Загальні відомості про напруження і деформації 727e43h

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО НАПРУЖЕННЯ І ДЕФОРМАЦІЇ 727e43h

У процесі роботи металеві матеріали і конструкції з  них піддаються різним видам навантаженням, які розрізняються за величиною, характером змін у часі, напрямком  дії і за характером їхнього додатка.

1. Види напружень

За напрямком дії розрізняються розтягуючі, стискуючі, згинаючі, скручуючі і зрізуючі навантаження.

Розтягуючі є рівні  за величиною навантаження, прикладені до центрів ваги кінцевих перерізів  прямолінійного бруса і спрямовані в протилежному один від одного напрямку уздовж поздовжньої осі бруса (рис. 2.1, б).

При прямо протилежному напрямку сил Р навантаження єстискуючими (рис. 2.1, а).

Згинаючі навантаження діють перпендикулярно осі 00 у площині симетрії прямолінійного бруса (рис. 2.1, д). Вигин виникає під дією двох пар сил, розташованих у площині його поздовжньої осі (рис. 2.1, е).

Скручуючі навантаження - пара сил, тобто дві рівні за абсолютним значенням і протилежні за напрямком паралельні сили, що діють у площинах поперечних перерізів стрижня (рис. 2.1, в).

Зрізуючі - це навантаження, що викликають ковзання (зсув) одних частин матеріалу щодо інших у площині перерізу (рис. 2.1, г).

Рис. 2.1. Схема дії стискуючих (а), розтягуючих (б), скручуючих (в), зрізуючих (г) і згинаючих (д, е) навантажень

Напруження - це величина прикладених сил, віднесена до одиниці площі поперечного переріза тіла.

Напруження можуть бути нормальними  і дотичними.

Сила Р, прикладена до деякої площини dS, звичайно не перпендикулярна до неї, а спрямована під деяким кутом, тому в тілі виникають нормальні і дотичні напруження. Якщо напруження діє перпендикулярно до площини перерізу тіла, то воно називається нормальним і позначається літерою s. Напруження, що діє в площині перерізу тіла, називається дотичним і позначається літерою t ( рис. 2.2).

У випадку одноосьового розтягу  напруження обчислюють за формулою:

                                               (2.1)

де Р – сила, кгс (Н);    

S_o – початкова площа поперечного перерізу, мм² (м²);    

s – напруження, кгс/мм² (МПа).

Рис. 2.2. Схема розкладення  напружень на

дотичну і нормальну  складову

Дійсними (робочими) напруженнями називаються ті, які фактично виникають у навантаженому тілі.

Гранично-небезпечні напруження виникають тоді, коли внутрішні сили (сили молекулярної протидії) досягли такої величини, при якій порушується працездатність деталі через появу незворотніх пластичних деформацій (для пластичних металів) або руйнування (для крихких металів).

Допустимі напруження - це напруження, що гарантують нормальну і безпечну роботу деталей і конструкцій, вони в кілька разів менше гранично-небезпечних напружень і характеризуються нормативним коефіцієнтом запасу міцності.

2. Види деформацій

Прикладені до тіла зовнішні сили викликають деформацію.

Деформація - це зміна форми й розмірів тіла (або частини тіла) під дією зовнішніх сил, при зміні температури, вологості, фазових перетвореннях і інших впливах, що викликають зміну положення частин тіла.

На появу того або  іншого виду деформації великий вплив має  характер прикладених до тіла навантажень. Одні процеси деформації пов'язані з переважною дією дотичної складової напруження, інші - з дією його нормальної складової (рис. 2.2).

У твердих тілах розрізняють  два основних види деформацій  - пружну і пластичну, фізична сутність яких різна.

Вплив пружної (зворотньої) деформації на форму, структуру і  властивості тіла повністю усувається після припинення дії сил, що її  викликали, тому що під дією прикладених сил відбувається тільки незначний зсув атомів або поворот блоків кристалу. При зсуві атомів з положення рівноваги порушується баланс сил притягання і електростатичного відштовхування. Тому після зняття навантаження зміщені атоми під дією сил притягання або відштовхування повертаються у вихідний рівноважний стан і кристали здобувають свою первинну форму і розміри.

Процес деформації під  дією поступово зростаючого навантаження складається із трьох стадій, що послідовно накладаються одна на іншу (рис. 2.3).

Навіть незначне напруження викликає пружну деформацію і у чистому виді спостерігається тільки при напруженнях до точки А. Пружна деформація характеризується прямо пропорційною залежністю від напруження і пружною зміною розмірів міжатомних відстаней.

При збільшенні величини напружень (вище точки А) починається пластична деформація в окремих зернах металу.

Подальше зростання напружень  викликає збільшення пружної і пластичної (залишкової) деформації (ділянка АВ пружно-пластичних деформацій).

При досягненні напруження так званої межі або порога пружності (біля точки А) деформація стає зворотньою.

Рис. 2.3. Схема процесу  деформації матеріалу

Пластична (залишкова, зворотня) деформація, що залишається після зняття навантаження, пов'язана з переміщенням атомів у середині кристалів на відносно більші відстані і викликає залишкові  зміни форми, структури і властивостей без макроскопічних порушень суцільності металу. Пластична деформація в кристалах може здійснюватися ковзанням і двійникуванням.

Ковзання – це зсув окремих частин кристалу (однієї частини щодо іншої), що відбувається під дією дотичних напружень, коли ці напруження в площині і напрямку ковзання досягають певної критичної величини t_кр. (рис. 2.4, а).

Двійникування - це перебудова при деформації частини кристала в нове положення, дзеркально симетричне до недеформованої частини кристалу щодо площини, яка зветься площиною двійникування ММ (рис. 2.4, б).

Рис. 2.4. Схема деформації: а - ковзання; б - двійникування

В обох випадках пластична  деформація відбувається по певних площинах і напрямкам у кристалічних решітках.

Ковзання (зрушення) у  кристалічних решітках протікає по кристалічним площинам і кристалографічним напрямкам, що найбільш щільно заповнені (упаковані) атомами, де величина опору зрушенню  t_кр  найменша. Це пояснюється тим, що відстань між сусідніми атомними площинами найбільша, а зв'язок між ними найменший.

Під впливом зростання  напруження до певної величини виникає  така залишкова деформація, при якій утворюються місцеві тріщини, а  потім повне поділення тіла на частини, тобто руйнування матеріалу.

Розрізняють крихке і в¢язке руйнування.

Крихке руйнування протікає під впливом головним чином нормальних розтягуючих напружень і зводиться  до порушення міжатомних зв'язків, що приводить до розділення тіла на частини. При цьому пластична деформація мала і руйнування відбувається по границях зерен (інтеркристалітне руйнування), а метал має блискучий кристалічний злам. В окремих випадках крихке  руйнування може проходити по тілу зерна (транскристалітне руйнування).

В¢язке  руйнування протікає під впливом дотичних напружень, при цьому проходе значна пластична деформація, а потім має місце розділення тіла на частини. Злам у цьому випадку матовий волокнистий, тому що руйнування відбувається в результаті зрізу у середині зерен.

В дійсності ж руйнування тіла відбувається не в результаті чистого відриву або зрізу, а від складного сполучення цих двох видів руйнування. Характер руйнування визначається візуально (за видом зламу). Аналіз виду зламу є важливим методом для з'ясування причини руйнування деталей.

3. Залишкові напруження

Тіло під дією зовнішніх  сил деформується і приходить  у напружений стан. Якщо деформація матеріалу відбувається в пружній  області, то після усунення зовнішнього  навантаження напруженість тіла зникає. Якщо ж під дією зовнішніх навантажень спостерігається не тільки пружна, але і пластична деформація, то після усунення зовнішнього навантаження в тілі збережеться залишкова напруженість.

Причиною створення залишкових напружень завжди є неоднорідність розподілу пластичної деформації по об¢єму тіла. У полікристалічному тілі через хаотичне орієнтування окремих зерен  пластична деформація по всьому обсязі тіла неоднорідна. Навіть у найпростішому випадку осьового розтягання циліндричного зразка суміжні зерна металу одержують неоднакові за величиною і за напрямком пластичні деформації. Це служить причиною виникнення залишкових напружень після усунення навантаження.

Розрізняють:

а) залишкові напруження I роду - напруження, що виникають між великими зонами тіла (у межах макроскопічних об¢ємів);

б) залишкові напруження II роду - напруження, що виникають між суміжними зернами і у середині зерен (у межах мікроскопічних об¢ємів тіла);

в) залишкові напруження III роду - напруження, що виникають у середині об¢єму, який містить усього лише кілька комірок кристалічної решітки.

До якої б групи не відносилися  залишкові напруження, вони мають  одну і ту ж природу. При всякому  спотворенні правильності кристалічних решіток зерен полікристалів створюється напружений стан. Очевидно, якщо після усунення зовнішнього навантаження комірка кристалічної решітки не може повернутися в початковий рівноважний стан, то в ній створюється залишкова напруженість. Ця напруженість, підсумовуючись в межах декількох кристалічних комірок, складає третю групу залишкових напружень, в межах декількох зерен – другу групу і, нарешті, в межах макрооб'єму – першу групу залишкових напружень.

Основним методом вивчення залишкових напружень є рентгенографічний, дозволяючий оцінювати ступінь  спотворення кристалічних решіток  зерен металу, і по ній давати кількісну оцінку залишкової напруженості.

Макроскопічний розподіл залишкових напружень (напружень I роду) піддається вивченню механічними методами.