Реферат: Механические свойства твердых тел в практике

Кость

110

150

Атомы и молекулы в твёрдых телах совершают тепловые колебания около равновесных положений, в которых энергия минимальна. При уменьшении расстояний между атомами возникают силы отталкивания, а при увеличении расстояний между ними – силы притяжения. Это и обуславливает механическую прочность твёрдых тел, т.е. их способность противодействовать изменению формы и объёма. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию – силы отталкивания. Этими же силами объясняются упругие свойства твёрдых тел.

Недеформируемых тел в природе не существует. В то же время часто приходится иметь дело со столь малыми деформациями, что их трудно обнаружить. Например, если наступить на кирпич, то его высота уменьшится примерно на 1/20000 см. При такой деформации соседние атомы сближаются примерно на 2*10^-14 см!

Среди деформаций, возникающих в твёрдых телах, можно выделить пять основных видов: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для демонстрации этих видов деформаций можно воспользоваться моделью, состоящей из нескольких пластин, скрепленных пружинами (рис. 2, а). Каждая пластина изображает слой атомов (молекул) в кристаллической решетке, пружины моделируют действие сил связи.

При деформации сжатия (рис.2, б) и растяжения (рис.2, в) пластины остаются параллельными друг другу и расстояния между каждой парой соседних пластин на одну и ту же величину. Растяжение испытывают тросы подъёмных кранов, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий.

Деформацию сдвига можно получить, смещая верхнюю пластину параллельно самой себе и удерживая нижнюю неподвижной. При этом все пластины сместятся так, что расстояния между ними останутся неизменными (рис.2, г). Деформацию сдвига испытывают, например, заклёпки и болты, соединяющие металлические конструкции. Деформацией сдвига сопровождается процесс разрезания ножницами бумаги, листового железа (рис.3).

Деформацию кручения можно наблюдать при повороте верхней пластины модели вокруг вертикальной оси (рис. 4). При этом расстояния между пластинами не меняются, но точки платин, ранее лежавшие на одной прямой, смещаются в сторону друг от друга. Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машин, при сверлении металлов и т.д.

Деформацию изгиба можно наблюдать, закрепив один конец балки, а к другому подвесив груз. В опыте на модели (рис. 5) хорошо видно, что деформация изгиба сводится к деформации сжатия и растяжения, различной в разных частях тела. В середине бруска существует слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию. Он называется нейтральным слоем.

Поскольку слои, близкие к нейтральному, испытывают меньшую деформацию, то детали машин и конструкций, работающие на изгиб, выгодно делать полыми. Замена сплошных стержней и брусков трубами или балками, даёт экономию материала и значительно снижает массу (и вес) конструкций без ухудшения их механических свойств.

В результате длительной эволюции кости животных и птиц приобрели трубчатое строение. Это значительно облегчает расчёт механических свойств конструкций и деталей машин.

Деформация и напряжение. Деформацию сжатия и растяжения можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, равным разности длин образца после растяжения l и до него l₀ :

Δl=l-l₀ . (4)

Абсолютное удлинение Δl при растяжении положительно, при сжатии отрицательно.

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине образца l₀ называют относительным удлинением ε:

ε=|Δl|/l₀ . (5)

Рис.3

Рис.5

Рис.4

Рис.2

Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости F , возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F, называется механическим напряжением σ:

σ=F/l. (6)

За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па=1 H/м² .

Модуль упругости. Деформация называется упругой, если после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются. Неупругая деформация называется пластической. При малых (упругих) деформациях растяжения и сжатия отношение механического напряжения σ к относительному удлинению ε называется модулем упругости E (модулем Юнга). Эта величина одинакова для образцов любой формы и размеров, изготовленных из данного материала:

E=σ/ε= (Fl₀ )/(|Δl|S). (7)

Модуль упругости E характеризует механические свойства материала независимо от конструкции изготовленных из него деталей. Поскольку относительное удлинение – отвлечённое число, то модуль упругости выражается в тех же единицах, что и механическое напряжение.

Диаграмма растяжения. Зависимость относительного удлинения образца от приложенного к нему напряжения является одной из важнейших характеристик механических свойств твёрдых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси ординат откладывается механическое напряжение σ, приложенное к образцу, а по оси абсцисс – относительное удлинение ε (рис. 6).