§ 13. Упругие свойства материалов

Упругий элемент гравиметра должен отвечать следующим требованиям:

1. Постоянство упругих свойств во времени.

2. Линейная зависимость деформации от величины нагрузки.

3. Неизменность упругих свойств от температуры.

При малых деформациях соблюдается закон Гука: величина деформации пропорциональна приложенной силе. Закон Гука справедлив в определенных пределах деформаций.

О А - участок упругих обратимых деформаций,

АВ - участок упругих и частично пластических деформаций,

ВС - участок пластических деформаций,

CD - участок разрушения материала.

За точкой D происходит разрыв материала.

Упругие элементы гравиметра должны работать в пределах области ОА, т.е. в пределах участка пропорциональности.

Каждый материал характеризуется своей диаграммой деформаций. Плавленый кварц имеет диаграмму, на которой точка D расположена левее точки В, т. е. пределы прочности и упругости совпадают.

Упругая деформация зависит от времени. Это проявляется в

упругом последействии, ползучести, упругом гистерезисе.

Упругое последействие заключается в том, что после приложения внешней силы деформация принимает своё конечное значение не сразу, а приближается к нему асимптотически в течение некоторого времени.

Д ля уменьшения упругого последействия стремятся к тому, чтобы пружины гравиметров всё время находились в состоянии, близком к рабочему. В связи с этим в кварцевых гравиметрах не делают ареттирного устройства, а в металлических гравиметрах система остается в напряженном состоянии и в заареттированом положении.

Ползучесть представляет собой процесс малой непрерывной пластической деформации при длительно действующей нагрузке. Она связана с необратимыми структурными изменениями материала. Ползучесть развивается следующим образом.

Три этапа ползучести:

1. Ползучесть большая, но постепенно затухает. 2. Ползучесть мала и стабильна. 3. Ползучесть велика - материал разрушается.

Системы гравиметров подвергаются искусственному старению таким образом, чтобы они работали на втором этапе ползучести.

Упругий гистерезис заключается в том, что величина де формации зависит в данный момент не только от действующей нагрузки, но и от нагрузки, действовавшей в предшествующий момент времени. Ниже на рисунке изображена петля упругого гистерезиса.

Все эти явления, характеризующие отклонения от закона Гука, называются несовершенствами упругости. Они резко усиливаются при повышении температуры.

Рассмотрим влияние температуры, которая оказывает наибольшее действие на упругие параметры материалов. С изменением температуры изменяются упругие свойства и линейные размеры системы. Линейные размеры изменяются под действием температуры по закону L = L₀(1 + αt), где L₀ - длина элемента при 0°С, α - коэффициент линейного расширения.

При значительных изменениях температуры коэффициент α в свою очередь тоже подвержен изменению. Упругие постоянные - модуль Юнга Е и модуль сдвига G также являются функциями температуры E = E₀(l + εt); G = G₀(l + γt).

При этом термоэластические коэффициенты ε и γ тоже зависят от температуры.

Наилучшими упругими характеристиками из всех существующих материалов обладают плавленный (или аморфный) кварц и некоторые специальные гравиметровые стали, являющиеся железо-никелевыми сплавами с малыми примесями других элементов, прошедшими специальную холодную обработку и закалку. Гравиметры имеют системы с пружинами как из металла, так и из кварца. В России предпочтение отдается плавленному кварцу.

Описанные выше несовершенства упругости приводят к тому, что отсчёт на гравиметре с течением времени изменяется, т. е. происходит смещение или дрейф нуль - пункта гравиметра. Характер этого смещения является основным показателем для оценки качества прибора. Если смещение невелико и происходит равномерно, то гравиметр считается пригодным к работе. В лучших приборах дрейф нуль - пункта составляет несколько сотых долей миллигала в час.