все участки образца удлинялись одинаково – образец испытывал равномерную деформацию. По достижении максимальной нагрузки деформация образца начинает сосредотачиваться в каком-то наиболее слабом месте по его длине. В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы (участок СД). Удлинение образца при этом носит местный характер. В этом месте образца интенсивно уменьшаются размеры поперечного сечения (образуется так называемая шейка) и увеличивается длина этого участка. Поэтому участок СД называется участком местной текучести . Точка Д на диаграмме соответствует разрушению образца.
Если испытуемый образец не доводить до разрушения, разгрузить (например, в точке Н), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Δℓ изобразится прямой НМ, которая будет параллельна ОА. Длина разгруженного образца будет больше первоначальной на величину ОН. Отрезок ОМ представляет собой остаточное или пластическое удлинение. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой НМ и далее – кривой НСД, как будто промежуточной разгрузки и не было.
Ряд пластичных материалов (легированные стали, бронзы, латуни, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.) не имеют физического предела текучести. На диаграмме растяжения таких материалов, после точки В происходит быстрое возрастание пластической деформации. Уловный предел текучести F т соответствует точке В на диаграмме растяжения, определяется как нагрузка, при которой пластическая деформация равна 0,2 %.
Чтобы дать количественную оценку механическим свойствам материала диаграмму растяжения F= f (Δℓ) (перестраивают в координатах. Для этого значения силы F делят на первоначальную площадь образца А 0 , т. е. = F/ А 0 , а удлинение Δℓ делятся на первоначальную длину расчетной части образца ℓ 0 ,
В результате получаем диаграмму зависимости нормального напряжений от относительной продольной деформации, которая будет характеризовать свойства материала, а не свойства конкретного образца. Эта диаграмма называется условной , так как при вычислении и не учитываются изменения длины и площади поперечного сечения образца в процессе растяжения.
Основными механическими характеристиками являются:
Предел пропорциональности: σ пц = F пц / А 0
Предел текучести: σ т = F т / А 0
Предел прочности: σ в = F в / А 0
Характеристики пластичности:
относительное удлинение
относительное сужение
где А ш – площадь сечения образца (шейки) в самом узком месте после разрушения.
Удельная работа деформации: а = F в Δℓ / V,
где V – объем испытуемого образца,
V = А 0 ·ℓ 0 .
Напомним, что максимальные напряжения σ в не могут превышать 1200 МПа у конструкционных материалов.
Диаграмма сжатия пластичных материалов
Образцы из стали закладывают в испытательную машину и подвергают сжатию.
В первой стадии нагружения стального образца материал испытывает упругие деформации. Зависимость между прикладываемой силой и деформацией на диаграмме линейная. Через некоторое время после начала испытания материал достигает состояния текучести. Стрелка силометра при этом останавливается, и на диаграмме ординаты перестают расти. Образец деформируется при постоянной нагрузке. Нагрузку, соответствующую состоянию текучести F Т материала записываем в журнал испытаний. При дальнейшем сжатии образца показания силометра вновь начинают возрастать. Образец непрерывно сжимается, поперечное сечение его увеличивается, и при отсутствии смазки по торцам образца он приобретает бочкообразную форму. Это объясняется тем, что между опорными плитами и торцами образца действует сила трения, которая не дает возможности частям образца, примыкающим к опорным плитам, двигаться в поперечном направлении. Смазкой торцов образца это явление можно ослабить.
Стальной образец довести до разрушения не удается . Испытание прекращается при нагрузке примерно в два раза больше предела текучести F Т. Вид образцов до и после испытания показан на рисунке. Типичная диаграмма сжатия малоуглеродистой стали в координатах F – Δℓ показана на рис. справа.
Диаграмма растяжения и сжатия хрупких материалов
Методика испытания хрупких материалов такова, как и для испытания пластичных. Поэтому остановимся на основных отличиях в поведении хрупких материалов. На рисунке показана диаграмма сжатия (кривая 1) и растяжения (кривая 2).
У хрупких материалов всегда отсутствует площадка текучести , хотя многие материалы обладают определенными пластическими свойствами. Для этих материалов за опасное состояние принимается предел прочности . Следует всегда помнить, что предел прочности у хрупких материалов во много раз больше при сжатии . У чугуна эта величина достигает 3-4 раза. Что касается строительных материалов, то эта разница может достигать десятикратного размера.
Эксперименты показали, что лежащие в основе модели пластичности уравнения Генки - Ильюшина достаточно хорошо описывают процесс монотонного нагружения. При таком процессе на всех этапах нагружения (внешними силами, температурами и т. п.) интенсивность напряжений все время возрастает.
Монотонное нагружение обычно реализуется при простом нагружении, когда все внешние силовые факторы изменяются пропорционально одному возрастающему параметру. При простом нагружении соотношение между внешними нагрузками в процессе нагружения остается неизменным. Если наступает процесс разгрузки, когда во всех точках тела интенсивность напряжений убывает (например, при снятии внешних усилий), то приращение (уменьшение) напряжений и деформаций на этапе разгрузки определяется на основе уравнений упругости (закон разгрузки; см. рис. 5.15). Основные ограничения рассматриваемой модели пластичности связаны с тем, что уравнения пластичлости относятся к конечной точке процесса и потому не учитывают историю нагружения.
Если из физических соотношений ясно, что имеет место монотонное нагружение, то указанный недостаток несуществен.
В рамках применяемой модели пластичпости можно учесть действительную историю нагружения, если рассматривать нагружение как совокупность нескольких этапов. Если на каком-либо промежуточном этапе происходит разгрузка, то расчет ведут с использованием уравнений упругости.
Рис. 5.15. Процесс разгрузки при упругопластическом деформировании
Другие модели пластичности.
Более совершенной, но и значительно более сложной является модель пластичности, основанная на теории пластического течения Сен-Венана, Мизесат Прандтля и Рейса. В соответствии с этой теорией рассматриваются раздельно приращения деформаций упругости и пластичности:
Приращение пластической деформации принимается пропорциональным составляющим девиатора напряжений:
где - приращение интенсивности напряжений. Функция определяется на основании экспериментальных данных при растяжении образцов.
Изложение теории пластического течения и других моделей пластичности можно найти в специальной литературе.
Глина - пластичный природный материал, применяемый в строительстве, народных промыслах, лечении и оздоровлении организма и в других сферах жизни человека. Именно такое широкое применение обуславливают определенные качества и свойства глины. А на свойства глины во многом влияет ее состав.
Применение глины
Глина очень доступна, а польза ее непереоценима и поэтому она применяется людьми с очень давних времен. Много упоминаний об этом чудесном материале в учебниках по истории всех стран мира.
Строительство . В настоящее время глина применяется как материал для изготовления красного кирпича. Глину определенного состава формуют и обжигают по некой технологии получая прочный и недорогой слиток - кирпич. А из кирпича уже строятся здания и сооружения. В некоторых странах и регионах глину все еще используют для постройки жилища - мазанки, широко распространено использование глины при постройки печей из кирпича, где связующим (в качестве цемента) служит глина. Эта же глина применяется и для штукатурки печей.
Медицина. Оздоровительная и традиционная медицина применяет глину в виде грязевых ванн и масок. Весь смысл в питании поверхности кожи полезными элементами глины. Разумеется, не вся глина тут подейдет.
Сувениры и посуда . Два больших направления я объединяю в одно, так как многие экземпляры посуды имеют лишь сувенирный характер. Тарелки, горшочки, кувшины и вазы - в изобилии присутствуют в современных магазинах. Ни одна ярмарка не обходится без продажи глиняных сувениров - дымковствая игрушка, свустульки, таблички, брелки и многое другое. Многое мы с вами попробуем слепить самостоятельно.
Глина может входить в состав других материалов . Часовоярская глина тонкого помола, например, является элементом художественных красок (гуашь), соуса, пастели и сангины. Почитайте об этом в статьях "Помощь художнику".
Свойства глины
Цвет. Глина различных составов имеет множество оттенков. Глина так и называется по цветам: красная, голубая, белая... Правда при сушке и дальнейшем обжиге цвет может полностью поменяться. На это стоит обратить внимание при работе с глиной.
Пластичность. Именно возможность деформироваться и удерживать приданную ей форму и позволила человеку найти применение глины в своем быту. Тут стоит заметить, что все зависит от консистенции - соотношения количества воды, глины и песка. Для разных работ нужны разные составы. Так, для лепки песок может быть вообще излишним.
Гигроскопичность позволяет глине впитывать воду, изменяя свои свойства вязкости и пластичности. Но после обжига изделия из глины приобретают водостойкость, прочность и легкость. Развитие технологии позволило получить фаянс и фарфор, незаменимые и в современном мире.
Огнеупорность . Свойство, применяемое скорее в строительстве, нежели в художественных промыслах, если не считать обжиг изделий. Технология обжига различна для того или иного состава глины. С сушкой и обжигом тесно связано свойство усадки глины или сжимаемость - изменение массы и размеров за счет вывода из состава части воды.
Состав глины
Свойства глины определяет ее химический состав. Для разных видов глины свойственны различные химические составы. Так, например, красная глина содержит много окисей железа. Глина в своей основе содержит некие вещества - глинистые минералы - которые образуются в ходе различных природных явлений. Формат статьи не предусматривает рассмотрение химических свойств и состава глины, поэтому я не буду вдаваться в подробности.
Состав глины, пригодной для применения в народных промыслах, как уже говорилось, определяется тремя важнейшими элементами: глиняные минералы, вода и песок.
Пропорции этих элементов можно изменять, правда гораздо проще добавлять, чем убирать. Так, например, сухую глину можно быстро растворить, однако, совсем не просто жидкую как сметана глину сделать пригодной для лепки. Песок очень просто добавить, но вот вынять его из глины - нетривиальная задача.
Различают «тощие» и «жирные» глины. Шкала «жирности » определяет коэффициент пластичности, и связующие свойства глины позволяет регулировать жирность путем смешивания ее с другими природными материалами, например, с песком. Тощая глина обладает меньшей пластичностью, ее связующая сила слабее, но она дает меньше усадки при сушке и обжиге.
Залежи глины находятся в различном состоянии по всему миру. Это обеспечило применение ее ремесленниками разных национальностей, и послужило появлению такого многообразия изделий и технологий.
Ремесленники научились контролировать поведение и состояние глины путем различных добавок в состав. Так можно отощать глину, отмучивать , придавать ей большую огнеупорность, уменьшать усадку. В результате таких манипуляций опытный мастер сможет получить в итоге качественное высокохудожественное изделие.
В технике применяют не в чистом виде, а в виде сплавов. Сплавы получают путем смешивания в расплавленном состоянии двух или нескольких металлов в точно определенном соотношении.
Правильный выбор подходящего для вашего изделия металла или сплава можно сделать, зная его свойства.
Каждый металл и сплав обладает определенными механическими и технологическими свойствами.
К механическим свойствам относят прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
Прочность
- способность металла или сплава воспринимать действующие нагрузки не разрушаясь. Например, если сделанные вами подвески для стенда не разрушаются от его веса при закреплении на стене, значит, они обладают достаточной прочностью.
Твердость
- свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала. Например, если на стальную и медную пластины нанести лунки с помощью кернера, ударив по нему молотком с одинаковым усилием, то в медной пластине глубина лунки будет больше, чем в стальной. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.
Упругость
- свойство металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после устранения внешних сил. Если положить на две опоры металлическую линейку и в центре ее поместить небольшой груз, то она прогнется на некоторую величину, а после снятия груза примет первоначальное положение. Это показывает, что материал линейки обладает упругостью.
Вязкость
- свойство тел поглощать энергию при ударе.
Пластичность
- способность изменять форму под действием внешних сил не разрушаясь. Это свойство используют при правке, гибке, прокатке, штамповке заготовок.
К технологическим свойствам относят ковкость, жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, свариваемость и др.
Ковкость
- свойство металла или сплава получать новую форму под действием удара. Это свойство основано на использовании механического свойства - пластичности.
Жидкотекучесть
- свойство металла в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму и получать плотные отливки.
Обрабатываемость резанием
- свойство металла или сплава подвергаться обработке резанием различными инструментами.
Свариваемость
- свойство металлов соединяться в пластичном или расплавленном состоянии.
Коррозионная стойкость
- свойство металлов и сплавов противостоять коррозии.
Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные. К черным относят железо и сплавы на его основе - сталь и чугун. Все остальные металлы и сплавы - цветные.
Часто сплавы обладают лучшими свойствами, чем их составные части. Например, чистое железо имеет очень низкую прочность, а сплавы железа с углеродом - гораздо более высокую. Если углерода в сплаве меньше 2%, то такой сплав называется сталью. Если углерода от 2 до 4%, то это - чугун.
Сталь
не только прочный, но и пластичный материал, хорошо поддающийся механической обработке. Из конструкционной стали делают детали машин и конструкций , а добавляя в сталь хром, вольфрам и другие металлы, получают очень твердые инструментальные стшш, из которых изготавливают режущие инструменты для обработки металлов.
Чугун
- хрупкий сплав, в связи с чем его используют для изделий, которые впоследствии не будут подвергаться ударам. Чугун обладает очень хорошей жидкотекучестью, поэтому из него получают качественные и сложные отливки: станины станков, радиаторы отопления и другие изделия.
Из цветных сплавов наибольшее распространение в технике получили латунь, бронза, дюралюминий.
Латунь
- сплав меди с цинком желтого цвета. Обладает высокой пластичностью, твердостью и коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности и в электротехнике.
Бронза
- сплав меди со свинцом, алюминием, оловом и другими элементами, желто-красного цвета. Имеет высокую прочность, твердость, хорошо обрабатывается резанием и обладает коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления водопроводных кранов и зубчатых колес, для отливки художественных изделий (скульптур, украшений и других элементов), в электротехнике.
Дюралюминий
- сплав алюминия с медью, магнием , цинком и другими элементами, серебристого цвета. Хорошо обрабатывается, обладает высокой коррозионной стойкостью. Применяется в авиации, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.
Практическая работа
Ознакомление со свойствами металлов и сплавов
1. Рассмотрите образцы металлов и сплавов, определите их цвет.
2. Положите справа от себя образцы из черных металлов и сплавов, а слева - из цветных. Определите вид металлов, из которых сделаны образцы.
3. Растяните и отпустите пружины из стальной и медной проволоки. Сделайте вывод об упругости стали и меди.
4. Положите на плиту для рубки металла образцы из стальной и алюминиевой проволоки и попытайтесь расплющить их молотком. Сделайте вывод о ковкости стали и алюминия .
5. Закрепите в тисках стальной и латунный образцы и проведите по ним напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости стали и латуни.
♦ Черные и цветные металлы, механические свойства (прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность), технологические свойства (ковкость, жидкотекучестъ, обрабатываемость, свариваемость), конструкционная и инструментальная сталь, чугун, бронза, дюралюминий.
1. Что такое сплав?
2. Назовите механические свойства металлов и сплавов.
3. Назовите технологические свойства металлов и сплавов.
4. Для чего нужно знать свойства металлов и сплавов?
5. Какие сплавы относятся к черным?
6. Чем отличается сталь от чугуна?
7. Чем отличается латунь от бронзы?
8. Почему металлы нужно экономно расходовать?
Симоненко В.Д.,Самородский П.С.,Тищенко А.Т.,Технология 6 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
