Краткие теоретические сведения. Напряжения и деформации.Поведение металлов под действием внешних нагрузок

Напряжения и деформации. Поведение металлов под действием внешних нагрузок характеризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставляемую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металлов в заводских и лабораторных условиях.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил.

Действие силы вызывает деформацию твердого тела, и в нем возникают напряжения. Деформация - это изменение форм и размеров тела под действием внешних сил. Напряжение является предельной величиной и в простейшем случае осевого растяжения стержня (рис.2.1 а) определяется как отношение силы, действующей на число, к площади его сечения:

. (1)

где S-напряжении в сечении площадью F, перпендикулярно оси образца, вдоль которой действует сила Р.

В системе СИ напряжения выражаются в Н/мм² или МН/м², т.е. МПа. На практике ранее использовалась размерность кгс/мм² (1 кгс/мм² = 9,81 МПа).

В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки, на которую она действует. Тогда ее, как и любой вектор, можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение, и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательное напряжение (рис.2.1 б).

В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют при определении усилий, необходимых для обработки металлов давлением, и при расчетах на прочность. Это связано с тем, что одни процессы при деформации и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза), а другие - нормальными (разрушение отрывом).

Из рис. 2.1.б следует, что полное напряжение S_n, действующего в заштрихованном сечении площадью F_α, нормаль к которому образует угол а с направлением внешней силы Р, равно

.

Поскольку (F_o- площадь сечения, перпендикулярного оси растяжения), то

Тогда нормальное напряжение в сечении F_α (2)

а касательное

(3)

Из уравнений (2) и (3) следует, что при осевом растяжении, максимальные нормальные растяжения возникают при α=0, т.е. в площадках перпендикулярных оси растяжения, а касательные напряжения достигают наибольших значений при α= 45°.

Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Напряжения, которыми оперируют в механических испытаниях, могут быть истинными и условными. Известно, что в процессе деформации величина площадки, на которой действуют напряжения (площадь сечения образца), меняется. Если эти изменения не учитывают и напряжение и рассчитывают как отношение нагрузки в данный момент к исходной площади сечения, то такое напряжение называют условным. Если же относят силу к величине фактического сечения в данный момент деформации, то получают истинное напряжение. Физический смысл имеют только истинные напряжения, на практике часто более удобно пользоваться условными.

Истинные напряжения обозначаются символами S (нормальные) и t (касательные), а условные – σ и τ соответственно.

Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться формы и размеры тела.

Упругой (обратимой) деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил.

Рис. 2.1. Образование нормальных σ и касательных τ напряжений в случае приложения силы Р к площадке F:

Дата добавления: 2015-09-05