Напряженное и деформированное состояние металлов
Рассматривая напряженное состояние некоторого элемента мы можем назвать его определенным, если нам известны напряжения в 3 взаимно перпендикулярных площадках в выбранной точке. Чтобы оценить напряжение мы должны определить величину и направления действия внешней силы, оценить размер площадки, на которую действует сила, и ее ориентацию к вектору силы.
Что описать и визуализировать напряженное состояние объекта используют метод разложения результирующих напряжений по граням куба, соответствующие его координационным осям. С помощью графики можно показать, что действие произвольного выбранного вектора будет равно действию нормального и двух касательных напряжений. Таким образом результат воздействия 3 напряжений можно выразить через три нормальных и 6 касательных напряжений. При учете касательных напряжений при составлении уравнений важно правильно учесть знак. Положительные касательные напряжения возникают если нормаль к площадке направлена в положительном направлении относительно оси, как и само напряжение, и если нормаль ориентирована против оси и напряжение также направлено в противоположную сторону.
Используя закон парности напряжений мы можем составить уравнение равновесия относительно осей Х, У и Z найти искомые значения.
Напряжение вызывает деформацию и разрушение объекта, поэтому важной характеристикой оценки этого состояния является коэффициент мягкости, который показывает отношение между максимальным касательным напряжением и максимальным нормальным напряжением.
Если в результате воздействия нормальных напряжений возникает разрушение, то в металлах касательные напряжения вызывают пластическую деформацию, то есть сдвиг. Таким образом:
- касательные напряжения вызывают пластические деформации;
- нормальные напряжения вызывают хрупкое разрушение.
Коэффициент мягкости будет иметь различные значения при различных видах напряженного состояния. Так при трехосном сжатии он будет равен 4, при одноосном растяжении ½, при кручении 4/5, при одноосном сжатии 2.
Касательные напряжения, возникающие при обработке металла, будут использоваться для придания нужной формы, а нормальные будут вызывать нежелательные последствия.
Для обнаружения и измерения деформаций применяются метод сеток, метод моделей и электротензометрия.
Тензометрия – это совокупность методов, с помощью которых выявляют механическое напряжение детали. В тензометрии используются акустические, оптические, акустические и пневматические приборы.
Рисунок 1. Одноосное напряженное состояние. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Работа металлов при одноосном напряженном состоянии
Самой простой схемой напряженного состояния является линейная схема, которая может быть представлен одноосным растяжением или одноосным сжатием.
Одноосное состояние появляется в тех случаях, когда соблюдаются следующие условия:
- два главных напряжение нулевые;
- третье напряжение ненулевое.
Оно может быть продемонстрировано при растяжении или сжатии арматурного стержня.
Напряженное состояние в брусе также будет одноосным. Рассмотрим этот пример подробнее, представим брус, нагруженный силой равной F. Если сила воздействует на перпендикулярную плоскости силы площадку, то возникающие ответные напряжения равны силе воздействия. Если площадка находится под углом, к поперечному сечению, то для его определения воспользуемся методом сечения, отбросим верхнюю часть и рассмотрим нижнюю, используя уравнения равновесия. Для того, чтобы найти напряжение рассмотрим проекцию на нормаль и определим напряжение на площадке, которая будет перпендикулярной к рассмотренной.
Учет напряженного состояния позволяет не только правильно рассчитать работу конструкции при нагружении и вывить слабые места, но и продумать процесс обработки материала так, чтобы избежать нормальных напряжений, вызывающих хрупкие деформации.
Напряженное состояние может быть линейным, плоским и объемным, рассмотренный выше случай является самым простым. Более сложными примерами являются двухосное и трехосное напряженное состояние.
