Механические свойства твёрдых тел

Твёрдые тела способны сохранять форму и объём. Механические свойства твёрдых тел обусловлены их структурой. Нагревание (охлаждение), а также внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению формы и объёма, т.е. к деформации.

Деформация – это изменение формы или размера твёрдого тела.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы. Упруго деформируются сталь, резина, сухожилия и т.д. Упругость – свойство тел восстанавливать свои размеры, форму, объём после снятия внешней нагрузки.

Пластическая деформация - деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. Возникает из-за необратимых изменений, происходящих в кристаллической решётке твёрдого тела. Пластичными являются свинец, алюминий, воск, пластилин и т.д. Пластичность – свойство тел при незначительных нагрузках испытывать остаточные деформации. Важными механическими свойствами твёрдых тел, которые приходится учитывать в машиностроении, являются хрупкость и твёрдость. Хрупкость – свойство тел разрушаться при небольших деформациях. Хрупкие материалы (стекло, кирпич, керамика, чугун, мрамор) при относительно небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении внешней нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится пластическая деформация. Твёрдость материала характеризуется тем, что он может оставлять царапины на поверхности другого материала. Наиболее твёрдым материалом является алмаз, довольно большой твёрдостью обладают рубин, агат, твёрдая сталь.

Твёрдые тела могут испытывать такие виды деформаций:

1. растяжение (тросы, цепи);

2. сжатие (колонны, стены);

3. сдвиг (болты, заклёпки);

4. кручение (гайки, валы, оси);

5. изгиб (мосты, балки).

Для характеристики упругих свойств тела используется величина – механическое напряжение ( – величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела:

Закон Гука: при упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела

– модуль упругости (модуль Юнга) характеризует сопротивляемость материала упругой деформации - относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине: .

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины тела составляет его абсолютное удлинение .

, где – конечная длина (после деформации).

При растяжении

При сжатии

Сравнивая два вида закона Гука (в механике ), получаем:

Коэффициент упругости (жесткость материала) прямо пропорционален произведению модуля Юнга на площадь поперечного сечения и обратно пропорционален его длине.

Предел упругости – максимальное механическое напряжение в материале, при котором деформация ещё является упругой.

Прочность материала – это его свойство выдерживать действия внешних сил без разрушения. Предел прочности – механическое напряжение, которому соответствует наибольшая выдерживаемая телом нагрузка перед разрушением его кристаллической структуры. Запас прочности (коэффициент безопасности) – число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения. Пределы прочности зависят от свойств материалов. Запас прочности зависит от характера нагрузки, условий использования материала и др. факторов.