Пластическая деформация

Диаграмма, показывающая зависимость между силой приложенного усилия и деформацией пластичного металла.

Сплошность

В теории упругости и пластичности тела рассматриваются как "сплошные". Сплошность, то есть способность заполнять весь объём, занимаемый материалом тела без всяких пустот является одним из основных свойств, приписываемых реальным телам. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело. Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.

Простейшая элементарная деформация

Простейшей элементарной деформацией является относительное удлинение некоторого элемента:

• l 1 - длина элемента после деформации ;
• l - первоначальная длина этого элемента.

На практике чаще встречаются малые деформации , так что e << 1.

Измерение деформации

Измерение деформации производится либо в процессе испытания материалов с целью определения их механических свойств, либо при исследовании сооружения в натуре или на моделях для суждения о величинах напряжений. Упругие деформации весьма малы, и измерение их требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации - с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеновский структурный анализ. Для суждения о местных пластических деформациях применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком и т. д.

Примечания

Литература

• Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1950;
• Кузнецов В. Д., Физика твердого тела, т. 2-4, 2 изд., Томск, 1941-47;
• Седов Л. И., Введение в механику сплошной среды, М., 1962.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Под внешним воздействием тела могут деформироваться.

Деформация - изменение формы и размеров тела. Причина деформации заключается в том, что различные части тела совершают неодинаковые перемещения при действии на тело внешних сил.

Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия силы, - упругие , которые не исчезают, - пластические .

При упругих деформациях происходит изменение расстояния между частицами тела. В недеформированном теле частицы находятся в определенных положениях равновесия (расстояния между выделенными частицами - см. рис. 1, б), в которых силы отталкивания и притяжения, действующие со стороны других частиц, равны. При изменении расстояния между частицами одна из этих сил начинает превышать другую. В результате возникает равнодействующая этих сил, стремящаяся вернуть частицу в прежнее положение равновесия. Равнодействующая сил, действующих на все частицы деформированного тела, и есть наблюдаемая на практике сила упругости. Таким образом, следствием упругой деформации является возникновение упругих сил.

При пластической деформации , как показали наблюдения, смещения частиц в кристалле имеют совсем другой характер, чем при упругой. При пластической деформации кристалла происходит соскальзывание слоев кристалла относительно друг друга (рис. 1, а, б). Это можно увидеть с помощью микроскопа: гладкая поверхность кристаллического стержня после пластической деформации становится шероховатой. Соскальзывание происходит вдоль слоев, в которых больше всего атомов (рис. 2).

При таких смещениях частиц тело оказывается деформированным, но на смещенные частицы при этом не действуют "возвращающие" силы, так как у каждого атома в его новом положении такие же соседи и в таком же числе, как и до смещения.

При расчете конструкций, машин, станков, тех или иных сооружений, при обработке различных материалов важно знать, как будет деформироваться та или иная деталь под действием нагрузки, при каких условиях ее деформация не будет влиять на работу машин в целом, при каких нагрузках наступает разрушение деталей и т.д.

Деформации могут быть очень сложными. Но их можно свести к двум видам: растяжению (сжатию) и сдвигу.

Линейная деформация возникает при приложении силы вдоль оси стержня, закрепленного с одного конца (рис. 3, а, б). При линейных деформациях слои тела остаются параллельными друг другу, но изменяются расстояния между ними. Линейную деформацию характеризуют абсолютным и относительным удлинением.

Абсолютное удлинение , где l - длина деформированного тела, - длина тела в недеформированном состоянии.

Относительное удлинение - отношение абсолютного удлинения к длине недеформированного тела.

На практике растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий и т.д.

Возникает под действием сил, приложенных к двум противоположным граням тела так, как показано на рисунке 4. Эти силы вызывают смещение слоев тела, параллельных направлению сил. Расстояние между слоями не изменяется. Любой прямоугольный параллелепипед, мысленно выделенный в теле, превращается в наклонный.

Мерой деформации сдвига является угол сдвига - угол наклона вертикальных граней (рис. 5).

Деформацию сдвига испытывают, например, заклепки и болты, соединяющие металлические конструкции. Сдвиг при больших углах приводит к разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, пилы и др.

Деформации изгиба подвергается балка, закрепленная с одного конца или закрепленная с двух концов, к середине которой подвешен груз (рис. 6). Деформация изгиба характеризуется стрелой прогиба h - смещением середины балки (или его конца). При изгибе выпуклые части тел испытывают растяжение, а вогнутые - сжатие, средние части тела практически не деформируются - нейтральный слой . Наличие среднего слоя практически не влияет на сопротивляемость тела изгибу, поэтому такие детали выгодно делать полыми (экономия материала и значительное снижение их массы). В современной технике широко используются полые балки, трубки. У человека кости тоже трубчатые.

Деформацию кручения можно наблюдать, если на стержень, один конец которого закреплен, действует пара сил (рис. 7), лежащих в плоскости, перпендикулярной оси стержня. При кручении отдельные слои тела остаются параллельными, но поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол. Деформация кручения представляет собой неравномерный сдвиг. Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машин.

Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (неупругие, пластические, ползучести). Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые - остаются. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей); в основе необратимых - необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение).

Пластические деформации - это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Деформации ползучести - это необратимые деформации, происходящие с течением времени. Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью . При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств - в частности, при холодном деформировании повышается прочность .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Урок 208. Деформация твердых тел. Классификация видов деформации

✪ Деформация и силы упругости. Закон Гука | Физика 10 класс #14 | Инфоурок

✪ Деформация

Субтитры

Виды деформации

Наиболее простые виды деформации тела в целом:

В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных простых деформаций. В конечном счёте, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу .

Изучение деформации

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры , продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной нагрузке, приложенной к телу, деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью . С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и упругое последействие . Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации , является теория дислокаций в кристаллах .

Сплошность

В теории упругости и пластичности тела рассматриваются как «сплошные». Сплошность (то есть способность заполнять весь объём, занимаемый материалом тела, без всяких пустот) является одним из основных свойств, приписываемых реальным телам. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело. Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.

Простейшая элементарная деформация

Простейшей элементарной деформацией (или относительной деформацией ) является относительное удлинение некоторого элемента:

На практике чаще встречаются малые деформации - такие, что ϵ ≪ 1 {\displaystyle \epsilon \ll 1} .

Деформация твердого тела. Деформацией называется изменение формы или объема тела.

Деформация возникает в случае, когда различные части тела совершают неодинаковые перемещения. Так. например, если резиновый шнур растянуть за концы, то части шнура сместятся друг относительно друга, шнур окажется деформированным станет длиннее (и тоньше).

В § 4 было показано, что при деформации изменяются расстояния между частицами тела (атомами или молекулами), вследствие чего возникают силы упругости.

Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими. Упругую деформацию испытывает, например, пружина, восстанавливающая свою первоначальную форму после снятия подвешенного к ее концу груза.

Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Пластическую деформацию уже при небольших (но не кратковременных) усилиях испытывают воск, пластилин, глииа, свинец.

Любые деформации твердых тел можно свести к двум видам: растяжению (или сжатию) и сдвигу.

Деформация растяжения (сжатия). Если к однородному стержню, закрепленному на одним конце, приложить силу Г вдоль оси стержня в направлении от него (рис. 7.8), то стержень подвергнется деформации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением и относительным удлинением

где - начальная длина, а - конечная длина стержня.

Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами и т.

При малых растяжениях деформации большинства тел упругие

Если на закрепленный стержень подействовать силой направленной вдоль его оси к стержню (рис. 79), то стержень подвергнется сжатию. В этом случае относительная деформация отрицательна:

Деформацию сжатия испытывакл столбы, колонны, стены, фундаменты зданий и т. и.

При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела. Это можно обнаружить, растягивая резиновую трубку, на которую предваригелыю надето металлическое кольцо. При достаточно сильном растяжении кольцо упадет. При сжатии, наоборот, плошадь поперечного сечения тела увеличивается. Впрочем, для большинства твердых тел эти эффекты малы.

Деформация сдвига. Возьмем резиновый брусок с начерченными на его поверхности горизонтальными и вертикальными линиями и закрепим на столе (рис. 80, а). Сверху к бруску прикрепим рейку и приложим к ней горизонтальную силу (рис. 80, б). Слои и т. д. бруска сдвинутся, оставаясь параллельными,

а вертикальные грани, оставаясь плоскими, наклонятся на угол у. Такого рода деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига.

Если силу увеличить в два раза, то и угол у увеличится в два раза. Опыты показывают, что при упругих деформациях угол сдвига у прямо пропорционален модулю приложенной силы.

Деформацию сдвига можно наглядно продемонстрировать на модели твердого тела, представляющей собой ряд параллельных пластин, соединенных между собой пружинами (рис. 81, а). Горизонтальная сила сдвигает Пластины друг относительно друга без изменения объема тела (рис. 81, б). При деформации сдвига у реальных твердых тел объем их также не меняется.

Деформации сдвига подвержены все балки в местах опор, заклепки (рис. 82) и болты, скрепляющие детали, и т. д. Сдвиг на большие углы может привести к разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, долота, зубила, зубьев пилы.

Деформация изгиба. Деформации изгиба подвергается стер жень, опирающийся концами на подставки и нагруженный посередине или закрепленный на одном конце и нагруженный на другом (рис. 83).

При изгибе одна сторона - выпуклая - подвергается растяжению, а другая - вогнутая - сжатию. Внутри изгибаемого тела расположен слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия, называемый нейтральным (рис. 84).

Таким образом, изгиб - деформация, сводящаяся к растяжениям (сжатиям), различным в разных частях тела.

Вблизи нейтрального слоя тедо почти не испытывает деформаций. Следовательно, в этом слое малы и возникающие при деформации силы. Значит, площадь поперечного сечения изгибаемой детали в окрестности нейтрального слоя можно значительно уменьшить. В современной технике и в строительстве вместо стержней и сплошных брусьев повсеместно применяют трубы (рис. 85, а), двутавровые балки (рис. 85, б), рельсы (рис. 85, в), швеллеры (рис. 85, г), чем добиваются облегчения конструкций и экономии материала.

Деформация кручения. Если на стержень, один конец которого закреплен, действуют параллельные и противоположно направленные силы (рис. 86), лежащие в плоскости, перпендикулярной оси стержня, то возникает деформация, называемая кручением. При кручении отдельные слои тела, как и при сдвиге, остаются параллельными, но поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол. Деформация кручения представляет собой неоднородный сдвиг.

Эта деформация возникает, например, при завинчивании гаек (рис. 87). Деформации кручения подвергаются также валы машин, сверла и т. д.

ДЕФОРМАЦИЯ – изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил (от лат. deformatio – искажение).

Твердые тела способны в течение длительного времени сохранять неизменной свою форму и объем, в отличие от жидких и газообразных. Это известное утверждение справедливо только «в первом приближении» и нуждается в уточнениях. Во-первых, многие тела, которые принято считать твердыми, с течением времени очень медленно «текут»: известен случай, когда гранитная плита (часть стенки) за несколько сот лет, вследствие осадки почвы, заметно изогнулась, следуя новому микрорельефу, причем без трещин и изломов (рис. 1). Было подсчитано, что характерная скорость перемещения при этом составляла 0,8 мм в год. Второе уточнение состоит в том, что все твердые тела изменяют свою форму и размеры, если на них действуют внешние нагрузки. Эти изменения формы и размеров называют деформациями твердого тела, причем деформации могут быть большими (например, при растяжении резинового шнура или при изгибе стальной линейки) или малыми, незаметными для глаза (например, деформации гранитного постамента при установке памятника).

С точки зрения внутреннего строения многие твердые тела являются поликристаллическими, т.е. состоят из мелких зерен, каждое из которых является кристаллом, имеющим решетку определенного типа. Стекловидные материалы и многие пластмассы не имеют кристаллической структуры, но их молекулы очень тесно связаны между собой и это обеспечивает сохранение формы и размеров тела.

Если на твердое тело действуют внешние силы (например, стержень растягивается двумя силами, рис. 2), то расстояния между атомами вещества увеличиваются, и с помощью приборов можно обнаружить увеличение длины стержня. Если нагрузки убрать, стержень восстанавливает прежнюю длину. Такие деформации называются упругими, они не превышают долей процента. При возрастании растягивающих сил может быть два исхода опыта: образцы из стекла, бетона, мрамора и т.д. разрушаются при наличии упругих деформаций (такие тела называются хрупкими). В образцах из стали, меди, алюминия наряду с упругими появятся пластические деформации, которые связаны с проскальзыванием (сдвигом) одних частиц материала относительно других. Величина пластических деформаций обычно составляет несколько процентов. Особое место среди деформируемых твердых тел занимают эластомеры – каучукоподобные вещества, допускающие огромные деформации: резиновую полоску можно вытянуть в 10 раз, без разрывов и повреждений, а после разгрузки первоначальный размер восстанавливается практически мгновенно. Деформация такого типа называется высокоэластической и связана с тем, что материал состоит из очень длинных полимерных молекул, свернутых в виде спиралей («винтовых лестниц») или гармошек, причем соседние молекулы образуют упорядоченную систему. Длинные многократно изогнутые молекулы способны распрямляться за счет гибкости атомных цепочек; при этом расстояния между атомами не меняются, и малые силы достаточны для получения больших деформаций за счет частичного распрямления молекул.

Тела деформируются под действием приложенных к ним сил, под влиянием изменения температуры, влажности, химических реакций, облучения нейтронами. Проще всего понять деформацию под действием сил – часто их называют нагрузками: балка, закрепленная по концам на опорах и нагруженная в середине, изгибается – деформация изгиба; при просверливании отверстия сверло испытывает деформацию кручения; когда мяч накачивают воздухом, он сохраняет шаровую форму, но увеличивается в размерах. Земной шар деформируется, когда по его поверхностному слою идет приливная волна. Даже эти простые примеры показывают, что деформации тел могут быть очень различными. Обычно детали конструкций в нормальных условиях испытывают малые деформации, при которых и форма их почти не изменяется. Наоборот, при обработке давлением – при штамповке или прокатке – происходят большие деформации, в результате которых форма тела существенно изменяется; например, из цилиндрической заготовки получается стакан или даже деталь очень сложной формы (при этом заготовку часто нагревают, что облегчает процесс деформирования).

Самым простым для понимания и математического анализа является деформирование тела при малых деформациях. Как это принято в механике, рассматривается некоторая произвольно выбранная точка М тела.

Перед началом процесса деформирования мысленно выделяется малая окрестность этой точки, имеющая простую форму, удобную для изучения, например, шар радиуса D R или куб со стороной D a , причем так, чтобы точка M оказалась центром этих тел.

Несмотря на то, что тела различной формы под влиянием внешних нагрузок и других причин получают весьма разнообразные деформации, оказывается, что малая окрестность любой точки деформируется по одному и тому же правилу (закону): если малая окрестность точки M имела форму шара, то после деформации она становится эллипсоидом; аналогично, куб становится косым параллелепипедом (обычно говорят, что шар переходит в эллипсоид, а куб – в косой параллелепипед). Именно это обстоятельство одинаково во всех точках: эллипсоиды в разных точках, конечно, получаются разными и по-разному повернутыми. То же касается и параллелепипедов.

Если в недеформированной сфере мысленно выделить радиальное волокно, т.е. материальные частицы, расположенные на некотором радиусе, и проследить за этим волокном в процессе деформирования, то обнаруживается, что это волокно все время остается прямым, но изменяет свою длину – удлиняется или укорачивается. Важную информацию можно получить следующим образом: в недеформированной сфере выделяются два волокна, угол между которыми – прямой. После деформации угол, вообще говоря, станет отличным от прямого. Изменение прямого угла называется сдвиговой деформацией или сдвигом. Суть этого явления удобнее рассмотреть на примере кубической окрестности, при деформации которой квадратная грань переходит в параллелограмм – этим объясняется название сдвиговой деформации.

Можно сказать, что деформация окрестности точки M известна полностью, если для любого радиального волокна, выбранного до деформации, можно найти его новую длину, и для двух любых таких взаимно перпендикулярных волокон – угол между ними после деформации.

Отсюда следует вывод, что деформация окрестности известна, если известны удлинения всех волокон и все возможные сдвиги, т.е. требуется бесконечно большое количество данных. На самом деле деформация частицы происходит очень упорядоченно – ведь шар переходит в эллипсоид (а не разлетается на кусочки и не превращается в нить, которая завязывается узлами). Эта упорядоченность выражается математически теоремой, суть которой состоит в том, что удлинения любого волокна и сдвиг для любой пары волокон можно вычислить (причем довольно просто), если известны удлинения трех взаимно перпендикулярных волокон и сдвиги – изменения углов между ними. И конечно, суть дела совершенно не зависит от того, какая форма выбрана для частицы – шаровая, кубическая или какая-нибудь еще.

Для более конкретного и более строгого описания картины деформации вводится система координат (например, декартовых) OXYZ , выбирается в теле некоторая точка M и ее окрестность в виде куба с вершиной в точке M , ребра которого параллельны осям координат. Относительное удлинение ребра, параллельного оси OX , –e xx (В этом обозначении индекс x повторен дважды: так принято обозначать элементы матриц).

Если рассматриваемое ребро куба имело длину a , то после деформации его длина изменится на величину удлинения D a x , при этом относительное удлинение, введенное выше, выразится как

e xx = D a x / a

Аналогичный смысл имеют величины e yy и e zz .

Для сдвигов принимаются следующие обозначения: изменение первоначально прямого угла между ребрами куба, параллельными осями OX и OY , обозначается как 2e xy = 2e yx (здесь коэффициент «2» вводится для удобства в дальнейшем, как если бы диаметр некой окружности обозначался 2r ).

Таким образом, введено 6 величин, а именно три деформации удлинения:

e xx e yy e zz

и три деформации сдвига:

e yx = e xy e zy = e yz e zx = e xz

Эти 6 величин называют компонентами деформации, при этом в это определение вкладывается тот смысл, что через них выражается любая деформация удлинения и сдвига в окрестности данной точки (часто говорят сокращенно – просто «деформация в точке»).

Компоненты деформации можно записать в виде симметричной матрицы

Эта матрица называется тензором малых деформаций, записанным в системе координат OXYZ . В другой системе координат с тем же началом этот же тензор будет выражаться другой матрицей, с компонентами

Оси координат новой системы составляют с осями координат старой системы набор углов, косинусы которых удобно обозначить так, как это сделано в следующей таблице:

Тогда выражение компонент тензора деформации в новых осях (т.е. e ´ xx ,…, e ´ xy ,…) через компоненты тензора деформаций в старых осях, т.е. через e xx,…, e xy ,…, имеют вид:

Эти формулы, по существу, являются определением тензора в следующем смысле: если некоторый объект описывается в системе OXYZ матрицей e ij , а в другой системе OX ´Y ´Z ´ – другой матрицей e ij ´, то он называется тензором, если имеют место приведенные выше формулы, которые называются формулами преобразования компонент тензора второго ранга к новой системе координат. Здесь, для краткости, матрица обозначена символом e ij , где индексы i , j соответствуют любому попарному сочетанию индексов x , y , z ; существенно, что индексов обязательно два. Число индексов называется рангом тензора (или его валентностью). В этом смысле вектор оказывается тензором первого ранга (его компоненты имеют один индекс), а скаляр можно рассматривать как тензор нулевого ранга, не имеющий индексов; в любой системе координат скаляр имеет, очевидно, то же самое значение.

Первый тензор в правой части равенства называется шаровым, второй – девиатором (от лат. deviatio – искажение), т.к. он связан с искажениями прямых углов – сдвигами. Название «шаровой» связано с тем, что матрица этого тензора в аналитической геометрии описывает сферическую поверхность.

Владимир Кузнецов