Деформация: понятие, виды и характеристики¶

Деформация (от лат. deformatio — искажение) — изменение формы или размеров тела под действием внешних сил или иных факторов (температуры, влажности, радиации), сопровождающееся относительным перемещением частиц тела. В физике и технике деформация рассматривается как мера изменения конфигурации тела относительно его исходного состояния. Полное восстановление исходных размеров и формы после прекращения действия фактора называется упругой деформацией; необратимое изменение — пластической.

¶Основные понятия

При приложении внешней нагрузки в теле возникают внутренние силы (напряжения), а его частицы смещаются. Относительное смещение характеризуется деформацией, которая численно выражается отношением изменения размера к исходному размеру (линейная деформация) или изменением угла между изначально перпендикулярными направлениями (угловая деформация). Деформация — величина безразмерная, измеряемая в процентах или в долях единицы.

В теории упругости деформация описывается тензором деформаций — симметричным тензором второго ранга, шесть независимых компонент которого характеризуют растяжение-сжатие по трём осям и изменение углов между ними.

¶Виды деформаций

Деформации классифицируют по нескольким признакам.

По характеру изменения формы и размеров:

• Линейная (растяжение-сжатие) — изменение длины тела в одном направлении.
• Объёмная (сжатие) — изменение объёма тела при всестороннем давлении.
• Угловая (сдвиг) — изменение угла между изначально перпендикулярными направлениями.
• Изгиб — деформация, при которой ось тела изгибается, а поперечные сечения поворачиваются.
• Кручение — поворот сечений относительно оси тела.

По обратимости:

• Упругая — после снятия нагрузки тело полностью восстанавливает исходную форму и размеры. Описывается законом Гука: напряжение пропорционально деформации в пределах упругости.
• Пластическая (остаточная) — после снятия нагрузки остаётся необратимое изменение формы. Возникает при напряжениях, превышающих предел упругости.
• Ползучесть (крейп) — медленная пластическая деформация при постоянном напряжении, характерная для металлов при высоких температурах и для бетона, льда, полимеров.

По времени:

• Статическая — нагрузка нарастает медленно.
• Динамическая (ударная) — нагрузка приложена кратковременно, с высокой скоростью.
• Циклическая — многократно повторяющаяся нагрузка, приводящая к усталостному разрушению.

¶Упругая деформация

Упругая деформация возникает при относительно малых напряжениях и объясняется изменением расстояний между атомами или молекулами без нарушения связей между ними. При снятии нагрузки межчастичные силы возвращают частицы в исходное положение.

Закон Гука для однородного растяжения: σ = E·ε, где σ — напряжение, ε — деформация, E — модуль Юнга (модуль упругости). Для сдвига: τ = G·γ, где G — модуль сдвига.

Предел пропорциональности — максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением и деформацией. Предел упругости — напряжение, до которого деформация остаётся полностью обратимой.

¶Пластическая деформация

Пластическая деформация возникает при превышении предела текучести. На микроуровне она связана с перемещением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки, — а также с ползучестью зёрен, двойникованием и фазовыми превращениями. Пластическая деформация сопровождается упрочнением (наклёпом): с ростом деформации растёт предел текучести, но снижается пластичность.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением и относительным сужением при разрыве. Хрупкие материалы (чугун, стекло, керамика) разрушаются практически без пластической деформации.

¶Деформация в геологии и природе

В геологии термин «деформация» обозначает изменение формы горных пород под действием тектонических сил. Различают:

• Складкообразование — формирование складок в пластичных породах при сжатии.
• Разрывные деформации — смещения вдоль трещин: сбросы, надвиги, глубинные разломы.
• Метаморфизм — изменение минерального состава и структуры пород под давлением и температурой.

Деформации земной коры изучаются геотектоникой и сейсмологией; их накопление и внезапный сброс энергии являются причиной землетрясений.

¶Деформация в технике

Расчёт деформаций — обязательная часть сопротивления материалов и строительной механики. Конструкции проектируют так, чтобы деформации не превышали допустимых значений (прогиб мостов, балок, колонн), а напряжения оставались в пределах упругого диапазона либо учитывались с запасом прочности.

Основные методы измерения деформаций:

• тензометрия (тензодатчики, приклеиваемые к поверхности детали);
• оптические методы (поларизационная, голографическая интерференция);
• деформационные преобразователи, лазерные датчики;
• цифровая корреляция изображений.

¶Деформация тел в общем смысле

В общей теории относительности гравитация рассматривается как деформация пространства-времени — искривление метрики под действием масс и энергии. Это понятие отличается от механической деформации твёрдых тел и относится к геометрии самого пространства.

¶История

Понятие деформации как меры изменения формы тела было сформулировано в XVII–XVIII веках в работах Роберта Гука, Томаса Юнга и Лорана Клапейрона. Развитие теории упругости связано с именами Леонарда Эйлера, Огюстена Коши, Георга Гельмгольца и Стефана Тимошенко, заложившего основы инженерных расчётов деформаций.

¶Источники

• Гука Р. De Potentia Restitutiva, or of Spring. — Лондон, 1678.
• Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1965.
• Новожилов В. В. Теория упругости. — М.: Судостроение, 1970.
• Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999.
• Большая медицинская энциклопедия / Советская энциклопедия.