Деформация

Простейшая элементарная деформация

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

ϵ=(l2−l1)l1=Δll1{\displaystyle \epsilon =(l_{2}-l_{1})/l_{1}=\Delta l/l_{1}}

где

l2{\displaystyle l_{2}} — длина элемента после деформации;
l1{\displaystyle l_{1}} — исходная длина этого элемента.

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

Физическая величина, равная модулю разности конечной и изначальной длины (изменения размера) деформированного тела, называется абсолютной деформацией:

ΔL=|L2−L1|{\displaystyle \Delta L=\left|L_{2}-L_{1}\right|}.

Виды деформации твердых тел

Деформация растяжения

Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

Схема растяжения образца

→

Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)
воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)
разрушаться на пределе прочности

Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация сжатия

Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

Схема сжатия образца

В качестве примера можно привести тот же прибор что и в деформации растяжения немного выше.

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры

Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности

Деформация сдвига

Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

Схема сдвига образца

→

Деформация изгиба

Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

Схема изгиба образца

→

Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие

Деформация кручения

Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

Схема кручения образца

→

Упругая и пластическая деформация

Основная статья: Упругая деформация

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки (то есть тело возвращается к первоначальным размерам и форме), и пластической, если после снятия нагрузки деформация не исчезает (или исчезает не полностью).

Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела (предел упругости).

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.

Пластическая и упругая деформация

В процессе деформации важное значение имеет величина межатомных связей, приложение нагрузки достаточной для их разыва приводит к необратимым последствиям (необратимая или пластическая деформация). Если нагрузка не превысила допустимых значений, то тело может вернуться в исходное состояние (упругая деформация)

Простейший пример поведения предметов, подверженных пластической и упругой деформацией, можно проследить на падении с высоты резинового мяча и куска пластилина. Резиновый мяч обладает упругостью, поэтому при падении он сожмется, а после превращения энергии движения в тепловую и потенциальную, снова примет первоначальную форму. Пластилин обладает большой пластичностью, поэтому при ударе о поверхность оно необратимо утратит свою первоначальную форму.

За счет наличия деформационных способностей все известные материалы обладают набором полезных свойств – пластичностью, хрупкостью, упругостью, прочностью и другими. Исследование этих свойств достаточно важная задача, позволяющая выбрать или изготовить необходимый материал. Кроме того, само по себе наличие деформации и его детектирование часто бывает необходимо для задач приборостроения, для этого применяются специальные датчики называемые экстензометрами или по другому тензометрами.

Опубликована 12-04-12.

Деформация тела

Код ОГЭ 1.12. Деформация тела. Упругие и неупругие деформации. Закон упругой деформации (закон Гука).

Деформация – изменение формы или объёма тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация – деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела полностью восстанавливаются.

Изменение длины тела Δl = l – l, где l– начальная длина недеформированного тела, l – длина деформированного тела, принято называть величиной деформации.

Величина деформации – это скалярная физическая величина, которая может быть и положительной (тело растягивается), и отрицательной (тело сжимается).

Сила упругости направлена против смещения частей тела при деформации, возникает в деформируемом теле, но приложена к тому объекту, действием которого вызвана деформация.

Закон Гука: Для малых деформаций модуль силы упругости прямо пропорционален величине деформации: F_упр = k |Δl|, где коэффициент пропорциональности k называется жёсткостью.

Единица измерения жёсткости в системе СИ: Н/м. Жёсткость зависит от материала, формы и размеров деформируемого тела.

Внимание! Если тело отсчёта выбранной ИСО расположить у свободного конца деформируемого тела, то при его деформации координата этого конца тела равна величине деформации. Тогда формула закона Гука, записанного для проекции силы упругости, принимает вид: Fупр.x = –kх

Знак «минус» в этом случае указывает на то, что сила упругости направлена в сторону, противоположную смещению частей тела при деформации.

Величины деформаций, для которых справедлив закон Гука, определяются экспериментально для каждого деформируемого тела.

Внимание! Линейная зависимость между модулем силы упругости и удлинением пружины (закон Гука) лежит в основе способа измерения силы с помощью динамометра. При этом модуль измеряемой силы равен силе упругости пружины, которая, в свою очередь, рассчитывается по величине деформации

Для правильного измерения силы, растягивающей пружину динамометра, необходимо, чтобы во время измерения динамометр находился в покое или двигался прямолинейно и равномерно! Только в этом случае модуль измеряемой силы и модуль силы упругости равны друг другу

При этом модуль измеряемой силы равен силе упругости пружины, которая, в свою очередь, рассчитывается по величине деформации. Для правильного измерения силы, растягивающей пружину динамометра, необходимо, чтобы во время измерения динамометр находился в покое или двигался прямолинейно и равномерно! Только в этом случае модуль измеряемой силы и модуль силы упругости равны друг другу.

Частные случаи силы упругости:

Сила реакции опоры N: возникает при деформации опоры, приложена к телу, деформирующему опору, и направлена перпендикулярно поверхности опоры.
Сила натяжения (нити, сцепки) Т: возникает в нити, приложена к телу, действие которого вызывает деформацию нити, и направлена вдоль нити в сторону, противоположную деформации.

Внимание! При решении задач часто используется физическая модель «невесомая нерастяжимая нить». Если нить невесома, то она не рассматривается в качестве отдельного тела, для неё не пишется уравнение движения

Условие невесомости приводит также к тому, что силы упругости, возникающие в нити и приложенные к двум связанным телам, равны по модулю (исключение могут составлять задачи, в которых нить перекинута через весомый блок). Нерастяжимость нити приводит к тому, что связанные ею тела движутся с одинаковым по модулю ускорением.

Конспект урока «Деформация тела».

Следующая тема: «Всемирное тяготение».

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ

Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения

Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Простейшая элементарная деформация

ϵ=(l2−l1)l1=Δll1{\displaystyle \epsilon =(l_{2}-l_{1})/l_{1}=\Delta l/l_{1}}

где

l2{\displaystyle l_{2}} — длина элемента после деформации;
l1{\displaystyle l_{1}} — исходная длина этого элемента.

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

ΔL=|L2−L1|{\displaystyle \Delta L=\left|L_{2}-L_{1}\right|}.

Простейшая элементарная деформация

ϵ=(l2−l1)l1=Δll1{\displaystyle \epsilon =(l_{2}-l_{1})/l_{1}=\Delta l/l_{1}}

где

l2{\displaystyle l_{2}} — длина элемента после деформации;
l1{\displaystyle l_{1}} — исходная длина этого элемента.

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

ΔL=|L2−L1|{\displaystyle \Delta L=\left|L_{2}-L_{1}\right|}.

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 их измерение требует высокой точности. Измерение деформаций называется тензометрией; измерения обычно производятся с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются резистивные тензодатчики, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеноструктурный анализ. Для суждения о местных пластических деформациях применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком или хрупкими прокладками и т. д.

Упругая и пластическая деформация

Определение слова «Деформация» по БСЭ:

Деформация (от лат. deformatio — искажение)изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Д. представляет собой результат изменения междуатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно Д. сопровождается изменением величин междуатомных сил, мерой которого является упругое Напряжение.Наиболее простые виды Д. тела в целом: Растяжение — сжатие, Сдвиг, Изгиб, Кручение. В большинстве случаев наблюдаемая Д. представляет собой несколько Д. одновременно. В конечном счёте, однако, любую Д. можно свести к 2 наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу. Д. тела вполне определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки. Д. твёрдых тел в связи со структурными особенностями последних изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах — теорией упругости и пластичности. У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование Д. заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.Д. твёрдого тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикционный эффект), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил. Д. называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае полностью). Все реальные твёрдые тела при Д. в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, т. е. не обнаруживающим заметных пластических Д., пока нагрузка не превысит некоторого предела.Природа пластической Д. может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости Д. При неизменной приложенной к телу нагрузке Д. изменяется со временем. это явление называется ползучестью (см. Ползучесть материалов). С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются Релаксация и Последействие упругое. Релаксация — процесс самопроизвольного уменьшения внутреннего напряжения с течением времени при неизменной Д. Процесс самопроизвольного роста Д. с течением времени при постоянном напряжении называется последействием. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической Д., является теория дислокаций в кристаллах.В теории упругости и пластичности тела рассматриваются как «сплошные». Сплошность, т. е. 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.Простейшей элементарной Д. является относительное удлинение некоторого элемента: &epsilon. = (l₁ — l)/l, где l₁ — длина элемента после Д., l — первоначальная длина этого элемента. На практике чаще встречаются малые Д., так что&epsilon. Измерение Д. 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 Д. 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 Д. применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком и т.д.Лит.: 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.

Виды деформации твердых тел

Не вдаваясь в теоретические основы физики процессом деформации твердого тела можно назвать изменение его формы под действием внешней нагрузки.

Любой твердый материал имеет кристаллическую структуру с определенным расположением атомов и частиц, в ходе приложения нагрузки происходит смещение отдельных элементов или целых слоев относительно, другими словами возникают дефекты материалов.

Деформация растяжения

Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект.

В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

Схема растяжения образца

Посмотрите прибор измеряющий деформацию растяжения →

воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)
воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)
разрушаться на пределе прочности

Деформация сжатия

Схема сжатия образца

В качестве примера можно привести тот же прибор что и в деформации растяжения немного выше.

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры.

Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

Пластическая и упругая деформация

Если нагрузка не превысила допустимых значений, то тело может вернуться в исходное состояние (упругая деформация).

Простейший пример поведения предметов, подверженных пластической и упругой деформацией, можно проследить на падении с высоты резинового мяча и куска пластилина.

Резиновый мяч обладает упругостью, поэтому при падении он сожмется, а после превращения энергии движения в тепловую и потенциальную, снова примет первоначальную форму. Пластилин обладает большой пластичностью, поэтому при ударе о поверхность оно необратимо утратит свою первоначальную форму.

За счет наличия деформационных способностей все известные материалы обладают набором полезных свойств – пластичностью, хрупкостью, упругостью, прочностью и другими.

Исследование этих свойств достаточно важная задача, позволяющая выбрать или изготовить необходимый материал.

Кроме того, само по себе наличие деформации и его детектирование часто бывает необходимо для задач приборостроения, для этого применяются специальные датчики называемые экстензометрами или по другому тензометрами.