Механические свойства твердых тел в практике - OXFORDST.RU

Механические свойства твердых тел в практике

Механические свойства твердых тел, сила упругости

Механические свойства твердых тел.

Твердым телом в механике называется неизменимая система материальных точек, т.е. такая идеализированная система, при любых движениях которой взаимные расстояния между материальными точками системы остаются неизменными (материальные точки — достаточно малые макроскопические частицы).

Силы притяжения и отталкивания обуславливают механическую прочность твердых тел. т. е. их способность противодействовать изменению формы и объема. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию — силы отталкивания.

Недеформируемых тел в природе не существует.

Деформация — изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация — деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются.

Сдвиг

Виды деформаций:

Деформацию растяжения и сжатия можно охарактеризовать абсолютной деформацией Δ ℓ, равной разности длин образца после растяжения ℓ и до него ℓ : Δ ℓ = ℓ

Отношение абсолютной деформации D? к первоначальной длине образца?o называют относительной деформацией:

Если деформация упругая, а относительная деформацияИз опыта: закон Гука. Сила упругости прямо пропорциональна абсолютной деформации.

С учетом направления:

k — коэффициент жесткости (упругости). Зависит от материала, формы и размеров тела (Например, чем длиннее и тоньше пружина, тем ее жесткость меньше.)

Единицы коэффициента упругости в СИ: .

Движение под действием силы упругости.

— ускорение изменяется с координатой! Это неравнопеременноедвижение. Такое движение является колебательным.

Частные случаи силы упругости:

Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости Fупр, возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F. называется механическим напряжением: . За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па= 1Н/м 2 .

Отношение механического напряжения к относительному удлинению ,при малых упругих деформациях растяжения и сжатия, называется модулем упругости Е (модулем Юнга): .

Из выше написанной формулы видно, что модуль Юнга Е величина не зависящая от формы и размеров предмета, изготовленных из данного материала. [Е]=Па. Модуль Юнга показывает, какое надо создать механическое напряжение, чтобы деформировать тело в 2 раза (Если — на самом деле нереально).

[Е]=Па

Если обозначить , то получим Fупр =k|Δl| — закон Гука. Другая форма записи этого закона: s = E|ε|механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации.

s = E|ε|

Диаграмма растяжения-сжатия

sппредел пропорциональности (максимальное напряжение, при котором деформация еще остается упругой и выполняется закон Гука)

sуппредел упругости (максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации, и материал еще сохраняет упругие свойства)

sт предел текучести (напряжение, при котором материал «течет»)

sпчпредел прочности (наибольшее напряжение, которое способен выдержать образец без разрушения)

eостостаточная деформация

Коэффициент безопасности (предел прочности) — отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению, которое будет испытывать деталь конструкции в работе: .

В зависимости от необходимой надежности различных деталей и конструкций коэффициент безопасности выбирают обычно в пределах от 2 до 10.

Механические свойства твердых тел в практике

Виды деформаций. Деформацией называют изменение формы, размеров тела. Деформация может быть вызвана действием на тело приложенных к нему внешних сил.

Деформации, полностью исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил, называют упругими, а деформации, сохраняющиеся и после того, как внешние силы перестали действовать на тело, – пластическими.

Различают деформации растяжения и сжатия (одностороннего и всестороннего), изгиба, кручения и сдвига.

Силы упругости. При деформациях твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы), находящиеся в узлах кристаллической решетки, смещаются из своих положений равновесия. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.


Рис. 5.11.Деформация растяжения (а) и сжатия (б)

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела.

Рассмотрим простейшую деформацию продольного растяжения или одностороннего сжатия. Представим себе однородный стержень длины L , с площадью поперечного сечения S , к концам которого приложены силы F , в результате чего длина стержня меняется на величину Δ L . Для характеристики деформации растяжения существенно не абсолютное значение удлинения стержня Δ L , а относительное удлинение .

Растягивающие силы считаем положительными; в этом случае (рис. 5.11а) Δ L тоже положительно, поскольку при растяжении длина стержня увеличивается. Сжимающие силы считаем отрицательными; в этом случае (рис. 5.11б) Δ L отрицательно; это означает, что, когда стержень подвергается одностороннему сжатию, его длина L уменьшается.

Эксперименты свидетельствуют, что относительная деформация тем больше, чем больше действующая сила и чем меньше поперечное сечение стержня. Этот результат можно представить в виде математического соотношения

. (5.1)


Томас Юнг (1773-1829)

Английский физик, по образованию врач. Кроме медицины занимался множеством самых разнообразных научных проблем. Создал теорию интерференции волновых движений, которая была положена французским физиком Френелем в основу волновой теории света. Высказал идею о поперечности световых волн. Объяснил аккомодацию града. Разработал теорию цветного зрения. Ввел модуль упругости, названный его именем. Занимался акустикой, астрономией, расшифровкой египетских иероглифов.


Роберт Гук (1635-1703)

Английский физик, ботаник и архитектор. Сформулировал главный закон в учении о сопротивлении материалов. Вместе с Гюйгенсом и Гримальди отстаивал волновую теорию света. Улучшил и изобрел многочисленные приборы. Первый указал на строение растений из клеток. Ввел в науку термин «клетка».

Величина называется механическим напряжением или просто напряжением. С учетом этого выражение (5.1) принимает вид

, (5.2)

Наряду с коэффициентом упругости α материал принято характеризовать обратной величиной:

, (5.3)
. (5.4)

Из выражения (5.4) находим:

. (5.5)

Формула (5.5) выражает закон Гука: напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению α.

Энергия упруго деформированного тела. Предположим, что к стержню с первоначальной длиной L приложено напряжение σ, тогда длина стержня после растяжения равна:

.

Так как согласно формуле (5.2) , новая длина стержня L равна:

. (5.6)

Из формулы (5.6) видно, что в пределах упругой деформации длина стержня меняется линейно с напряжением σ.

При растяжении или сжатии стержня внешние силы совершают работу. Из соотношений (5.1) и (5.3) следует, что сила не остается во время деформации постоянной. Она меняется пропорционально изменению длины стержня Δ L .

. (5.7)
, (5.8)
, (5.9)

откуда

. (5.10)

Эта работа пойдет на создание потенциальной энергии упруго деформированного стержня:

. (5.11)

Таким образом, потенциальная энергия упруго деформированного стержня оказывается пропорциональной квадрату абсолютного удлинения образца.


Рис. 5.12

Диаграмма растяжения. Диаграммой растяжения принято называть графическую зависимость σ от ε. Используя формулу (5.5), по экспериментальным значениям относительного удлинения ε можно вычислить соответствующие им значения нормального напряжения σ, возникающего в упруго деформированном теле. Пример диаграммы растяжения для металлического образца изображен на рис. 5.12. На участке 0–1 график имеет вид прямой, проходящей через начало координат. Это значит, что до определенного значения напряжения деформация является упругой и выполняется закон Гука, согласно которому нормальное напряжение пропорционально относительному удлинению. Максимальное значение нормального напряжения σП, при котором еще выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.

При дальнейшем увеличении нагрузки зависимость напряжения от относительного удлинения становится нелинейной (участок 1–2), хотя упругие свойства тела еще сохраняются. Максимальное значение σy нормального напряжения, при котором еще не возникает остаточная деформация, называют пределом упругости. (Предел упругости лишь на сотые доли процента превышает предел пропорциональности). Увеличение нагрузки выше предела упругости (участок 2–3) приводит к тому, что деформация становится остаточной.

Читайте также  Державин, Гавриил Романович

Затем образец начинает удлиняться практически при постоянном напряжении (участок 3–4 графика). Это явление называют текучестью материала. Нормальное напряжение σ Т , при котором остаточная деформация достигает заданного значения, называют пределом текучести.

При напряжениях, превышающих предел текучести, упругие свойства тела в известной мере восстанавливаются, и оно вновь начинает сопротивляться деформации (участок 4–5 графика).

Максимальное значение нормального напряжения σпр, при превышении которого происходит разрыв образца, называют пределом прочности.

Зададимся вопросом, какой физический смысл имеет модуль Юнга? Запишем закон Гука в виде:

. (5.12)

Это означает, что модуль Юнга равен тому напряжению, которое вызывает удлинение образца вдвое. Конечно, материалов, которые можно удлинить в два раза, кроме разве резины и некоторых полимеров, нет. Однако как характеристика упругих свойств материала модуль Юнга служит отлично.

Для стали модуль Юнга примерно равен 2,1·10 11 Н/м 2 . Почему примерно? Да потому, что марок сталей очень много. Соответственно и модуль Юнга пружинной стали больше модуля Юнга стали, из которой делаются гвозди.

Свинец – мягкий металл, но и он обладает упругостью, а его модуль Юнга в 15 раз меньше, чем модуль Юнга стали. Все остальные металлы имеют модуль Юнга больше, чем у свинца, но меньше, чем у стали. Другой важной характеристикой конструкционного материала является предел прочности. Предел прочности у разных материалов также сильно отличается. У стали предел прочности наибольший. Поэтому сталь – основной конструкционный материал. При проектировании любых конструкций учитывается предел прочности, и возможные напряжения должны быть в несколько раз (обычно в 10 раз) меньше предела прочности. Существует специальный раздел в прикладной науке – сопротивление материалов. Его изучают во всех технических вузах, готовящих специалистов по конструированию и эксплуатации машин и механизмов.

Интересно отметить, что стальная проволока, повешенная за один конец, растягивается под действием собственного веса. А если такая проволока будет иметь длину L = 4,2 км, то она оборвется под действием собственного веса. Проволока из свинца оборвется под действием собственного веса при длине всего в 120 метров.

Все машины и механические конструкции – башни, мосты, арочные конструкции – рассчитываются так, чтобы напряжения ни в одном месте конструкции не превышали предела упругости. В настоящее время существуют стальные мосты, длина пролета которых (расстояние между опорами) превышает 1 000 метров.

Механические свойства твердых тел

Новые аудиокурсы повышения квалификации для педагогов

Слушайте учебный материал в удобное для Вас время в любом месте

откроется в новом окне

Выдаем Удостоверение установленного образца:

Описание презентации по отдельным слайдам:

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Деформация — изменение формы тела или объема тела под действием внешних сил. Типы деформаций Упругие Пластичные Хрупкие

Упругие, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил. Пластические, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил. По характеру деформации делятся на:

ПРИМЕРЫ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ Способностью к упругой деформации обладает, например, спиральная пружина. Мерой деформации пружины может служить ее удлинение, то есть разность длин пружины, возникающая в результате внешнего воздействия. Δl Упруго деформируются резина, сталь, человеческое тело, кости и сухожилия. Биологическая ткань допускает восьмикратную упругую деформацию.

Пластичная деформация — деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. ПЛАСТИЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ Пластичны свинец, алюминий, воск, пластилин, замазка, жевательная резинка.

Хрупкие деформации являются необратимыми. Материалы, у которых разрушение происходит при деформациях, лишь незначительно превышающих область упругих деформаций, называются хрупкими ХРУПКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

ПРИМЕРЫ ХРУПКИХ ТЕЛ фарфор чугун стекло алмаз

Некоторые виды (Не все!) деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия. Различают несколько видов деформации:

Деформация растяжения (сжатие) — деформация при которой происходит изменение линейных размеров тел. Деформацию растяжения тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты зданий

Деформацию растяжения (сжатия) характеризуют абсолютным удлинением и относительным удлинением

МЕХАНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ Упругая деформация (растяжение) стержня, длина которого 10, а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F . Для характеристики упругих свойств тела вводится механическое напряжение. Механическое напряжение — физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела: Напряжение измеряется в паскалях (Па).

Сравнивая и можно заметить, что закон Гука преобразуется в Выражение , где коэффициент пропорциональности называют модулем упругости (или модулем Юнга) Е. Модуль Е характеризует вещество, из которого сделан стержень. Модуль Юнга измеряется в паскалях (Па). ЗАКОН ГУКА Эта зависимость получила название закона Гука При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела:

Деформации сдвига подвержены все балки в местах опор, заклёпки и болты, скрепляющие детали и т.д. Сдвиг на большие углы может привести к разрушению тела — срезу. Срез происходит при работе ножниц, долота, зубила, зубьев пилы. Деформация сдвига — деформация при которой происходит смещение слоёв тела относительно друг друга

Деформации кручения подвержены валы машин, сверла, оси. Деформация кручения — деформация при которой отдельные слои тела остаются параллельными, но смещаются относительно друг друга по винтовой линии. Деформация кручения приводит к неоднородному растяжению и сдвигу

Деформация изгиба — деформация при которой все слои тела можно разделить на три: испытывающий сжатие, испытывающий растяжение и разделяющий их недеформированный (нейтральный) слой. Деформации изгиба подвержены кран-балки, консоли, несущие конструкции. Fупр

диаграмма растяжения На практике наибольшее распространение получил метод испытания материала на растяжение. В результате такого испытания вычерчивается диаграмма растяжения, анализ которой позволяет определить основные характеристики механических свойств материала По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, по оси ординат – механическое напряжение σ. На диаграмме растяжения представлен типичный пример для металлов (таких, как медь или мягкое железо).

ОА — область упругих деформаций, где выполняется закон Гука . Упругие деформации полностью исчезают после разгрузки испытуемого образца. Максимальное напряжение σ = σ п , при котором деформация еще остается упругой, называется пределом пропорциональности (точка А). Приложение нагрузки

σупр Увеличение нагрузки Деформация становится нелинейной, но после снятия нагрузки формы и размеры тела практически восстанавливаются — участок АВ Максимальное напряжение σ = σ упр , при котором еще не возникают заметные остаточные деформации , называется пределом упругости. (точка В).

ВС — область пластических (остаточных) деформаций, образец после снятия нагрузки не восстанавливается. Увеличение нагрузки

σупр Участок СД — деформация возрастает при неизменном напряжении (материал «течет») Напряжение σ = σ т , при котором материал «течет», называется пределом текучести. Увеличение нагрузки εост – остаточная деформация – изменение первоначальных размеров тела при снятии напряжения в области пластических деформаций.

Пластичные материалы — материалы, у которых область текучести значительна, которые могут без разрушения выдержать большие деформации. (пластилин, медь, золото) Хрупкие материалы — материалы, у которых область текучести почти отсутствует, которые могут без разрушения выдержать лишь небольшие деформации. (стекло, кирпич, бетон, чугун)

σ Увеличение нагрузки Максимальное напряжение σ = σ пч , которое способен выдержать образец без разрушения , называется пределом прочности . (точка Е). После т. Е деформация вплоть до разрыва происходит при все меньшем напряжении.

Запас прочности ( коэффициент безопасности) — это отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению, которое будет испытывать деталь конструкции в работе.

К закрепленной одним концом проволоке диаметром 2мм подвешен груз массой 10кг. Найти механическое напряжение в проволоке.

Читайте также  Монтаж строительных конструкций

ЗАДАЧИ Проволока длиной 5,4 м под действием нагрузки удлинилась на 2,7мм. Определить относительное удлинение проволоки. Какова должна быть площадь поперечного сечения стального стержня, чтобы при нагрузке 25кН растягивающее напряжение равнялось 6·10ˆ7 Па? На сколько удлинилась медная проволока длиной 3 м и диаметром 0,12 мм под действием гири весом 1,5Н? Деформацию считать упругой. При какой предельной нагрузке разорвется стальной трос диаметром 1 см, если предел прочности стали 1ГПа? Вычислите модуль упругости для железа, если известно, что железная проволока длиной 1,5 м и сечением 10ˆ-6 мˆ2 под действием силы в 200Н удлинилась на 1,5 м. Верхний конец стержня закреплен, а к нижнему подвешен груз 20кН. Длина стержня 5 м, сечением 4 смˆ2. Определить напряжение материала стержня и его абсолютное и относительное удлинение, если модуль Юнга для этого стержня равен 2·10ˆ11Па. Найти площадь поперечного сечения алюминиевого прутка, к которому подвешена люстра массой 250кг, при запасе прочности прутка 4. Предел прочности для алюминия 1,1·10ˆ8 Па. Какова относительная деформация прутка?

Механическое свойство твердых тел. Твердое тело. Твердые тела и их свойства

Твердый материал представляет одно из четырех агрегатных состояний, в котором может находиться окружающая нас материя. В данной статье рассмотрим, какие механические свойства твердым телам присущи, учитывая особенности их внутреннего строения.

Что такое твердый материал?

Пожалуй, на этот вопрос может ответить каждый человек. Кусок железа, компьютер, столовые приборы, автомобили, самолеты, камень, снег — все это примеры твердых тел. С физической точки зрения, под твердым агрегатным состоянием материи понимается ее способность сохранять форму и объем при различных механических воздействиях. Именно эти механические свойства твердых тел отличают их от газа, жидкости и плазмы. Заметим, что жидкость также сохраняет объем (является несжимаемой).

Вам будет интересно: Головкин Гавриил Иванович (1660–1734) — сподвижник Петра Первого: краткая биография

Приведенные выше примеры твердых материалов помогут более четко представить, какую важную роль они играют для жизни человека и технологического развития общества.

Существует несколько физико-химических дисциплин, изучающих рассматриваемое агрегатное состояние вещества. Перечислим лишь самые важные из них:

  • физика твердого тела;
  • механика деформаций;
  • наука о материалах;
  • химия твердого вещества.

Структура твердых материалов

Вам будет интересно: Second Conditional, правило и примеры

Перед тем, как рассматривать механические свойства твердых тел, следует познакомиться с их внутренней структурой на атомном уровне.

Разнообразие твердых материалов по своей структуре велико. Тем не менее, существует универсальная классификация, в основу которой положен критерий периодичности расположения составляющих тела элементов (атомов, молекул, атомных кластеров). Согласной этой классификации все твердые вещества делятся на следующие:

  • кристаллические;
  • аморфные.

Начнем со вторых. Аморфное тело не обладает какой-либо упорядоченной структурой. Атомы или молекулы в нем расположены хаотически. Эта особенность приводит к изотропии свойств аморфных материалов, то есть свойства не зависят от направления. Самым ярким примером аморфного тела является стекло.

Кристаллические тела или кристаллы, в отличии от аморфных материалов, имеют упорядоченное в пространстве расположение структурных элементов. В микромасштабе у них можно различить кристаллические плоскости и параллельные атомные ряды. Благодаря такой структуре кристаллы являются анизотропными. Причем анизотропия проявляется не только на механических свойствах твердых тел, но и на свойствах электрических, электромагнитных и других. Например, кристалл турмалина способен пропускать только колебания световой волны в одном направлении, что приводит к поляризации электромагнитного излучения.

Примерами кристаллов являются практически все металлические материалы. Они чаще всего встречаются в трех кристаллических решетках: гранецентрированной и объемно центрированной кубических (ГЦК и ОЦК, соответственно) и в гексагональной плотно упакованной (ГПУ). Еще одним примером кристаллов является знакомая всем поваренная соль. В отличие от металлов в ее узлах находятся не атомы, а анионы хлора или катионы натрия.

Упругость — главное свойство всех твердых материалов

Прилагая к твердому веществу даже самое маленькое напряжение, мы вызываем его деформацию. Иногда деформация может быть настолько маленькой, что этого можно не заметить. Тем не менее, все твердые материалы деформируются при приложении внешней нагрузки. Если после снятия этой нагрузки деформация исчезает, то говорят об упругости материала.

Яркий пример явления упругости — сжатие металлической пружины, которое описывается законом Гука. Через силу F и абсолютное растяжение (сжатие) x этот закон записывается так:

Здесь k — некоторое число.

В случае объемных металлов закон Гука принято записывать через приложенное внешнее напряжение σ, относительную деформацию ε и модуль Юнга E:

Модуль Юнга является постоянной величиной для конкретного материала.

Особенностью упругой деформации, которая отличает ее от деформации пластической, является обратимость. Относительные изменения размеров твердых веществ при упругой деформации не превышают 1%. Чаще всего они лежат в районе 0,2 %. Упругие свойства твердых тел характеризуются отсутствием смещения положений структурных элементов в кристаллической решетке материала после прекращения действия внешней нагрузки.

Если внешнее механическое усилие достаточно велико, то после прекращения его действия на теле можно видеть остаточную деформацию. Она называется пластической.

Пластичность твердых веществ

Мы рассмотрели упругие свойства твердых тел. Теперь перейдем к характеристикам их пластичности. Многие знают и наблюдали, что если молотком ударить по гвоздю, то он становится сплюснутым. Это пример пластической деформации. На атомном уровне она представляет собой сложный процесс. Пластическая деформация не может идти в аморфных телах, поэтому стекло при ударе по нему не деформируется, а разрушается.

Твердые тела и их свойство пластически деформироваться зависит от кристаллического строения. Рассматриваемая необратимая деформация происходит за счет перемещения в объеме кристалла специальных атомных комплексов, которые называются дислокациями. Последние могут быть двух видов (краевые и винтовые).

Из всех твердых материалов наибольшей пластичностью обладают металлы, поскольку они предоставляют большое количество направленных под разными углами в пространстве плоскостей скольжения для дислокаций. Наоборот, имеющие ковалентные или ионные связи материалы будут хрупкими. К ним можно отнести драгоценные камни или упомянутую поваренную соль.

Хрупкость и вязкость

Если постоянно прилагать внешнее воздействие на любой твердый материал, то он рано или поздно разрушится. Существует два вида разрушений:

  • хрупкое;
  • вязкое.

Первое характеризуется возникновением и быстрым ростом трещин. Хрупкие разрушения приводят к катастрофическим последствиям на производстве, поэтому стараются использовать материалы и условия их эксплуатации, при которых разрушение материала было бы вязким. Последнее характеризуется медленным ростом трещин и поглощением большого количества энергии до разрушения.

Для каждого материала существует температура, которая характеризует хрупко-вязкий переход. В большинстве случаев уменьшение температуры переводит разрушение из вязкой области в хрупкую.

Циклические и постоянные нагрузки

В инженерии и физике свойства твердых тел также характеризуются по типу прилагаемой к ним нагрузки. Так, постоянное циклическое воздействие на материал (например, растяжение-сжатие) описывается так называемым сопротивлением усталости. Оно показывает, сколько циклов приложения конкретной величины напряжения материал гарантированно выдержит, не разрушившись.

Усталость материала также изучают при постоянной нагрузке, измеряя скорость деформации от времени.

Твердость материалов

Одним из важных механических свойств твердых тел является твердость. Она определяет способность материала препятствовать внедрению в него инородного тела. Опытным путем определить, какое из двух тел тверже, очень просто. Необходимо лишь поцарапать одно из них другим. Алмаз — самый твердый кристалл. Он царапает любой другой материал.

Другие механические свойства

Твердые материалы обладают некоторыми другими механическими свойствами, помимо отмеченных выше. Перечислим их кратко:

  • ковкость — способность приобретать различную форму;
  • тягучесть — способность вытягиваться в тонкие нити;
  • способность сопротивляться специальным видам деформации, например, изгибу или кручению.

Таким образом, микроскопическое строение твердых тел свойства их во многом определяет.

Читайте также  Доведение до самоубийства 2

Механические свойства твердых тел

Просмотр содержимого документа
«Механические свойства твердых тел»

Политехнический колледж КГТУ им. И.Раззакова

Механические свойства твёрдых тел

Преподаватель физики:

Тынышова Айнура Медеркуловна

Механические свойства твёрдых тел

  • Кристаллические и аморфные тела
  • Виды деформаций
  • Деформация и напряжение
  • Решение задач

Кристаллические и аморфные тела

Деформация и напряжение

Монокристаллы – твердые тела, расположенные на гладких плоских поверхностях, расположенные под определенными углами, имеющие форму правильных многогранников

Поликристаллы – твердые тела, состоящие из большого числа более мелких кристаллов

Поликристаллы изотропны

Монокристаллы обладают анизотропией

Изотропия – свойство кристаллов, заключающееся в независимости физических свойств от выбранного направления

Монокристаллы – твердые тела, расположенные на гладких плоских поверхностях, расположенные под определенными углами, имеющие форму правильных многогранников.

Монокристаллы обладают анизотропией.

Анизотропия – свойство кристаллов, заключающееся в зависимости каких-либо свойств кристаллов от направления

Поликристаллы – твердые тела, состоящие из большого числа более мелких кристаллов

Поликристаллы изотропны

Изотропия – свойство кристаллов, заключающееся в независимости физических свойств от выбранного направления

Анизотропия – свойство кристаллов, заключающееся в зависимости каких-либо свойств кристаллов от направления

  • присущее находящемуся в кристаллическом состоянии веществу правильное пространственное расположение частиц, характеризующееся периодической повторяемостью в пространстве.

Изотропия – свойство кристаллов, заключающееся в независимости физических свойств от выбранного направления.

Присущее находящемуся в кристаллическом состоянии веществу правильное пространственное расположение частиц, характеризующееся периодической повторяемостью в пространстве.

Типы кристаллических решеток

По типу кристаллической системы

Типы кристаллических решеток

По типу кристаллической системы делятся на следующие типы:

Самая плотная упаковка

Кубическая решетка

  • Кальций
  • Алюминий
  • Свинец
  • Натрий
  • Калий
  • Цезий
  • Барий
  • Железо

Здесь рассмотрен кубическая решетка твердых тел и их примеры строение и расположение молекул в криссталической решетке.

Полиморфизм — существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества

Частный случай

Только твердые вещества

Алмаз, графит, фуллерен

Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам

Полиморфизм — существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества.

Только твердые вещества. К ним относится: алмаз, гранит, фуллерин.

Частные случай: Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам.

Таким структурам имеют различные агрегатные состояния простых веществ.

Различные агрегатные состояния

Простые вещества

  • Вещества, не имеющие определенного порядка в расположении атомов.

Свойства аморфных тел

Изотропность

Упругие свойства

(при низких температурах)

Вещества, не имеющие определенного порядка в расположении атомов.

Свойства амортных тел:

  • Изотропность,
  • При низкихтемпературах имеет свойства упругости
  • При нагревание текучестью обладает
  • Отсутствие определенной температуры плавления.

Текучесть (при нагревании)

Отсутствие определенной

температуры плавления

Примеры аморфных веществ

К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

Анизотропия (кристаллы)

Текучесть (жидкость)

Жидкокристаллическое состояние

Жидкие кристаллы – состояние вещества, характеризуемое одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллических веществ, например, жидкие кристаллы текучи как жидкости, но при этом сохраняют ориентацию молекул наподобие кристаллов. На схеме указан свойства жидких кристаллов.

Среди деформаций, возникающих в твердых телах, можно выделить пять основных видов:

  • Растяжение
  • Сжатие
  • Сдвиг
  • Кручение
  • Изгиб.

Твердые тела при определенном действие силы могут обладать деформацией. Деформацией (от лат. deformatio − искажение) называют любое изменение размеров и фор­мы тела. Деформации бывают разных видов: растяжения, сжатия, сдвига, изгиба, кручения. Все пере­численные виды деформации возможны в твердых телах. В жидкостях и газах возможны только деформации объемного сжатия и растяжения, т. к. эти среды не обладают упругостью формы, а только объема (как известно, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится, а газ занимает весь предоставленный ему объем).

Деформация называется упругой , если она возникает и исчезает одновременно с внешним воз­действием.

Деформация, которая не исчезает после прекращения внешнего воздействия, называется плас­тической .

Механическое напряжение — величина, характеризующая действие внутренних сил упругости в деформированном твердом теле

Механическое напряжение — величина, характеризующая действие внутренних сил упругости в деформированном твердом теле и вычисляется следующей формулой сигма равен сила деленая на площадь. Единица измерения: ньютон деленая метр в квадрате.

Модуль упругости (модуль Юнга)- величина, характеризующая упругие свойства материала и выражается следующей формулой Е равно к умноженное на л нулевое и деленное на площадь.

Модуль упругости (модуль Юнга)- величина, характеризующая упругие свойства материала

  • при упругой деформации тела напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела:

Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исход­ное положение, называется силой упругости . Сила упругости возникает и при растяжении (например, если подвесить гирю на нить), и при изгибе, и при других видах деформации. Силы упругости возникают всегда при попытке изменить форму или объем твердого тела, при изменении объема жидкости или газа. Закон Гука гласит: Сила упругости , возникающая при упругой деформации растяжения или сжатия тела, пропорциональна абсолютному значению изменения длины тела.

Модуль упругости

При малых (упругих) деформациях растяжения и сжатия отношение механического напряже­ния σ к относительному удлинению ε называется модулем упругости Е (модулем Юнга):

Мо́дуль Ю́нга (синонимы: модуль продольной упругости , модуль нормальной упругости ) — физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации . Обозначается большой буквой Е. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга . Она выражается следующей формулой указанной на слайде.

Запас прочности

Коэффициентом безопасности (или запасом прочности) называется отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению , которое будет испытывать деталь конструкции в работе:

Запас прочности. Коэффициентом безопасности (или запасом прочности) называется отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению , которое будет испытывать деталь конструкции в работе и выражается следующей формулой указанной на презентации.

Предел упругости — максимальное напряжение в материале, при котором деформация еще является упругой

Пластичные материалы — материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформацию

Хрупкие материалы — материалы, которые разрушаются при незначительных нагрузках

Пластичность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации

Хрупкость — способность материала разрушаться без образования заметных остаточные деформации

Максимальное значение нормального напряжения, при котором еще не возникает остаточная деформация, называют пределом упругости. (Предел упругости лишь на сотые доли процента превышает предел пропорциональности.)

Пластичные материалы — материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформацию

Хрупкие материалы — материалы, которые разрушаются при незначительных нагрузках.

Пластичность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации.

Хрупкость — способность материала разрушаться без образования заметных остаточные деформации.

Эти свойства зависят от температуры и скорости нагружения.

Предел прочности — максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

Эти свойства зависят от температуры и скорости нагружения

Предел прочности — максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения

Написать ЭССЕ на тему:

1. Самые большие кристаллы в природе.

2. Применение аморфных, кристаллических тел в науке и технике.

3. Искусственные и вулканические, естественные и искусственные аморфные тела в природе.

4. Какая польза от кристаллов?

Спасибо за внимание студенты и домашняя работа

Написать ЭССЕ на тему:

1. Самые большие кристаллы в природе.

2. Применение аморфных, кристаллических тел в науке и технике.

3. Искусственные и вулканические, естественные и искусственные аморфные тела в природе.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: