Механические свойства твердых тел: виды деформаций, закон Гука

Механические свойства твердых тел – это способность твердых тел сопротивляться внешним воздействиям, таким как нагрузки, деформации, температура и т. д. Они зависят от структуры, состава и состояния твердого объекта. Основные механические свойства – это прочность, жесткость, пластичность, упругость и вязкость.

Деформация и ее виды

К механическим свойствам твердых тел относится и деформация. Она может быть классифицирована на несколько видов, включая линейную, сдвиговую, при кручении, а также изгибе. Рассмотрим каждый вид подробнее.

Линейная

Линейная деформация – это механическая характеристика твердого тела, изменение его длины вдоль определенного направления под воздействием внешних сил. Это может быть сжатие (уменьшение длины), а также растяжение (увеличение длины).

Линейная деформация может быть классифицирована в зависимости от того, восстанавливает ли объект исходную форму при отсутствии нагрузки.

Сдвиг

Сдвиговая деформация происходит, когда части объекта сдвигаются друг относительно друга параллельно определенной плоскости. Механическое свойство характеризуется смещением слоев относительно друг друга. Обычно это происходит под действием сдвиговых напряжений, например, при срезе материала.

Кручение

Деформация при кручении возникает, когда объект или его часть вращается вокруг оси. При этом одни его части смещаются относительно других, что приводит к вращению.

Такая механическая характеристика типично для длинных тонких стержней, подвергающихся моменту кручения.

Изгиб

Деформация при изгибе возникает, когда объект или его часть подвергается нагрузке, вызывающей изгиб. Один конец объекта сжимается, а другой растягивается, что приводит к искривлению. Это типично для балок, пластин и других конструкций, подверженных изгибающим моментам.

Это основные виды искривления, которые могут происходить под воздействием внешних сил. Значительно более сложные виды механических свойств могут проявиться при воздействии различных видов нагрузок на объект.

Упругая деформация

Упругая деформация – это механическое свойство твердого объекта, временное изменение его формы или размера под действием внешних сил или напряжений, которые полностью возвращаются к исходному состоянию после прекращения действия этих сил или напряжений. Внутренние силы вызывают временное смещение атомов или молекул, сохраняя их связи, а также структуру. Когда все они перестают действовать, объект возвращается к исходной форме и размерам.

Упругое поведение объектов характерно для резины, некоторых полимеров и большинства металлов в пределах их упругости. Упругость связана с его упругим модулем, который является мерой его жесткости и способности сопротивляться внешнему воздействию.

Примером механического свойства может быть растяжение или сжатие пружины. При нагрузке пружины она может удлиняться или сжиматься, но когда нагрузка снимается, она возвращается к исходной длине. Это происходит благодаря упругому растяжению.

Важно отметить, что упругая деформация, как механическая характеристика, ограничена пределом упругости материала. Если превышена предельная нагрузка или напряжение, материал переходит в пластическое состояние, когда проявляются его необратимые пластические изменения или разрушение.

Пластическая деформация

Пластическая деформация – механическое свойство твердого тела, необратимое изменение формы или размера объекта под воздействием внешних сил или напряжений. В отличие от упругого искривления, это свойство остается после удаления нагрузки или напряжения. Материал при этом переходит в пластическую фазу, когда его структура изменяется необратимым образом. 

Пластическая деформация может проявляться по-разному, в зависимости от материала и внешних условий. Ниже приведены некоторые примеры:

1. Изменение формы металла при ковке или прокатке для получения желаемой формы и размера. Это происходит при нагреве и вытягивании материала под давлением или обработке его через пресс, прокатный станок.
2. Растяжение или сжатие материала за пределами его предела прочности. Если объект подвергается сильным растягивающим или сжимающим нагрузкам, которые превышают его предел прочности, он может изменить форму без возврата к исходному состоянию.
3. Деформация полимерных материалов. Полимерные материалы также могут подвергаться пластическому растяжению. Например, при изготовлении пластиковых изделий методом литья под давлением, полимер нагревается и вытягивается до получения требуемой формы, которая затем остается постоянной.
4. Пластическое деформирование горных пород под воздействием давления, температуры. Это может приводит к образованию горных складок или дрейфовых движений.

Пластическое растяжение, как механическое свойство, – необратимый процесс. После такого воздействия объект сохраняет измененную форму. Это отличает пластическое искривление от упругой деформации, которая возвращает материал к исходному состоянию после удаления напряжений.

Закон Гука

Закон Гука, также известный как закон Гука-Ламе, описывает связь между напряжением (σ), а также деформацией (ε) упругих материалов (и их механическими свойствами). Согласно закону Гука, напряжение пропорционально величине растяжения в пределах упругости твердого тела.

Математический вид закона Гука для тела можно представить следующей формулой:

σ = E * ε

В ней:

• σ – напряжение (например, в паскалях);
• E – модуль Юнга или модуль упругости (в паскалях);
• ε – деформация (безразмерная).

Модуль Юнга (E) – мера жесткости материала. Он определяет, насколько сильно тело сопротивляется внешним силам. Также может быть интерпретирован как отношение напряжения к растяжению. Модуль Юнга различен для разных веществ и их механических свойств. Он может быть измерен экспериментально.

Закон Гука действителен в пределах линейной упругости материала, то есть до предела пропорциональности. При превышении этого предела тело может перейти в пластический режим, где закон Гука не применим.

Закон Гука – важный инструмент для анализа упругого поведения твердых объектов, их механических свойств. Используется в механике твердого тела, строительстве, инженерии и других областях, где требуется оценка напряжений.

Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения представляет собой графическое изображение зависимости напряжения от величины растяжения при испытании на растяжение (это анализ механических свойств твердого тела). Она позволяет визуально представить, как материал ведет себя при нагружении до разрушения.

На диаграмме растяжения обычно отображаются две оси – растяжения и напряжения. Деформация измеряется в процентах или относительных единицах, а напряжение – паскалях или мегапаскалях.

Типичная диаграмма растяжения имеет основные области:

1. Область упругости. В начале испытания материал ведет себя упруго, и напряжение пропорционально растяжению в соответствии с законом Гука. В этой области объект восстанавливает форму после прекращения воздействия нагрузки. Здесь закон Гука представляет собой прямую линию на диаграмме растяжения.
2. Предел пропорциональности. Это точка, где зависимость между напряжением и искривлением перестает быть линейной. То есть тело переходит в пластическую фазу. Это предельное значение напряжения, при котором объект начинает остаточную пластическую деформацию после снятия нагрузки.
3. Предел текучести. Это точка, где материал начинает течь (пластическую деформацию) без значительного увеличения напряжения. Предел текучести обычно определяется путем установления критерия пластичности
4. Предел прочности. Это максимальное напряжение, которое может выдержать материал без разрушения. В этой области твердое тело может испытывать значительную пластическую деформацию.
5. Область разрушения. После достижения предела прочности материал продолжает искривляться, пока не происходит разрушение. Эта область может быть представлена снижением напряжения перед полным разрушением объекта.

Диаграмма растяжения позволяет анализировать механические свойства твердых тел, такие как прочность, упругость, а также пластичность. Она является важным инструментом для исследователей в области материаловедения при проектировании и анализе конструкций.

Чем измеряется деформация

Деформация твердых тел измеряется с помощью различных методов, в зависимости от ее типа, а также механических свойств твердых тел.

Один из наиболее распространенных способов измерения – использование специальных датчиков. Это специальные устройства, которые монтируются на поверхности или внутри образца материала и могут фиксировать изменения его размера или формы. Такие датчики могут быть емкостными, оптическими или активными. Они регистрируют изменение сопротивления, емкости, освещенности, а также других параметров, связанных с изменениями механических свойств твердых объектов. Затем преобразовывают их в соответствующий сигнал.

Другой метод измерения – использование экстензометров. Экстензометры – это устройства, которые крепятся к образцу, позволяя измерять его удлинение или сжатие. Могут быть электрическими или оптическими. Обычно они используются для измерения малых растяжений.

Оптические методы также широко применяются для измерений механических свойств твердых тел. Например, метод доплеровской интерферометрии позволяет измерять скорости растяжения в теле, используя изменение длины волны света, отраженного от поверхности образца. Метод цифровой корреляции изображений используется для измерения поверхностных натяжений путем сравнения изображений до и после приложения силы к объекту.

Кроме того, существуют специализированные способы измерения для конкретных приложений и механических свойств твердых тел. Например, для измерения в строительных конструкциях могут применяться методы, основанные на вычислении углов поворота элементов.

История

История изучения сжатий и растяжений металлов имеет долгое развитие. Ее понимание с течением времени постепенно углублялось.

Несколько этапов в истории изучения этих явлений:

1. Изначально изучение связывалось с простыми эмпирическими наблюдениями. Древние цивилизации, например, египтяне и майя, использовали принципы искривления при строительстве пирамид и других сооружений.
2. В 17-18 веках физики, такие как Роберт Гука вместе с Леонардо да Винчи, начали проводить более систематические научные исследования. Гук разработал закон, что стал известен как закон Гука, описывающий упругую деформацию объектов и другие их механические свойства.
3. В 19 веке (с развитием промышленности и машиностроения) важность изучения стала еще более актуальной. Инженеры начали применять закон Гука в совокупности с другими для проектирования конструкций, механизмов.
4. Развитие материаловедения в 20 веке привело к более глубокому пониманию процессов, происходящих внутри твердых тел и их механических свойств. Ученые изучали виды искривления, разрабатывали соответствующие теории и модели для их описания.
5. С развитием современных технологий и инструментов, таких как компьютерное моделирование и численные методы, стало возможным более точно и подробно исследовать, а также прогнозировать поведение объекта. Это позволило инженерам и ученым более эффективно проектировать и разрабатывать новые материалы и конструкции.

Исследование поведения и механических свойств твердых тел, находящихся под нагрузкой постоянно продолжается. Ученые по всему миру работают над развитием новых теорий, методов и технологий для более глубокого понимания деформационных процессов. Это играет фундаментальную роль при создании более безопасных, надежных конструкций, которые используются повсеместно.

Какие механические свойства твердых тел влияют на их способность выдерживать нагрузки? Напишите нам! Делитесь статьей с друзьями в социальных сетях и обсуждайте ваши теории в комментариях!

Литература

• Работнов Ю. Н. Сопротивление материалов. — М.: Физматгиз, 1962.
• Кузнецов В. Д. Физика твердого тела. — 2-е изд. — Томск, 1941—1947. — Т. 2—4.
• Седов Л. И. Введение в механику сплошной среды. — М.: Физматгиз, 1962.
• Деформация // Большая Советская энциклопедия (в 30 т.) / А. М. Прохоров (гл. ред.). — 3-е изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1972. — Т. VIII. — С. 175. — 592 с.