11.2. Виды деформации
Зависимость механического напряжения от относительной деформации для твердых тел при растяжении представлена на рис. 11.7.
Участок ОВ соответствует упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки.
Точка В — предел упругости о — напряжение, ниже которого деформация сохраняет упругий характер (т. е. справедлив закон Гука).
Участок ВМ соответствует пластической деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки.
Участок MN соответствует деформации текучести, которая возрастает без увеличения напряжения. Напряжение, начиная с которого деформация становится текучей, называется пределом текучести.
Точка С — предел прочности сп — механическое напряжение, при котором происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от способа деформирования и свойств материала.
В области упругих деформаций (линейная область) связь между механическим напряжением и деформацией описывается законом Гука (11.2).
11.3. Прочность
Прочность — способность тел выдерживать без разрушения приложенную к ним нагрузку.
Прочность обычно характеризуют величиной предельного напряжения, вызывающего разрушение тела при данном способе деформирования.
Предел прочности — это предельное напряжение, при котором образец разрушается.
При различных способах деформирования значения предела прочности отличаются.
Ниже (табл. 11.2) это показано на примере бедренной кости некоторых биологических объектов.
Разные ткани одного органа имеют разные пределы прочности. В табл. 11.3 приведены характеристики тканей различных органов.
11.4. Твердость
Одним из важных показателей многих материалов является их твердость. Под твердостью понимают разнообразные характеристики сопротивляемости материала местной, сосредоточенной в небольшом объеме деформации на его внешней поверхности или на поверхности его разреза.
Твердость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела — индентора.
Используются различные методы измерения твердости, основанные на определении размеров лунок, получаемых при вдавливании в поверхность испытуемого образца одного из следующих тел-инденторов:
алмазного конуса (твердость по Роквеллеру, HJ;
трех- или четырехгранной призмы (твердость по Виккерсу, Hv);
стального шарика (твердость по Бринеллю Нв).
В первом методе твердость определяется величиной, связанной с осевым перемещением наконечника конуса при заданной нагрузке. В последних двух методах мерой твердости служит величина, определяемая отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка.
В табл. 11.4 приведены значения твердости для тканей челюстных костей и зубов.
11.5. Разрушение
Разрушение — макроскопическое нарушение целостности тела (материала) в результате механических или каких-либо иных воздействий.
В процессе разрушения тела можно выделить две стадии: начальную — развитие пор, трещин и конечную — разделение тела на две, три и более частей.
В зависимости от того, как протекают эти стадии, различают хрупкое и пластическое (вязкое) разрушения.
Рассмотрим, как происходит разрушение однородного стержня при его растяжении. Пусть один конец стержня закреплен, а к другому приложена продольная растягивающая сила, величину которой постепенно увеличивают. Эта сила вызывает относительное удлинение стержня (е), в результате которого в материале возникает механическое напряжение (а). На рис. 11.8 показано, как изменяется величина механического напряжения в зависимости от величины относительного удлинения при вязком (/) и хрупком (2) разрушениях.
Вязкое разрушение
Прямолинейный участок на диаграмме соответствует упругой деформации, при которой напряжение в материале возрастает пропорционально величине относительного удлинения. Затем начинается
Хрупкое разрушение
Это разрушение начинается практически сразу после завершения упругой деформации (прямолинейный участок) и характеризуется высокой скоростью протекания процесса. Зародившаяся трещина довольно быстро достигает критического размера, после чего происходит ее стремительное самопроизвольное распространение, завершающееся разрушением.
Основными факторами, определяющими характер процесса разрушения, являются:
свойства материала и состояние вещества (структура вещества, температура, влажность и т. п.);
свойства объекта (конструкционные особенности, размеры, форма, качество поверхности);
динамика силового воздействия (скорость нагружения).
Трещины
При разрушении однородных тел процесс образования и развития трещины зависит от типа деформации. Схема основных частей трещины и их различные типы представлены на рис. 11.9,11.10.
Для наглядности в вершине трещины (рис. 11.10) помещена трехмерная система координат. Если деформация определяется силами, ориентированными по направлению ОУ, то края трещины симметрично расходятся в противоположных направлениях (I тип).
Если края трещины и ее поверхности скользят друг по другу в направлении ОХ (поперек фронта трещины), то возникают деформации поперечного сдвига (II тип).
В случае, когда края и поверхность трещины движутся относительно друг друга в направлении OZ (т. е. вдоль фронта трещины,
параллельно ему) формируются деформации продольного сдвига (III тип).
Зарождение трещины и ее рост приводят к изменению конструкционных качеств деформируемого тела и могут закончится разрушением тела.
Ниже для примера рассмотрены повреждения, характерные для длинных трубчатых костей. Разрушения таких костей можно
Продольные нагрузки (сжатие) возникают, например, при падении на кисть вытянутой руки, на руку, согнутую в локтевом суставе или на согнутое колено (рис. 11.11).
В спортивной практике часто имеет место повреждение костей вследствие их изгиба под влиянием внешнего воздействия. Зона начала разрушения диафиза длинной трубчатой кости при изгибе располагается на выпуклой стороне (рис. 11.12.) дуги, где сосредотачиваются наибольшие значения растягивающих напряжений.
Другой вид повреждений больших трубчатых костей, сопровождающийся множественными переломами, возникает при ударе тупым предметом (рис. 11.13).