Лекции по "Материаловедению"

Большое значение для  практической службы материала имеет  характер пористости, для определения  которого используют следующие методы.

При проведении оптических измерений фиксируют линейные размеры  сечений частиц и пор в плоскости  среза материала и вычисляют  параметры структуры (метод микроскопического  количественного анализа).

Фотометрические оптические измерения связаны с определением величины отраженного светового потока (который с помощью фотоэлемента преобразуется в электрические импульсы) от поверхности образца материала.

Для определения характера  пористости применяют также метод  ртутной порометрии, который основан  на вдавливании ртути в поры образцов материалов.

Высокая пористость материала  обеспечивает ем у низкую теплопроводность (особенно при замкнутом характере  пор) и высокое звукопоглощение (при  сообщающихся порах). Открытые поры которые  сообщаются со средой, увеличивают водопоглощение, снижают морозостойкость и долговечность материала.

Весовые характеристики.

Вес – это сила, с которой строительный материал (или любое тело) притягивается землей. Этот показатель измеряется в ньютонах. Однако вес, связанный с ускорением свободного падения, зависит не только от самого материала, но и от месторасположения пункта измерения, например, на полюсе материал будет весить на 0,5% больше, чем на экваторе. Поэтому основная весовая характеристика материала – масса, являющаяся неизменным его свойством и измеряемая в граммах, килограммах, тоннах.

Материалы одинакового  объема, состоящие из одинаковых веществ, могут иметь неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе  материалов, имеющих одинаковый объем, служит плотность – истинная и средняя.

Свойства материалов при действии влаги, воды, замораживания-оттаивания.

Влажность – содержания влаги в материале, отнесенное к массе материала в сухом состоянии, измеряемое в процентах.

Сравнительно простой  метод определения влажности  связан с высушиванием образцов материала и определением разности массы образца до и после сушки.

Высокой можно считать  влажность более 20%, низкой – менее 5%.

Гигроскопичность – способность материала поглощать водяные пары из воздуха (при его повышенной влажности) и удерживать их вследствие капиллярной конденсации.

В зависимости от вида материала  для определения гигроскопичности применяют образцы определенных размеров, которые помещают в эксикатор (сосуд с плотно притертой крышкой), где насыщенный раствор соли или  вода создают определенную относительную влажность воздуха.

Водопоглощение – способность материала при непосредственном контакте с водой впитывать ее и удерживать.

При определении водопоглощения образцы материалов помещают в сосуд, куда постепенно наливают воду, как правило, через определенные промежутки времени, в зависимости от вида материала. Когда уровень воды будет выше верха образцов на 10–30 мм, их выдерживают в воде некоторое время и периодически взвешивают. Насыщение образцов водой прекращают через 1, 24, 48 или 56 ч, в зависимости от вида материала или после того, как прекратится прирост массы (при определении водопоглощения образцов тяжелого бетона, строительного раствора).

Водостойкость материала характеризуется коэффициентом размягчения К_р – отношением предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см² площади испытуемого материала при постоянном давлении.

При определении водонепроницаемости  измеряется время, в течение которого образец не пропускает воду при постоянном давлении воды, или измеряется гидростатическое давление, которое выдерживает образец материала в течение определенного времени.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и соответственно без значительных потерь массы и прочности.

Свойства материалов при действии menла, огня, звука.

Способность материала  передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал, называется теплопроводностью. Это свойство оценивается количеством теплоты, прошедшей в течение 1 ч через испытуемый материал толщиной 1 м при разнице температур на его противоположных поверхностях в 1 °С. Теплопроводность измеряется коэффициентом λ в Вт/(м °С).

Огнестойкость – способность материалов сохранять физико-механические свойства при воздействии огня и высоких температур, развивающихся в условиях пожара.

Огнестойкость материалов и изделий определяют по степени  возгораемости с помощью методов огневой трубы и калориметрии.

Метод огневой  трубы основывается на оценке возгораемости в течение определенного времени образца материала, расположенного вертикально в металлической трубе. При этом создаются весьма жесткие условия испытания, так как в трубе обеспечивается конденсация теплоты около образца, а его вертикальное положение способствует наилучшим условиям горения. По более точному, но более трудоемкому методу калориметрии образец материала испытывают в герметически закрытой огневой камере, окруженной водяной рубашкой.

По степени горючести  материалы делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы при действии огня и соответственно высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К таким материалам относятся, например, природный камень, бетон, кирпич, металлы.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высоких температур обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Такие материалы состоят обычно из сгораемых и несгораемых веществ, например асфальтобетон, цементный фибролит.

Сгораемые материалы горят или тлеют под воздействием огня и продолжают гореть после его устранения. К сгораемым относятся материалы, состоящие из органических веществ, например древесина, большинство строительных пластмасс.

Звукопоглощение – способность материалов поглощать звуковые волны.

Звукопоглощение материала  характеризуется коэффициентом звукопоглощения, показывающим, какое количество звуковой энергии поглотил материал в единицу времени по сравнению с общим количеством падающей звуковой энергии.

Свойства материалов при действии агрессивных веществ.Коррозионная стойкость – способность материалов сопротивляться действию агрессивных веществ. Последние могут разрушать вещество материала и его структуру.

По механизму коррозионного  процесса можно выделить следующие  основные виды коррозии: физическая, приводящая к физическому разрушению материала  без изменения его химического  состава; химическая, определяющая необратимые  изменения химического состава материала; физико-химическая, в результате которой происходят физическое разрушение материала и изменение его химического состава; электрохимическая, сопровождающаяся изменением химического состава материала в результате возникновения электрического тока на границе его фаз.

При оценке коррозионной стойкости материалов определяют разность масс образцов до и после воздействия  агрессивной среды и соответствующее  изменение прочностных и упругих  характеристик.

Свойства материалов при действии статических и динамических сил.

Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность материалов оценивают пределом прочности – напряжением, соответствующим нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Наиболее распространенные нагрузки – сжатие, растяжение, изгиб и удар.

Твердость – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при местном внедрении другого, более твердого тела.

В зависимости от вида материала применяют различные  методы оценки твердости. Для металлов, некоторых материалов на основе полимеров, бетона, древесины и других определение  твердости основано на вдавливании  в образец малодеформирующихся тел в виде шарика, конуса или пирамиды. В этом случае единицы измерения рассматриваемого показателя – МПа.

Истираемость – способность материала уменьшаться в объеме и массе вследствие разрушения поверхностного слоя под действием истирающих усилий.

К деформативным свойствам материалов относятся прежде всего упругость, пластичность, хрупкость.

Упругость – способность материала деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней среды. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия нагрузки, поэтому ее принято называть обратимой.

Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающим закон Гука: ε = σ / Е.

Пластичность – способность материала изменять форму, размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. После прекращения действия силы материал не может самопроизвольно восстановить форму и размеры. Остаточная деформация называется пластической.

Хрупкость – способность твердого материала разрушаться при механических воздействиях без сколько-нибудь значительной пластической деформации.

1.2. Эстетические  характеристики материалов

К рассматриваемым характеристикам  относятся форма, цвет, фактура, рисунок (природный – текстура).

Форма материалов, лицевая  поверхность (или поверхности) которых  воспринимается визуально в процессе эксплуатации, непосредственно влияет на своеобразие фасада или интерьера  здания. В современной архитектуре  форма облицовочных материалов, как правило, лаконична – квадрат, прямоугольник.

Цвет материалов – зрительное ощущение, возникающее в результате воздействия на сетчатку глаза человека электромагнитных колебаний, отраженных от лицевой поверхности в результате действия света.

Все цвета материалов можно разделить на две группы – ахроматические (белые, черные и  серые всех оттенков) и хроматические (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие, фиолетовые со всеми промежуточными оттенками). Человеческий глаз способен различать до трехсот оттенков ахроматических и десятки тысяч хроматических цветов.

Координаты  цвета получают расчетным путем, используя данные замеров с помощью специальных приборов: спектрофотометров, компараторов, колориметров.

Непосредственно измерять координаты цвета и цветности образцов материалов можно с помощью трехцветных колориметров или спектроколориметров. Указанные приборы обеспечивают измерения в автоматизированной форме.

Основные характеристики цвета – цветовая тональность, светлота и насыщенность.

Цветовая тональность показывает, к какому участку видимого спектра относится цвет материала. Количественно цветовые тона измеряются длинами волн.

Светлота характеризуется относительной яркостью поверхности материала, определяемой коэффициентом отражения, который представляет соответственно отношение отраженного светового потока к падающему.

Насыщенность  цвета – степень отличия хроматического цвета от ахроматического той же светлоты.

Применяя визуальные методы оценки цвета, используют атласы цвета, картотеку цветовых эталонов, образцы материалов-эталонов.

Цветовые атласы – альбомы или наборы большого числа ахроматических и хроматических накрасок, предварительно систематизированных.

Картотека цветовых эталонов – комплект карточек различных цветов, каждому из которых присвоен определенный номер. При этом каждая карточка имеет два гнезда, в которые вставляются глянцевая и матовая на краски одного цвета на триацетатной пленке размером 115х6 мм. Размер каждой карточки 130x180 мм. Цветовые характеристики карточек в каждой партии перед выпуском измеряются с помощью фотоэлектрического колориметра. Существуют определенные правила хранения карточек и пользования ими. Максимальный срок их эксплуатации 5 лет.

При оценке цвета по образцам-эталонам часто используют металлические пластины размером 90x120 или 30x100 мм с эталонной краской. Обычно цвет эталона утверждается в пределах «вилки» двух близких оттенков. Применяют также основной эталон и два допуска – более светлый и более темный. При старении цветовых покрытий образец-эталон подлежит замене.

Регулирование цвета  материалов, как правило, осуществляется при использовании пигментов  – цветных тонкоизмельченных  неорганических и органических веществ. Пигменты используют для придания цвета  краскам или в качестве компонента других материалов с искусственной структурой.

Фактура – видимое строение лицевой поверхности материала, характеризуемое степенью рельефа и блеска.

По степени рельефа  выделяют гладкие, шероховатые (высота рельефа до 0,5 см) и рельефные (высота рельефа более 0,5 см) фактуры.