Введение

Изменение формы или размера объекта, область применения в физике.

В технике деформация относится к изменению размера или формы объекта. Перемещения – это абсолютное изменение положения точки на объекте. Отклонение – относительное изменение внешних перемещений объекта. Деформация – относительное внутреннее изменение формы бесконечно малого кубика материала, которое может быть выражено как безразмерное изменение длины или угла искажения кубика. Деформации связаны с силами, действующими на куб, известными как напряжения, посредством диаграммы «напряжение-деформация». Связь между напряжением и деформацией обычно линейна и обратима до точки текучести, при этом деформация является упругой. Упругость материалов проявляется, когда приложенное напряжение не превышает энергию, необходимую для разрыва молекулярных связей, позволяя материалу деформироваться обратимо и возвращаться к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Линейная зависимость для материала известна как модуль Юнга. Выше точки текучести после разгрузки сохраняется некоторая степень остаточной деформации, называемая пластической деформацией. Определение напряжений и деформаций по всему твердому объекту дается теорией прочности материалов, а для конструкции – методом структурного анализа. Инженерные напряжения и инженерные деформации являются приближениями к внутреннему состоянию, которое можно определить по внешним силам и деформациям объекта, при условии, что не происходит существенного изменения размеров. При значительном изменении размеров истинные напряжения и истинные деформации могут быть вычислены на основе мгновенных размеров объекта. На рисунке видно, что сжимающая нагрузка (указанная стрелкой) вызвала деформацию цилиндра, в результате чего первоначальная форма (штриховыми линиями) изменилась (деформировалась) в форму с выпуклыми сторонами. Выпуклость боковых сторон обусловлена тем, что материал, хотя и достаточно прочный, чтобы не треснуть или разрушиться, недостаточно прочен, чтобы выдерживать нагрузку без изменения формы. В результате материал выталкивается вбок. Внутренние силы (в данном случае, действующие под прямым углом к деформации) противодействуют приложенной нагрузке. Концепция абсолютно твердого тела применима, если деформация пренебрежимо мала.

Виды деформации

В зависимости от типа материала, размера и геометрии объекта, а также приложенных сил, могут возникать различные виды деформаций. На изображении справа представлена диаграмма инженерного напряжения и деформации для типичного пластичного материала, такого как сталь. Различные режимы деформации могут проявляться при разных условиях, что можно отобразить с помощью карты механизмов деформации. Постоянная деформация является необратимой: деформация сохраняется даже после снятия приложенных сил, в то время как временная деформация обратима и исчезает после снятия нагрузки. Временную деформацию также называют упругой, а постоянную – пластической.

Пластическая деформация

Этот тип деформации не исчезает просто при снятии приложенной силы. Объект, находящийся в области пластической деформации, однако, сначала претерпевает упругую деформацию, которая исчезает при снятии приложенной силы, поэтому объект частично возвращается к своей первоначальной форме. Мягкие термопласты и пластичные металлы, такие как медь, серебро и золото, имеют довольно широкий диапазон пластической деформации. Сталь также обладает этим свойством, но чугун – нет. Твердые термореактивные пластмассы, резина, кристаллы и керамика имеют минимальный диапазон пластической деформации. Примером материала с большим диапазоном пластической деформации является влажная жевательная резинка, которую можно растянуть в десятки раз больше ее первоначальной длины. При растяжении пластическая деформация характеризуется областью упрочнения и областью шейкообразования, а затем – разрушением (также называемым разрывом). В процессе упрочнения материал становится прочнее за счет движения атомных дислокаций. Фаза шейкообразования проявляется в уменьшении площади поперечного сечения образца. Шейкообразование начинается после достижения предельной прочности. Во время шейкообразования материал больше не может выдерживать максимальное напряжение, и деформация образца быстро увеличивается. Пластическая деформация завершается разрушением материала.

Неисправность сжатия

Обычно, приложенное к стержням, колоннам и т.п. напряжение сжатия приводит к их укорочению. Нагружение конструктивного элемента или образца увеличивает напряжение сжатия до достижения предельной прочности на сжатие. В зависимости от свойств материала, разрушение происходит либо путем текучести для материалов с пластичным поведением (большинство металлов, некоторые грунты и пластмассы), либо путем разрушения при растяжении для хрупких материалов (геоматериалы, чугун, стекло и т.д.). В длинных и тонких конструктивных элементах – таких как колонны или стержни ферм – увеличение силы сжатия F приводит к потере устойчивости (изгибу) при напряжении, меньшем, чем предел прочности на сжатие.

Перелом

Этот тип деформации также необратим. Разрыв происходит после того, как материал достиг предела упругой, а затем пластической деформации. В этот момент напряжения накапливаются, пока не достигнут величины, достаточной для образования трещины. Любой материал в конечном итоге разрушится при приложении достаточной нагрузки.

Неправильные представления

Распространено заблуждение, что все материалы, которые изгибаются, являются "слабыми", а те, которые не изгибаются – "прочными". В действительности, многие материалы, способные выдерживать значительные упругие и пластические деформации, такие как сталь, могут поглощать напряжения, которые привели бы к разрушению хрупких материалов, например стекла, обладающих незначительным диапазоном пластических деформаций.