1
CECHY FIZYKO-MECHANICZNE MATERIAŁÓW
CECHY FIZYCZNE
1. GĘSTOŚĆ
Jest to stosunek masy próbki do jej objętości absolutnej (bez porów)
v
m
=
γ
[Mg/m
3
], [g/cm
3
], [kg/m
3
]
gdzie: m – masa próbki w Mg, kg, g
v – objętość próbki w m
3
, cm
3
2. GĘSTOŚĆ POZORNA
Jest to stosunek masy próbki do jej objętości łącznie z porami
o
v
m
=
ρ
[Mg/m
3
] , [g/cm
3
], [kg/m
3
]
gdzie: m – masa próbki w Mg, kg, g
v
o
- objętość próbki łącznie z porami, w m
3
, cm
3
3. GĘSTOŚĆ NASYPOWA
Jest to stosunek masy próbki do jej objętości. Dotyczy ona materiałów ziarnistych – kruszyw.
Uwzględnia porowatość ziaren oraz przestrzeni międzyziarnowych.
4. SZCZELNOŚĆ
Określa ona jaka część całej objętości materiału przypada w procencie na samą masę
materiału.
100
⋅
=
γ
ρ
s
[%]
5. POROWATOŚĆ
Porowatość określa jaka część całej objętości w procencie przypada na pory.
p = (1 – s) · 100 [%]
6. WILGOTNOŚĆ
Wilgotność jest to stan zawilgocenia materiału w chwili badania i określa się ją jako stosunek
masy wody zawartej w próbce do masy materiału suchego.
100
⋅
−
=
s
s
w
m
m
m
w
[%]
gdzie: m
w
– masa próbki wilgotnej w g
m
s
– masa próbki wysuszonej w g
2
7. ZAWILGOCENIE SORPCYJNE
Jest to zdolność do zawilgocenia materiału spowodowana wchłanianiem przez ten materiał
pary wodnej z powietrza w określonej temperaturze i przy określonej wilgotności powietrza.
Oblicza się ze wzoru jak w p. 6.
8. HIGROSKOPIJNOŚĆ
Wilgotność higroskopijna jest to zawilgocenie spowodowane pochłonięciem przez materiał z
powietrza określonej ilości pary wodnej, w warunkach określonej temperatury powietrza i
wilgotności względnej powietrza równej 97±3%. Oblicza się ją jak w p. 6.
9. NASIĄKLIWOŚĆ
Jest to zdolność wchłaniania przez materiał wody przy ciśnieniu atmosferycznym. ZaleŜy ona
od ilości porów i ich charakteru, tzn. obecności połączeń i moŜliwości przenikania wody do
wnętrza materiału. RozróŜnia się trzy rodzaje nasiąkliwości: masową, objętościową i
względną.
9.1. Nasiąkliwość masowa
Określa stosunek masy wody zawartej w nasiąkniętej próbce materiału do masy próbki w
stanie suchym. Nasiąkliwość masową oblicza się ze wzoru:
100
⋅
−
=
s
s
n
m
m
m
m
n
[%]
gdzie: n
m
– nasiąkliwość masowa w %
m
n
– masa próbki wilgotnej (nasiąkniętej), g
m
s
– masa próbki wysuszonej, g
9.2. Nasiąkliwość objętościowa
Jest stosunkiem masy wody zawartej w nasiąkniętej próbce do objętości tej próbki.
Nasiąkliwość objętościową oblicza się ze wzoru:
100
⋅
−
=
s
s
n
obj
v
m
m
n
[%]
gdzie: n
obj
– nasiąkliwość objętościowa, %
m
n
– masa próbki nasiąkniętej do stałej masy, g
m
s
– masa próbki suchej, g
v
s
– objętość próbki, cm
3
9.3. Nasiąkliwość względna
Jest to stosunek nasiąkliwości objętościowej po gotowaniu do porowatości tego materiału.
Oblicza się ją ze wzoru:
p
n
n
og
wz
=
gdzie: n
wz
– nasiąkliwość względna
n
og
– nasiąkliwość objętościowa po gotowaniu
p
– porowatość obliczona jak w p. 5
3
10. STOPIEŃ NASYCENIA
WyraŜa stosunek nasiąkliwości objętościowej do nasiąkliwości objętościowej maksymalnej
(po gotowaniu). Oblicza się ją ze wzoru:
max
o
o
n
n
k =
gdzie: k – stopień nasycenia
n
o
– nasiąkliwość objętościowa
n
o max
– nasiąkliwość objętościowa maksymalna lub po gotowaniu
11. PRZESIĄKLIWOŚĆ
Przesiąkliwość materiału jest to jego zdolność do przepuszczania wody, która przenikając
przez ten materiał znajduje się pod określonym ciśnieniem. Miarą przesiąkliwości jest
objętość wody przechodzącej przez jednostkę powierzchni materiału w ciągu jednostki czasu.
Dla niektórych materiałów przesiąkliwość określa się jedynie opisowo (dachówki, papy).
Przesiąkliwość oblicza się ze wzoru:
s
m
m
p
⋅
=
2
3
[m/s]
12. KAPILARNE PODCIĄGANIE WODY
Jest to zdolność wznoszenia się wody w kapilarach materiału w wyniku działania sił
kapilarnych. Miarą własności kapilarnych danego materiału jest wysokość kapilarnego
podciągania wody, podawana w [m] w czasie lub masa wody wnikająca w próbkę przez znaną
powierzchnię tej próbki w określonym czasie.
13. WSPÓŁCZYNNIK ROZMIĘKANIA
Współczynnik rozmiękania k charakteryzuje przydatność materiału do stosowania go w
warunkach zwiększonego zawilgocenia. Materiały, których współczynnik k jest mniejszy od
0,8 nie mogą być stosowane w miejscach naraŜonych na stałe zawilgocenie. Współczynnik
ten oblicza się ze wzoru:
s
n
R
R
k =
gdzie: R
n
– wytrzymałość materiału nasyconego wodą
R
s
– wytrzymałość materiału w stanie suchym
14. PAROPRZEPUSZCZALNOŚĆ
Paroprzepuszczalność materiału jest to jego zdolność do przepuszczania pary wodnej.
Zdolność tę charakteryzuje masa pary wodnej, która przenika przez jednostkę powierzchni i
grubości materiału w jednostce czasu i przy róŜnicy ciśnień po obu stronach materiału równej
jednostce. Paroprzepuszczalność określa współczynnik paroprzepuszczalności
δ
δδ
δ
[g/(m·h·Pa)].
Wartość współczynnika zaleŜy od temperatury materiału oraz jego zawilgocenia.
Paroprzepuszczalność materiałów powłokowych (izolacyjnych) określa się oporem
paroprzewodności R [(m
2
·h·Pa)/g]. W tym przypadku nie uwzględnia się grubości materiału.
4
15. INFILTRACJA
Jest to zdolność materiału do przepuszczania powietrza. Współczynnik infiltracji określa
masa powietrza przenikającego przez jednostkę powierzchni i grubości materiału w jednostce
czasu i przy róŜnicy ciśnień po obu stronach równej jednostce.
16. MROZOODPORNOŚĆ
Mrozoodporność materiału określa jego odporność na niszczące działanie zamarzającej w
porach materiału wody. Miarą mrozoodporności jest:
a) strata masy po pełnej ilości cykli badania w %
b) spadek wytrzymałości po badaniach
z
c
c
W
R
R
=
1
2
c) zmiany w wyglądzie zewnętrznym, wystąpienie zmian, zniszczeń, spękań, złuszczeń.
Badanie mrozoodporności polega na wielokrotnym (ilość cykli przewidują odpowiednie
normy) zamraŜaniu nasyconego wodą materiału, a następnie rozmraŜaniu. Ilość cykli moŜe
wynosić od kilku do kilkuset.
17. PRZEWODNICTWO CIEPLNE
Jest zdolnością materiału do przewodzenia ciepła od jednej powierzchni do drugiej. Zdolność
tę charakteryzuje współczynnik przewodzenia ciepła
λ
λ
λ
λ
. Jest to ilość ciepła jaka przechodzi
przez powierzchnię 1 m
2
ściany posiadającej 1 m grubości w ciągu 1 godziny i przy róŜnicy
temperatur po obu stronach równej 1 K. Wymiar współczynnika λ [w/(m·K)].
18. POJEMNOŚĆ CIEPLNA
Jest to zdolność materiału do pochłaniania i kumulowania ciepła w czasie ogrzewania. Ilość
ciepła Q potrzebna do ogrzewania materiału od temperatury t
1
do temperatury t
2
wyraŜa się
wzorem:
Q = m · c(t
2
– t
1
)
[J]
gdzie: c – ciepło właściwe [J/kg · K]
m
– masa próbki w kg
t
1
i t
2
– temperatura w K
Pojemność cieplna posiada znaczenie przy ocenie właściwości izolacyjnych przegród
zewnętrznych (bezwładność termiczna przegrody jest cechą korzystną).
19. CIEPŁO WŁAŚCIWE
Jest to ilość ciepła w J potrzebna do ogrzania 1 kg materiału o 1
o
. Wylicza się je ze wzoru:
(
)
1
2
t
t
m
Q
c
−
=
[J/kg·K]
gdzie: Q – ilość ciepła potrzebna do ogrzania materiału o 1
o
m
– masa materiału w kg
20. ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA
Rozszerzalność cieplna materiałów jest cechą polegającą na zmianie wymiarów (długości,
względnie objętości) pod wpływem zmian temperatury. Zdolność materiału do zmian
5
liniowych i zmian objętości określa współczynnik rozszerzalności liniowej
α
α
α
α
i współczynnik
rozszerzalności objętościowej β. Współczynnik rozszerzalności liniowej
α
α
α
α
jest to średni
przyrost długości przypadający na jednostkę pierwotnej długości l
o
i na 1 K ogrzania:
t
l
l
o
∆
⋅
∆
=
α
gdzie:
∆
l
– przyrost długości próbki, mm lub cm
l
o
– pierwotna długość próbki, mm lub cm
∆
t
– przyrost temperatury, K
stąd:
∆
l =
α
· l ·
∆
t
Współczynnik rozszerzalności objętościowej jest to średni przyrost objętości przypadający na
jednostkę pierwotnej objętości i na 1
o
ogrzania
t
v
v
v
t
∆
⋅
−
=
β
gdzie: v
t
– objętość próbki przy ogrzaniu o ∆t
v
– objętość próbki przed ogrzaniem
stąd: v
t
= v (1 + β ·
∆
t)
CECHY MECHANICZNE
Cechy mechaniczne charakteryzują odporność materiału na działanie sił powodujących
niszczenie ich struktury. Cechy te zaleŜą od budowy wewnętrznej materiału, jego
porowatości, stanu zawilgocenia, kierunku działania sił przy materiałach anizotropowych,
temperatury.
1. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE
Jest to największe napręŜenie, jakie wytrzymuje próbka materiału podczas zgniatania. Siła
działa prostopadle do powierzchni próbki. Wytrzymałość na ściskanie oblicza się ze wzoru:
A
P
R
c
c
=
[MPa]
gdzie: P
c
– siła statyczna niszcząca, N
A
– powierzchnia ściskana, m
2
2. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIA
Jest to największe napręŜenie, jakie wytrzymuje próbka materiału podczas rozciągania.
Oblicza się ją ze wzoru:
A
P
R
r
r
=
[MPa]
gdzie: P
r
– siła statyczna niszcząca (rozrywająca), N
A
– pierwotny przekrój poprzeczny próbki, m
2
6
3. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE PRZY ZGINANIU
Jest to napręŜenie określone stosunkiem momentu zginającego M do wskaźnika
wytrzymałości przekroju W. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu oblicza się ze
wzoru:
W
M
R
g
=
[MPa]
gdzie: M – moment zginający, Nm
W
– wskaźnik wytrzymałości przekroju, m
3
4. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCINANIE
Określa się ją stosunkiem siły ścinającej próbkę do jej przekroju:
A
P
R
s
s
=
[MPa]
5. TWARDOŚĆ
Twardość materiału jest to jego odporność na odkształcenia wywołane działaniem skupionego
nacisku. Ta właściwość materiału związana jest z budową wewnętrzną ciała i zaleŜy od
rodzaju sił wiąŜących atomy, jony lub cząsteczki. Twardość, podobnie jak wytrzymałość,
zwiększa się ze wzrostem wielkości tych sił. Twardość materiałów bada się róŜnymi
metodami, zaleŜnie od ich rodzaju. Stosowane są tu następujące metody:
•
skala Mohsa dla minerałów,
•
wgniatanie kulki stalowej – drewno, metale, tworzywa sztuczne
•
wgniatanie stoŜka diamentowego – metale.
6. ŚCIERALNOŚĆ
Ścieralność materiału jest to jego podatność na ścieranie. Dla oceny ścieralności stosowane są
róŜne metody, zaleŜnie od rodzaju materiału. Określana moŜe być strata wysokości próbki lub
strata masy przy ścieraniu jednej płaskiej powierzchni, np. materiały posadzkowe lub
drogowe. W przypadku kruszyw określa się stratę masy przy ścieraniu ziaren na całej ich
powierzchni (bęben Dedala).
7. KRUCHOŚĆ
Kruchość polega na niszczeniu materiału pod działaniem sił zewnętrznych, bez wystąpienia
odkształceń plastycznych. Kruchość, podobnie jak plastyczność, zaleŜy od temperatury i
sposobu obciąŜenia. Materiały kruche źle znoszą obciąŜenia rozciągające i obciąŜenia
dynamiczne.
8. UDARNOŚĆ
Zdolność materiału do przejęcia nagłych uderzeń. Odporność na uderzenie.
To odporność na działanie trójosiowych napręŜeń dynamicznych. Miarą udarności jest
wartość energii koniecznej do zniszczenia próbki obciąŜonej udarowo.
na podstawie:
Domin T.: Materiały budowlane. Podręcznik dla studentów wyŜszych szkół technicznych,
Politechnika Krakowska, Kraków, 1992.