головна сторінка головна сторінка головна сторінка головна сторінка

Опір матеріалів

Наука и техника
 
ru - ua - en - fr - by - de - es

Опір матеріалівКолись будівельники зводили несучі конструкції навмання, що часом мало катастрофічні наслідки. Сьогодні знання опору матеріалів дозволяє будувати економічні й надійні спорудження

У хмарочоса й сплетеної павуком павутини багато загального. В обох випадках створюється каркас із дуже міцних матеріалів, що забезпечує міцність усього спорудження. Каркас хмарочоса складається зі сталевих балок, а павутина плететься із ще більш міцного матеріалу - шовку. Це означає, що павукова нитка може витримати більша вага, чому сталева нитка тієї ж товщини


Навантаження

Підвішений на дроті вантаж створює спрямовану вниз силу щодо площі її поперечного переріза. Величина прикладеної сили, розділена на площу її додатка, називається навантаженням

Більший вантаж створює більшу спрямовану вниз силу, тому навантаження на дріт того ж перетину буде більше. Величина навантаження також буде більшої, якщо рівний вантаж підвішений на більш тонкому дроті, тому що створювана їм сила діє на меншу площу поперечного переріза. При порівнянні опору матеріалів важливо знати, яке навантаження вони можуть витримати до моменту залишкової деформації або розриву

Існує три види напруг, випробовуваних матеріалами. Розтяжне зусилля розтягує матеріал і виникає, наприклад, при підвішуванні до нього вантажу. Напруга стиску здавлює матеріал (ніжки стола під вагою предметів, що перебувають на ньому). Напруга зрушення впливає на матеріал і згинає його (трамплін для стрибків у воду під вагою вартого на ньому людину).


Відносна деформація

Це рівномірна деформація, або зміна розмірів матеріалу під впливом навантаження. Припустимо, що дріт довжиною 4000 див розтягується на 2 див при підвішуванні до неї вантажу. У цьому випадку відносна деформація являє собою пропорційну зміну довжини й становить 2 : 4000 = 0,0005.


Пружність

Якщо поступово збільшувати навантаження на матеріал, починаючи з нуля, те спочатку виникле напруга росте пропорційно. Якщо забрати вантаж, матеріал повернеться до своїх первісних розмірів. Це явище називається пружністю. Але якщо продовжувати навантажувати дріт, то вона, при досягненні певної величини навантаження, уже не буде вертатися до вихідних розмірів. Ця величина називається межею пружності дроту. У цьому випадку дріт зазнає діям пластичної деформації й буде тепер постійно подовжуватися зі збільшенням навантаження

Подальше збільшення навантаження в остаточному підсумку приведе до розриву матеріалу. Пластичні матеріали (наприклад, мідь) перед розривом сильно деформуються, а тендітні (скажемо, чавун) при поступовім збільшенні навантаження в якийсь момент рвуться зовсім раптово.


Бетон

Не завжди матеріали однаково добре витримують різні види напруг. Наприклад, бетон має більшу міцність на стиск, але відносно малу міцність на розтягання. Тому бетон часто армують сталевими стрижнями для збільшення його міцності на розрив. Попередньо напружений бетон - це поліпшений вид залізобетону. Спочатку сталеві арматурні стрижні піддають розтяганню, а потім заливають бетоном. Після схоплювання бетону стрижні вже не випробовують розтягувального напруги й прагнуть відновити свою початкову довжину. Але це неможливо, тому що вони міцно умуровані в бетон і викликають у ньому величезна стискаюча напруга. При використанні даного матеріалу, будь-які зусилля, що прагнуть розірвати бетон, повинні спочатку подолати сили стиску в сталевих стрижнях. От чому попередньо напружений бетон має велику міцність на розрив і стиск

Для зміцнення деяких видів бетону застосовують метод наступного напруги з натягом арматур. Сталеві стрижні вставляють в отвори в монолітних бетонних блоках і піддають їхньому розтяганню. Як і в попередньому випадку, стрижні створюють у бетоні сильна стискаюча напругу й надають йому більшу міцність на розрив


Композиційні матеріали

Такі матеріали складаються із двох і більш різних матеріалів, при цьому кінцевий продукт має кращі властивості, що кожний з його компонентів. У багатьох випадках таким шляхом домагаються підвищення міцності. Прикладом композиційного матеріалу може служити залізобетон. На більш низькому рівні, тонкі волокна різних матеріалів з високою міцністю на розрив додають до матеріалів, здатних витримувати більші стискаючі навантаження. Скловолокно в комбінації з павутинним шовком має набагато більшу міцність на розрив, чому кращі сорти стали. Але, на жаль, найменша поверхнева подряпина приводить до утвору тріщини навіть при відносно малих навантаженнях. Тому, щоб використовувати переваги скловолокна, його додають до эпоксидной і поліефірній смолі, яка захищає волокна від подряпин і зберігає їхню високу міцність на розрив.


Вуглець і кераміка

Для цієї мети використовуються волокна й інших матеріалів, включаючи вуглець ( у вигляді графіту), а також багато видів міцних, твердих керамічних матеріалів, таких як карбід кремнію, карбід бору й окис алюмінію. Але не всі матеріали такого роду одержують штучним шляхом. Наприклад, деревина - природний композиційний матеріал, що полягає з міцних гнучких волокон целюлози, що зв'язуються більш твердою й тендітною речовиною - лігніном.


Структура матеріалів

Міцність матеріалу залежить від його внутрішньої структури - розташування в ньому атомів або молекул. Усі тверді метали й більшість інших твердих матеріалів мають кристалічну структуру, у якій атоми й молекули розташовані в правильному порядку. Розташування цих часток і зв'язки між ними визначають міцність матеріалу. Наприклад, гума складається з ланцюжків молекул. У процесі вулканізації сірка з'єднується з ланцюжками молекул гуми, розташовуючи їх поруч один з одним. Відбувається так зване "хімічне зшивання", у результаті чого гума стає міцніше.


Дислокація

Коли метал зазнає напрузі без перевищення його межі пружності, він розтягується, тому що атоми небагато "розсовуються". При знятті напруги атоми металу займають свої споконвічні позиції, внаслідок чого метал стискується. Якщо напруга вище межі пружності, деякі метали зберігають нову форму після його зняття. Це відбувається тому, що в структурі кристалів таких металів присутні численні дефекти - дислокації. Одні кристали можуть мати зайвий атом, а в інших одного атома може не вистачати. Такі дислокації утворюються при остиганні й кристалізації розплавленого металу. Вони можуть також формуватися, коли метал зазнає механічній напрузі, і він деформується при меншій напрузі. Напруги вище межі пружності змушують атомні площини сковзати поверх один одного. Чим більше дислокацій, тем легше, не руйнуючи метал, надавати йому потрібну форму шляхом кування, прокатки або протягання (розтяжки). При деформуванні металу дислокації в ньому переміщаються уздовж границь площин ковзних атомів. Якщо перешкоджати руху дислокацій, метал стане твердіше й міцніше.


Кристалічна структура

Існує кілька способів перешкоджання такому переміщенню. Один з них полягає в контролюванні процесу затвердіння при виготовленні для того, щоб одержати метал, що полягає з відносно великої кількості малих кристалів. Чим більше кристалів, тим більше границь роздягнула між ними, що перешкоджають переміщенню дислокацій у металі. Інший спосіб блокування руху дислокацій пов'язаний з додаванням атомів іншого металу. От чому сплав із двох і більш металів твердіше й міцніше, чому окремо взяті метали, з яких він полягає

Можна також за допомогою напруг створити така кількість дислокацій у металі, при якім вони самі будуть заважати один одному переміщатися. Такого механічного зміцнення (називаного також "наклеп") можна добитися й за допомогою напруг, що виникають у процесі звичайної металообробки


Утома металу

Утома металу може виникнути, якщо металеву деталь піддати певному навантаженню протягом тривалого періоду часу, або у випадку численних змін сили напруги. Дислокації переміщаються в напружену зону й перешкоджають руху один одного. У результаті метал стає тендітним, і утворюється тріщина, яка може поширитися по всій товщині деталі аж до її кінцевого розламу. Щоб уникнути нещасних випадків, вузли й деталі літаків регулярно перевіряють на утому за допомогою т.зв. неруйнуючого контролю.

Rambler's Top100