3.6.2. Деформативні властивості

У будівельних виробах та конструкціях матеріали під дією зовнішніх сил зазнають деформації. До основних деформативних властивостей належать: пружність, пластичність, крихкість і таке інше.

Пружність є здатністю твердого тіла деформуватися під дією зовнішніх сил і самочинно відновлювати початкову форму та об’єм після припинення дії навантаження. Початкова форма може відновлюватись повністю або частково при незначних навантаження. Пружну деформацію, яка повністю зникає із зняттям зовнішніх сил, називають оборотною. Для деяких високоеластичних матеріалів (еластомерів), наприклад, каучуку, пружна деформація може перевищувати 100 % через розрив зв’язків уже випрямлених молекул, тобто об’єм матеріалу після зняття навантаження може бути більшим за початковий.

Границя пружності є найбільшим напруженням ( , див. п.2.6.1), при якому залишкові деформації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає оборотних пружних деформацій.

Пластичність є здатністю матеріалу під дією зовнішніх сил змінювати свою форму й розміри без руйнування і зберігати отриману форму й після зняття навантаження (рис. 2.28, п.2.6.1 ). Такі пластичні (залишкові) деформації називають необоротними.

Пластичність деяких матеріалів змінюється при зміні температури: при нагріванні підвищується, при охолодженні знижується. До таких матеріалів належать бітуми, деякі сорти сталі й ряд полімерних матеріалів. Пластичність істотно впливає на технологію виробництва, якість матеріалів та їх експлуатаційні властивості [7].

Крихкість є здатністю матеріалів під впливом зовнішніх навантажень руйнуватися без попередніх пластичних деформації, при досягненні зусилля граничних (руйнівних) значень (точка 2 на рис. 2.28, п.2.6.1).

Ця властивість є протилежною пластичності. Для крихких матеріалів є характерни слабкий опір ударним навантаженням, а також велика розбіжність показників границі міцності при стиску та розтягу. Наприклад, для щільних і міцних кам’яних (природних) матеріалів σ_розт=(1/40...1/60)σ_ст [7]. До крихких матеріалів належать також скло, чавун, бетон і деякі полімерні матеріали.

Крихкість і пластичність матеріалів може змінюватись не тільки при зміні температури, а й при зміні вологості та швидкості наростання навантаження, що діє на них. Наприклад, глина в сухому стані є крихкою, а в зволоженому – пластичною.

Фізико-технологічні проблеми міцності та деформованості матеріалів.

Дослідженнями було встановлено, що при значних деформаціях абсолютне видовження зростає значно швидше, ніж прикладена сила, що й обумовлює відхилення від закону Гука (див. п.2.6.1, рис. 2.28). При деякій цілком визначеній відстані між атомами (молекулами) сила притягання приймає найбільше можливе значення . При подальшому розтягненні тіла сили взаємодії між його атомами різко зменшуються і вже не можуть зрівноважити прикладене навантаження. Тіло при цьому розривається. Для найпростіших іонних кристалів величину напруження , при якому тіло розривається, було вирахувано теоретично. Дослід, однак, показав, що розрив кристала починається при значеннях , десь у 400 разів менших за теоретичні розрахунки. Причина такого різкого зниження міцності реальних тіл порівняно з теоретичною була пояснена А.Ф. Йоффе¹.

З точки зору теорії Йоффе, на поверхні твердого тіла завжди є мікроскопічні тріщинки, неоднорідності та інші дефекти кристалічної решітки (рис. 3.14). Розглянемо таку тріщинку з площею . При розтягуванні з напруженням на долю поверхні тріщинки припадає сила . Як видно з рис. 3.14, сили, прикладені до тріщинки, не зрівноважуються, оскільки діють на різні її поверхні. Таким чином, у країв тріщинки крім напруження діють ще сили , які намагаються розширити тріщинку. Розрахунки показують, що у країв мікроскопічних тріщин можуть виникати дуже значні сили, які призводять до розриву твердого тіла. Тому сучасна технологія обробки деталей машин приділяє велику увагу властивостям поверхонь деталей.

Крім того, за останні десятиріччя в техніці почали широко впроваджуватися органічні аморфні² речовини, побудовані з гігантських молекул з молекулярною вагою порядку 10⁴ – 10⁶ кг/моль, так звані полімери. За деяких умов органічні молекули можуть зв’язуватись одна з одною хімічними валентними силами в довгі ланцюжки або плоскі просторові утворення, тобто полімеризуватись. До таких високо полімерних сполук належать, наприклад, каучук, целюлоза, білки.

Дуже важливою технічною властивістю полімерів є їхня здатність витримувати величезні зворотні видовження (до 100 % від початкового розміру) при порівняно невеликих навантаженнях. Причиною подібної високої еластичної деформації є можливість довгих молекул полімеру згортатись в клубки та розпрямлятись при навантаженні.

Як показав П.П. Кобеко¹, величина пружної деформації залежить від температури та швидкості прикладення навантаження. Із зниженням температури така деформація відтворюється лише при повільному прикладанні навантаження; якщо ж навантаження прикладати досить швидко, то полімери деформуються мало і часто зазнають крихкого зламу.

Багатий арсенал природних та синтетичних органічних з’єднань дозволяє створювати полімери з найрізноманітнішими властивостями. Наприклад, міцність деяких полімерів (в даних інтервалах температур) є набагато більшою за міцність сталі, що дозволяє застосовувати їх в техніці, промисловості та будівництві.