Деформации материалов играют важную роль в инженерии и промышленности, где понимание и контроль этого явления является ключевым для разработки надежных конструкций и изделий. Всевозможные виды деформаций могут возникать под воздействием различных факторов, таких как механическая нагрузка, температурные изменения или химические процессы.
Деформация — это изменение формы и/или размеров тела под воздействием внешних сил. Понимание деформации материалов является ключевым фактором в инженерных приложениях, таких как проектирование зданий, мостов, машин и других конструкций.
Всевозможные виды деформаций материалов требуют изучения и контроля для обеспечения качества и надежности изделий. Рассмотрим более подробно.
Рисунок 1. Виды деформации
1. Упругая деформация (рис.1а) – это обратимая деформация, при которой материал возвращается в исходное состояние после снятия нагрузки.
Характеристики:
- Модуль Юнга (E): характеризует жесткость материала, измеряется в Паскалях (Па).
- Коэффициент Пуассона (ν): Отношение поперечной деформации к продольной деформации.
- Предел упругости (σy): максимальное напряжение, при котором материал сохраняет упругую деформацию.
Формула Закона Гука: σ=E*ε, где σ - напряжение, ε - деформация.
2. Пластическая деформация (рис.1в) – необратимая деформация, при которой материал сохраняет изменение формы и размеров даже после снятия нагрузки.
Характеристики:
- Предел текучести (σf): Напряжение, при котором вещество начинает проявлять пластические свойства.
- Твердость (HB): Сопротивление материала проникновению индентора.
- Вязкость (KIC): Способность образцов сопротивляться распространению трещин.
Формула Закона течения: σ=K*ε^n, где K - коэффициент прочности, n - показатель чувствительности к деформации.
3. Хрупкая деформация (рис.1б) — это деформация, при которой материал разрушается без заметной пластической деформации.
Характеристики:
- Прочность на разрыв (σb): напряжение, при котором материал разрушается.
- Вязкость разрушения (KIC): способность испытуемого образца сопротивляться распространению трещин.
Формула Гриффитса:
σc=√((2*E*γ)/(π*a)), где σc - критическое напряжение, E - модуль Юнга, γ - поверхностное натяжение, a - длина трещины.
Дополнительные виды деформации:
Рисунок 2. Деформация сдвига
Сдвиговая (рис.2): изменение формы тела под действием касательных сил.
Рисунок 3. Деформация изгиба
Изгибная (рис.3): деформация, возникающая при приложении изгибающего момента.
Рисунок 4 Деформация кручения
Кручение (рис.4) - деформация, возникающая при приложении крутящего момента.
Рассмотрим факторы, влияющие на деформацию:
- Материал. Свойства материала (модуль Юнга, предел текучести, вязкость) определяют его поведение при деформации.
- Нагрузка. Величина и направление нагрузки влияют на вид и степень изменений материала.
- Температура. Температура может влиять на механические свойства материала и, следовательно, на его искажение.
Понимание этого процесса имеет решающее значение в различных областях человеческой деятельности.
В строительстве на стадии проектирований зданий, мостов и других конструкций, рассчитывается их деформация под воздействием нагрузки.
В машиностроении также при проектировании машин и механизмов необходимо учитывать изменения размер и/или форм используемых материалов в работе.
Авиация и космонавтика — ещё одна область, где при проектировании самолётов, ракет и космических кораблей необходимо учитывать их деформацию под воздействием экстремальных условий: высоких температур, перегрузок и т. д.
Медицина также использует понимание искажений материалов для диагностики и лечения заболеваний. Например, изучение деформации костей и других тканей помогает выявить переломы, вывихи и другие травмы.
Для анализа деформаций используют специальные испытательные машины, которые обеспечивают точность и достоверность результатов. Эти машины могут быть электромеханические и электрогидравлические. Они оснащены датчиками и измерительными приборами, которые позволяют контролировать параметры испытания, такие как нагрузка, искажения и скорость нагружения.
Во время испытаний на упругость образец материала закрепляется в испытательной машине серии МИМ и подвергается нагрузке до определённого предела. Затем нагрузка снимается, и образец возвращается к своей исходной форме. По результатам испытания строится диаграмма деформации, которая показывает зависимость напряжения от искажений. По этой диаграмме можно определить модуль упругости, предел текучести, предел прочности и другие параметры материала.
Испытания на пластичность проводятся с помощью тех же методов, что и испытания на упругость, но с более высокими нагрузками. По результатам испытаний на пластичность можно определить предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и другие характеристики материала.
Для проведения испытаний на хрупкость используют маятниковые копры, которые создают ударную нагрузку на образец материала. Образец может быть в виде пластины, стержня или другого элемента, который подвергается удару. Во время испытания измеряется энергия удара, которая поглощается образцом, и его разрушение. По результатам испытания можно определить хрупкость материала, его способность к поглощению энергии и другие характеристики.
Для выявления деформаций в температурном поле необходимо устанавливать системы температурных испытаний. При понижении температуры многие материалы становятся более жесткими и хрупкими, что может привести к возникновению трещин или других повреждений. Напротив, при повышении температуры материалы могут проявлять пластичность, что увеличивает их способность к деформации, но также может вызывать снижение прочности и устойчивости. Эти изменения критически важны для понимания поведения материалов в условиях эксплуатации и проектирования безопасных и эффективных конструкций.
Изменение форм и/или размеров материалов является сложным явлением, которое зависит от многих факторов. Понимание видов деформации, их характеристик и влияющих на них факторов является ключевым для успешного проектирования и эксплуатации различных инженерных объектов.