13. Деформативные свойства материалов

Деформативные свойства. Силовое воздействие на материал вызывает удаление, сближение или сдвиг атомов. Способность материала восстанавливать форму и объем (твердые материалы) или только объем (жидкие и газообразные материалы) после прекращения действия сил называется упругостью. Для кристаллических материалов упругость вызывается силами притяжения между элементами, образующими пространственную решетку. Раздвинутые под воздействием механических усилий элементы решетки после снятия их стремятся возвратиться в первоначальное положение.

Свойство материала получать значительные упругие деформации под действием сравнительно небольших нагрузок и восстанавливать в основном размеры и форму после разгрузки называется эластичностью. Высокоэластичные материалы (резина, поролон и др.) после снятия нагрузки восстанавливают первоначальные размеры и форму практически мгновенно.

При превышении некоторого предельного значения напряжения, развиваемого в материале, называемого пределом упругости, обнаруживается необратимая (пластическая) деформация. Хрупкие материалы разрушаются, когда напряжение в них не достигает предела упругости.

В упругой области деформация материала пропорциональна действующему напряжению (закон Гука). В соответствии с законом Гука                                                 ^ где а — нормальное напряжение; Е — модуль упругости при растяжении; е — относительное удлинение.

Модуль упругости определяет прочность межатомных связей, он взаимосвязан с рядом механических и физических свойств: прочностью, твердостью, температурой плавления и др. Значения модуля упругости, 1 • 10' МПа: для гранита 30—60; бетона тяжелого 19—40; стекла оконного 48—83; сплавов алюминия 72; чугуна 80—160; стали 200—220.

Материалы, подвергнутые воздействию внешних сил, обладают способностью к самопроизвольному снятию внутренних напряжений. Это объясняется явлением релаксации — постепенным рассеиванием упругой энергии деформированного материала, переходом ее в теплоту. Период релаксации или время, в течение которого упругое напряжение спадает на определенную величину тр, для твердых тел очень велик по сравнению с временем наблюдения, а для жидкостей, наоборот, мал. Его выражают отношением вязкости тела 1] к модулю упругости Е. Под вязкостью (внутренним трением) жидких тел понимают сопротивление их течению, а твердых — сопротивление развитию остаточной деформации под действием внешних сил.

Если время воздействия на жидкость деформирующей силы значительно меньше периода релаксации, то жидкость ведет себя как упругое твердое тело. Можно было бы, например, ходить по воде, не погружаясь в нее, если бы время каждого шага не превышало периода релаксации для воды, который составляет 10~15 с.

Свойством, противоположным упругости, является пластичность—способность материалов изменять под влиянием нагрузки без разрушения форму и размеры и сохранять их после прекращения воздействия нагрузки. Пластичность — важнейшее технологическое свойство, определяющее формуемость материалов. Характерными примерами пластичных материалов являются высококонцентрированные суспензии извести, цемента, гипса, глины и других минеральных веществ в воде, широко применяемых для изготовления строительных изделий. Пластичность таких суспензий тесно связана со свойствами тонких слоев воды, прилегающих к поверхности твердых частиц дисперсной фазы.

При приложении нагрузки выше предела упругости пластические деформации развиваются в некоторых кристаллических (металлы, сплавы и др.) и аморфных (стекло, асфальт и др.) материалах. Пластические деформации кристаллических материалов вызываются сдвигами внутри кристаллов, в результате чего одна часть кристалла перемещается по отношению к другой, изменяет свою форму и вытягивается в направлении деформации. Пластический сдвиг в кристаллах обусловлен перемещением дислокаций.

С повышением температуры пластичность материалов возрастает. Она возрастает также с уменьшением скорости деформирования, с переходом от ковалентной к металлической связи. Для пластичных материалов по мере нагружения наступает период, когда пластические деформации продолжают развиваться несмотря на постоянное напряжение. Наименьшее напряжение, при котором материал деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести. Текучесть — важнейшее свойство структурированных дисперсных систем, таких как цементное тесто, бетонная смесь, битумы, полимеры и др. Вязкость таких систем в отличие от обычных жидкостей редко именяется под действием внешних сил.

Для твердых материалов важным механическим свойством является ползучесть—медленное нарастание во времени пластической деформации материалов при силовых воздействиях, меньших чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию пр-и испытаниях обычной длительности. Скорость ползучести резко уменьшается с понижением температуры и уменьшением напряжения. Деформация ползучести материалов во многих случаях нежелательна, так как она может вызвать, например, увеличенные прогибы. При проектировании конструкций это надо учитывать.