Деформація. Основні види деформації
Основною властивістю всіх реальних тіл є їх здатність деформуватись під дією зовнішніх сил.
Деформація – це відносне зміщення частин тіла при якому не порушується цілісність самого тіла. Деформації поділяються на:
а) пружні, які зникають після зняття навантаження;
б) залишкові (незворотні), які не зникають після зняття навантаження.
Різноманітні деформації твердих тіл можуть бути зведені до п’яти основних типів:
розтяг;
стиск;
зсув;
згин;
кручення.
Деформація розтягу характеризується величиною відносного розтягу, εV:
,
(3.16.)
де: l0 – початкова довжина тіла до розтягу;
l – довжина тіла після розтягу;
Δl – абсолютне видовження.
Деформація стиску характеризується відносним поперечним стиском, εq:
,
(3.17.)
де d0 – поперечний розмір до деформації;
d – поперечний розмір після деформації.
Деформація зсуву визначається величиною відносного зсуву γ, яка дорівнює тангенсові кута зсуву α. При однорідному зсуві величина γ в усіх точках однакова.
εV і εq завжди різні за знаком. Відношення εq/εV = р називається коефіцієнтом Пуасона, який залежить від стану полімерів. При вивченні деформацій приймають, приблизно, що вони однорідні і зводяться до одного із типів елементарних деформацій. Великі деформації є неоднорідними.
Пружна деформація. Пружність
Після припинення сили, якась частинка загальної деформації може бути відновлена. Зворотність деформації є проявом властивості – пружності. Без напруження немає і пружної деформації.
Пружність – властивість речовини, завдяки якій частина деформації, а саме пружна деформація відновлюється при знятті навантаження. Розрізняють два види пружності: потенціальна та кінетична. При деформації потенціально пружного тіла робота напружень накопичується у вигляд потенціальної енергії, яка після зняття напруження повертає тіло у вихідне положення (наприклад, пружність стальної пружини). Кінетичною є пружність газу, яка викликана кінетичною енергією його молекул. Цим видом пружності характеризуються полімерні матеріали.
При малих напруженнях можна вважати деформацію пропорційною напруженню (3.12.):
,
Величина, обернена Е (1/Е) називається податливістю (І). Значення Е для твердих тіл аналогічне значенню в’язкості для оцінки рідин.
Закон Гука показує, що величина деформації пружного тіла пропорційна величині діючих напружень і обернено пропорційна модулю пружності тіла. В координатах γ – τ закон Гука представляє собою рівняння прямої, яка проходить через початок координат з кутовим коефіцієнтом 1/E (рис. 3.4.).
Рис. 3.4. Графічне представлення закону Гука
Якщо в абсолютно пружному тілі деформація зберігається без змін при стаціонарному навантажені, то в рідині деформація і напруження зменшуються з великою швидкістю практично до нуля. При миттєвому навантаженні будь-яка в’язка рідина поводить себе як тверде тіло, а при повільній дії вона встигає релаксувати і поводить себе як рідке тіло. Величина напруження визначається пружною частиною загальної деформації, у в’язкого тіла напруження залежить від швидкості деформації.
Пружна деформація потенціально пружних тіл (метали, мінерали) виникає миттєво при прикладанні напруження і її величина у будь-який момент деформації відповідає величині прикладеного напруження. При знятті напруження деформація миттєво зникає. Деформація полімерних матеріалів з кінетичною пружністю відрізняється від деформації потенціально пружних тіл – якщо прикласти зусилля вона в полімерах виникає не миттєво, а зростає деякий час, поки не досягне величини, яка відповідає прикладеному навантаженню. Після зняття навантаження деформація зникає не миттєво, а протягом певного часу – часу релаксації. Такий вид пружної деформації називається високоеластичною деформацією.
Пружність, в’язкість і пластичність – основні властивості речовини, які визначають в реології.