6.2. Механические свойства материалов и методы их исследования

До сих пор мы рассматривали относительно небольшие деформации, для которых выполняется закон Гука. Рассмотрим теперь особенности, которые появляются при значительных величинах относительной деформации.

Зависимость напряжения от величины деформации

На рисунке 6.8 показана зависимость относительной деформации при растяжении твердых тел от величины механического напряжения.

Рис. 6.8. Зависимость деформации от напряжения - диаграмма растяжения

Наклонный прямолинейный участок ОВ соответствует упругойдеформации, для которой справедлив закон Гука и которая исчезает после снятия нагрузки. Значения ε и σ для точки «В» являются предельными - выше этих значений деформация перестает быть упругой.

Участок BM соответствует пластической деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки.

Вертикальный прямолинейный участок MN соответствуетдеформации текучести, которая возрастает без увеличения напряжения. Напряжение, начиная с которого деформация становится текучей, называется пределом текучести (σ _тек).

Участок NC - деформация перед разрушением. Точка С - предел прочности; σ_пр - механическое напряжение, при котором происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от способа деформирования и свойств материала.

Ползучесть

Пластическая деформация, развивающаяся во времени, называется ползучестью.

Ползучесть - процесс изменения во времени размеров образца под действием постоянной нагрузки.

Ползучести подвержены все кристаллические и аморфные твердые тела при всех видах механических нагрузок. Ползучесть материалов проявляется при температурах, как близких к температуре жидкого

гелия, так и близких к их температуре плавления. Однако с увеличением температуры скорость ползучести растет, что ограничивает долговечность конструкций, работающих при постоянных нагрузках и повышенных температурах.

Исследование ползучести материалов осуществляется посредством метода, в котором к образцу (как правило, в форме стержня) подвешивается груз, под весом которого длина образца увеличивается. Процесс установления размеров образца может продолжаться очень долго. Механическое напряжение σ при этом считается постоянным. Изменение деформации со временем представлено на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Кривая ползучести: σ = const; ε = f(t)

На кривой ползучести можно выделить несколько типичных участков: участок ОА - мгновенная упругая деформация; участок АВ - участок неустановившейся ползучести; ВС - участок установившейся ползучести, где скорость деформации постоянна; CD - участок ускоренной ползучести, где скорость ползучести возрастает; в точке D происходит разрушение.

Релаксация напряжения

С явлением ползучести тесно связано явление релаксации напряжения. Если образец растянуть до некоторой длины (т.е. создать деформацию) и закрепить его в этом положении с помощью динамометров, то с течением времени показания динамометров (пропорциональные механическому напряжению) будут уменьшаться. Происходит явление релаксации (уменьшения, расслабления) напряжения, связанное со взаимными перемещениями макромолекул.

Релаксация напряжения - процесс уменьшения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации.

Изменение напряжения в образце со временем показано на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Релаксация напряжения: ε = const; σ = f(t)

Предел прочности и разрушение

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 максимальное напряжение, при котором образец еще не разрушается.

Предел прочности зависит как от строения вещества, так и от способа деформирования. Например, для бедренной кости человека предел прочности на сжатие равен 170 МПа, на растяжение - 124 МПа.

Определяют предел прочности путем постепенного увеличения механического напряжения вплоть до разрушения.

В табл. 6.2 представлены значения предела прочности некоторых тканей при сжатии.

Разрушение - макроскопическое нарушение сплошности 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 части и более.

В зависимости от того, как протекают эти стадии, различаютпластическое (вязкое) и хрупкое разрушения.

Вязкое разрушение

При этом виде разрушения после завершения упругой и пластической деформаций начинаются необратимые изменения размеров и формы тела, обусловленные зарождением и развитием трещин в наиболее слабом месте. Скорость протекания процесса вязкого разрушения обычно невелика, а сам процесс можно замедлить (остановить), снизив приложенную нагрузку. Когда величина относительного растяжения достигает некоторого критического значения, происходит разрушение (разрыв) стержня.

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);

•  направление механического воздействия.

Повреждения трубчатых костей

Хрупкое разрушение характерно, например, для длинных трубчатых костей. Разрушения таких костей можно рассматривать как разрушения стержня при воздействии нагрузок в продольном или поперечном направлениях.

Продольные нагрузки (сжатие) возникают, например, при падении на кисть вытянутой руки, на руку, согнутую в локтевом

Рис. 6.11. Повреждение нижнего эпифиза бедренной кости вследствие разрывных или сдвиговых деформаций возможно при падении на согнутое колено.

суставе, или на согнутое колено

(рис. 6.11).

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. 6.12) дуги, где сосредоточиваются наибольшие значения растягивающих напряжений.

Другой вид повреждений больших трубчатых костей, сопровождающийся множественными переломами, возникает при ударе тупым предметом (рис. 6.13).

Рис. 6.12. Схема разрушения диафиза длинной трубчатой кости вследствие изгиба:

а, б - векторы внешних усилий, в - сжимающие, г - растягивающие усилия

Рис. 6.13. Схема механизма образования фрагментарного перелома диафиза длинной трубчатой кости с равномерным сечением (а) и с неравномерным сечением (б) при воздействии тупым предметом