Виды деформации материалов

Деформация.

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних сил, либо при изменении окружающих условий (температуры, влажности и других параметров).

Процессы деформирования изучают физика твердого тела, материаловедение, техническая и теоретическая механика, кристаллография, сопромат.

Деформация материалов подразделяется на три основных группы – упругие (исчезают после снятия нагрузки), пластичные (остаются после снятия нагрузки) и ползучесть (медленно нарастающие со временем деформации).

Рассмотрим виды деформации материалов на примере деформации металла.

Виды деформации.

Разделение деформации по видам производится в зависимости от характера приложенной к телу нагрузки. Наиболее распространенными принято считать следующие виды деформации:

• Растяжения;
• Сжатия;
• Изгиба;
• Сдвига (среза);
• Кручения.

Деформация растяжения.

Возникает в поперечном сечении тела под действием растягивающей силы. Как, например, в случае с тросами на мостах.

При приложении растягивающей силы к материалу, например, к проволоке, она начнет удлиняться на величину ΔL, которая называется абсолютным удлинением. В случае, когда приложенное напряжение ниже предела упругости (см. диаграмму, значение EL) материала, растянутая проволока принимает свою первоначальную длину.

За пределом упругости EL остаточная деформация сохраняется до значения F (предел текучести). Проволока первоначальный размер уже не принимает, но нагрузка на нее считается допустимой. На участке FB небольшое увеличение напряжения вызывает значительное удлинение. При достижении значения B происходит разрыв проволоки. Таким образом можно сделать вывод о том, что деформация растяжения является одной из характеристик жесткости материала.

Зона PL (от 0 до EL) считается областью упругих деформаций и безопасной для применения материалов в различных конструкциях.

Деформация растяжения рассчитывается математическим путем, в основу которого заложен закон Гука. Закон выражается формулой F_упр = k∆x, где: F_упр – сила упругости; k – коэффициент упругости (жесткости); ∆x – линейное изменение размеров тела.

Коэффициент упругости рассчитывается по формуле k = E*S/L, где: k – коэффициент упругости; E – модуль Юнга; S – площадь поперечного сечения тела; L – длина тела. Модуль Юнга для расчетов чаще всего берется из таблиц.

Таким образом можно сделать вывод о том, что деформация растяжения является одной из характеристик прочности материала. Ей подвергаются тросы в грузоподъемных механизмах (краны, лифты), канаты (шахтные подъемники в горной промышленности, канатные дороги), цепи в подъемных устройствах (тали, тельферы).

Необходимо учитывать, что практически в любом материале одновременно задействованы несколько видов деформаций.

Деформация сжатия.

Аналогично растяжению сжатие – деформация, образованная действием продольной сжимающей силы в поперечном сечении тела.

Деформация сжатия идентична деформации растяжения. При расчетах используются одинаковые формулы. Исключением является замена знаков продольного усилия. При сжатии формула из закона Гука для определения силы упругости выглядит так: F_упр = - k∆x. Это означает, что энергия сжатия всегда имеет отрицательное значение.

При данном виде деформации длина тела уменьшается, а поперечные размеры увеличиваются.

Деформация сжатия относится к простым видам деформации. При расчетах прочности конструкций берется во внимание действие всех видов деформации на исследуемый элемент.

Деформации сжатия присутствует в различных конструкционных элементах – основаниях кузнечнопрессового оборудования, станков, фундаментов зданий, несущих элементов перекрытий, раскосах, болтовых соединениях и многих других.

Деформация изгиба.

Деформация изгиба возникает при приложении поперечной нагрузки в плоскости продольной оси тела. Простыми словами: происходит искривление тела в результате воздействия изгибающего момента.

Физические процессы при изгибе описываются законом Гука. При определении энергии деформации используется модуль Юнга. Подставляя необходимые значения в расчетные формулы, находят предел упругости материала (элемента), используемого в конструкции. Важность определения предела упругости заключается в том, что при превышении его допустимого значения происходит разрушение материала.

Прочность исследуемого элемента конструкции (балки, бруса, подвесной опоры и т. д.) вычисляется по деформации изгиба с помощью модуля Юнга.

В технике и строительстве расчеты деформации данного типа используют для экономии материалов, а также для уменьшения веса возводимых конструкций. Например, сплошные брусья и стержни заменяют трубами, рельсами, двутавровыми балками, швеллерами.

Деформация сдвига (среза).

При деформации сдвига происходит сдвиг отдельных слоев тела в вертикальной или горизонтальной плоскости.

Согласно закона Гука, значение этого вида деформации вычисляется по формуле τ = G*γ (G – модуль сдвига, τ – величина касательного напряжения, γ – относительная деформация). Отличительной особенностью деформации сдвига заключается в направлении вектора силы – он направлен по касательной к поверхности тела.

Практическое применение расчета деформации сдвига происходит при расчете прочности соединений заклепками, болтами, пальцами (фаркоп трактора).

Деформация кручения.

Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений тела под действием в них пары сил (момента). Напряжение сдвига определяется по формуле τ = T·r/J, где T – крутящий момент, r – радиус сечения и J – инерционный момент.

Расчеты значений деформации основываются на применении закона Гука.

Деформация кручения рассчитывается при проектировании валов машин, шнеков буровых установок, пружин, ходовых винтов токарных станков и др. деталей конструкций.

Измерение величины деформации.

Величины деформаций настолько малы, что их значение можно замерить только специальными приборами. Наиболее широкое применение в этой сфере нашли тензометры. Величина деформации фиксируется тензодатчиком и выводится на дисплей (шкалу) прибора.

Для замеров показаний величин деформации в ответственных конструкциях (авиация, ракетостроение, атомная энергетика и т. п.) применяются методы определения деформаций на молекулярном уровне – рентгеноструктурный анализ, поляризационно-оптический и др.