Общие сведенья о напряжениях и деформациях

В процессе работы изделия и узлы подвергаются различным силовым воздействиям (нагрузкам). Нагрузки различаются по величине, характеру изменений во времени, направлению действия и по характеру приложения к телу.

По характеру изменений во времени нагрузки могут быть статическими, динамическими и повторно-переменными.

Статическаянагрузка – это однократно приложенная нагрузка, плавно и относительно медленно возрастающая от нуля до своей максимальной величины. Статические нагрузки подразделяются на постоянные и временные, последствия могут быть подвижными и неподвижными.

Динамическая(ударная)нагрузка – это однократно приложенная нагрузка, действующая на материал резко и с большой скоростью возрастающая от нуля до своей максимальной величины.

Повторно-переменнаянагрузка – это нагрузка, многократно прикладываемая к материалу, причем скорости возрастания и убывания нагрузки могут быть различными.

По направлению действия различаются растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие нагрузки.

Растягивающимиявляются равные по величине нагрузки, приложенные к центрам тяжести концевых сечений прямолинейного бруса и направленные в противоположные друг от друга стороны вдоль главной оси бруса (рис. 1, б).

При прямо противоположном направлении сил Р нагрузки являются сжимающими(рис. 1, а).

Изгибающие нагрузки действуют перпендикулярно оси ОО в плоскости симметрии прямолинейного бруса (рис. 1, д). Изгиб возникает также, если брус находится под действием двух пар сил, расположенных в плоскости его продольной оси (рис. 1, е).

Скручивающие нагрузки – пара сил, т.е. две равные по абсолютному значению и противоположные по направлению параллельные силы, действуют в плоскостях поперечных сечений стержня (рис. 1, в).

Срезывающие – это нагрузки, вызывающие скольжение (сдвиг) одних плоскостей материала относительно других в плоскости сечения (рис. 1, г).

Рис.1. Схема действия сжимающих (а), растягивающих (б), скручивающих (в), срезывающих (г) и изгибающих (д,е) нагрузок

По характеру приложения к телу нагрузки могут быть сосредоточенными и распределенными. Кроме того нагрузки могут быть объемные - распределенные по объему (объемный вес), поверхностные – распределенные по поверхности и линейно распределенные – по заданной линии.

Сосредоточенныенагрузки прилагаются к очень малой площадке (точке).

Распределенныенагрузки прилагаются ко всей поверхности или части ее. Распределенная нагрузка постоянной интенсивности называется равномернораспределенной, а нагрузка, точки приложения которой заполняют всю площадь, – сплошной нагрузкой.

Под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и др.) и различных внутренних физико-механических процессов в теле возникают внутренние механические силы (внутренние силы упругости). Внутренние силы, возникающие между частицами тела, оказывают сопротивление деформации.

Величины внутренних сил упругости, действующих в изделиях, измеряются напряжениями. Эти напряжения зависят от величины приложенных к телу сил (чем больше приложенные силы, тем большие возникают напряжения) и от размеров тела (чем больше поперечное сечение тела, тем меньшее напряжение в нем возникает при приложении сил той же величины).

Напряжение – это величина внутренних сил упругости, отнесенная к единице площади поперечного сечения тела.

Напряжения могут быть нормальными и касательными.

Сила Р, приложенная к некоторой площадке dF, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом α, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Если напряжение действует перпендикулярно плоскости сечения тела, то оно называется нормальным и обозначается буквой σ. Напряжение, действующее в плоскости сечения тела, называется касательным и обозначается буквой τ (рис. 2.). В зависимости от вида деформации к этим буквам добавляют индексы: р – при растяжении, с – при сжатии, ср – при среде или сдвиге, к – при кручении, и – при изгибе.

Рис. 2. Схема разложения напряжений на касательную и нормальную составляющие.

Действительными (рабочими) напряжениями считаются те, которые фактически будут иметь место.

Предельно - опасные напряжения возникают тогда, когда внутренние силы (силы молекулярного противодействия) достигли такой величины, при которой нарушается работоспособность детали в силу появления необратимых пластических деформаций (для пластичных деталей) либо разрушения (для хрупких материалов).

Допускаемыенапряжения – это напряжения, обеспечивающие нормальную и безопасную работу изделий и узлов, они в несколько раз меньше предельно опасных напряжений и характеризуются нормативными коэффициентами запаса прочности [n].

Таким образом, прочность любой детали обеспечена, если действительные напряжения меньше или равны допускаемым напряжениям.

Различают напряжения, возникающие под действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах данного тела без действия внешней нагрузки.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций по объему тела. Тепловыевнутренние напряжения возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металлов из-за неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев, фазовые или структурные – в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д.

Приложение к телу внешние силы вызывают деформации.

Деформация – это изменение формы и размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела.

На появление того или иного вида деформации большое влияние оказывает характер приложенных к телу напряжений. Одни процессы деформации связаны с преобладающим действием касательной составляющей напряжения, другие – с действием его нормальной составляющей (см. рис. 2).

В твердых телах различают два основных вида деформаций – упругую и пластическую, физическая сущность которых различна.

Влияние упругой (обратимой) деформации на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия вызывающих ее сил (нагрузок), так как под действием приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. Поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы под действием сил притяжения и отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса деформации металла.

Даже незначительное по величине приложенное напряжение вызывает упругую деформацию и в чистом виде наблюдается только при напряжениях до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от напряжения и упругим изменением размеров междуатомных расстояний.

При некоторых значениях (выше точки А) начинается пластическая деформация в отдельных зернах металла.

Дальнейшее увеличение напряжений вызывает увеличение упругой и пластической (остаточной) деформации (участок АВ упруго-пластических деформаций).

При достижении напряжениями так называемого предела порога упругости (около точки А) деформация становиться необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластическая часть остается.

Пластическая (остаточная, необратимая) деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств без макроскопических нарушений формы материала. Пластическая деформация в металлах может осуществляться скольжением и двойникованием.

Скольжение – это смещение отдельных частей кристалла (одной части относительно другой) происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и направлении скольжения достигают определенной критической величины τ_к.

Двойникование – это перестройка при деформации части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к недеформированной части кристалла относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.