Деформация — это изменение формы или размера тела в результате воздействия внешних сил. В механике деформации могут быть как упругими, так и пластическими, в зависимости от величины и природы воздействия. Деформации бывают различного рода в зависимости от характера изменений, направленности воздействия и структуры материала. Рассмотрим основные виды деформаций подробно.
1. Виды деформаций по характеру изменения формы:
a) Упругие деформации
Упругие деформации возникают, когда материал возвращается в свою первоначальную форму после прекращения воздействия внешней силы. Это временные изменения, и они происходят в пределах упругости материала (модуль Юнга). Пример: растяжение или сжатие пружины.
b) Пластические деформации
Пластические деформации происходят, когда материал не восстанавливает свою исходную форму после снятия внешней нагрузки, и его структура изменяется. Эти деформации связаны с перераспределением частиц материала, и они могут быть как обратимыми (в пределах текучести), так и необратимыми (например, при разрушении).
c) Реологические деформации
Это деформации, при которых материал ведет себя как вязкоупругий или вязкопластичный, т.е. демонстрирует черты и упругости, и текучести. К этому виду относятся деформации, возникающие в таких материалах, как гели, пластилин, битум и в некоторых металлических сплавах при высокой температуре.
2. Виды деформаций по характеру напряжений:
a) Сжимающие деформации (сжатие)
Происходят, когда внешняя сила действует на материал в направлении, сокращающем его объем или длину. Этот тип деформации характерен для таких материалов, как металлы, камни, бетон и т.д., при их сжатии под воздействием внешнего давления.
b) Тянущие деформации (растяжение)
Возникают, когда внешняя сила действует на материал в направлении, растягивающем его, увеличивая длину или объем. Например, когда растягивается металлическая проволока под действием растягивающей силы.
c) Сдвиговые деформации (сдвиг)
Сдвиговая деформация происходит, когда внешняя сила действует параллельно поверхности материала, вызывая сдвиг слоев материала относительно друг друга. Это вызывает изменение формы, но не объема. Примером может служить деформация, возникающая в земле при землетрясении, или в металлах, подвергающихся пластической обработке.
3. Виды деформаций по способу распределения напряжений в теле:
a) Однородные деформации
Это деформации, при которых все части тела деформируются одинаково (линейно или одинаково по величине и направлению). В таких случаях напряжение и деформация равномерно распределены по всему объему материала. Пример — растяжение стержня, где напряжение и деформация по длине стержня одинаковы.
b) Неоднородные деформации
Здесь напряжения и деформации варьируются в разных частях тела. Это характерно для сложных систем или при возникновении локальных напряжений, например, при изгибе или скручивании тела, где максимальное напряжение возникает в определенных точках, а не по всему объекту.
4. Виды деформаций по направлению:
a) Линейные деформации
Линейные деформации происходят вдоль одной оси (например, при растяжении или сжатии материала в одном направлении). Эти деформации приводят к изменению линейных размеров объекта: его длины, ширины или высоты.
b) Плоские деформации
Плоские деформации включают в себя изменения формы объекта в двух измерениях, например, при сдвиге слоев материала в разных плоскостях. Пример: изгиб листа металла.
c) Объемные деформации
Объемные деформации изменяют объем объекта. Обычно они возникают под действием равномерного давления, например, при сжимающих нагрузках на газ или жидкость. Эти деформации характерны для материалов, которые могут менять свой объем (например, жидкости или газообразные вещества).
5. Виды деформаций по типу напряжений:
a) Продольные деформации
Продольная деформация возникает при действии силы вдоль одной оси. Например, при растяжении стержня, когда сила действует вдоль его оси, изменяя длину стержня.
b) Поперечные деформации
Поперечные деформации происходят, когда внешнее напряжение воздействует в поперечном направлении относительно длины тела. Они приводят к изменению поперечного сечения материала, например, при растяжении металлической полосы с изменением ее ширины.
6. По степени восстановления формы:
a) Гибкие деформации
Это деформации, которые могут полностью восстанавливать свою исходную форму при снятии нагрузки, если материал обладает высокой упругостью. Например, гнущаяся пружина или эластичные материалы.
b) Необратимые деформации
Они не могут быть восстановлены после снятия внешней силы. Такие деформации часто связаны с пластическим поведением материала, например, деформация при нагреве металлов, их перераспределение в процессе ковки или в процессе усталости материала.
7. Деформации в зависимости от типа материала:
a) Деформации в металлических материалах
Металлы при деформации могут проявлять как упругие, так и пластические свойства, что делает возможным их использование в различных формах — от тянущих до прессующих операций. Особое значение имеет теория пластичности, которая изучает поведение металлов в процессе переработки, таких как ковка, штамповка, сварка и другие.
b) Деформации в неметаллических материалах
Неметаллические материалы (например, стекло, керамика, дерево) обычно имеют меньшую пластичность, и они чаще ломаются или трескаются, чем деформируются.
c) Деформации в полимерах и резинах
Полимеры и резины при растяжении часто проявляют как упругие, так и пластичные свойства в зависимости от температуры и структуры. В некоторых случаях они могут испытывать эластичную деформацию в одной стадии, а в другой — пластическую.
8. Прочие виды деформаций:
a) Термические деформации
Термическая деформация происходит при изменении температуры, что вызывает изменение размеров объекта. Например, при нагреве металлической балки она расширяется, а при охлаждении — сужается.
b) Усталостные деформации
Усталостные деформации происходят в материалах при многократном циклическом воздействии нагрузок. Эти деформации приводят к накоплению микротрещин и, в конечном итоге, к разрушению материала, даже если сила, воздействующая на материал, не достигает предела прочности.
c) Составные деформации
Когда несколько типов нагрузок (сжатие, растяжение, сдвиг) воздействуют на объект одновременно, возникает составная деформация, которая является результатом сочетания всех этих нагрузок.
Заключение
Деформации — это важный аспект механики материалов, который играет центральную роль в инженерии и других научных областях. Изучение и понимание разных типов деформаций позволяют предсказывать поведение материалов под нагрузками, что критично для создания надежных конструкций и разработки новых материалов.
