§ 22. Механические свойства твердых тел

. Изменение объема или формы тела называется деформацией. Она может произойти вследствие изменения температуры тела или вследствие действия на него внешней силы. Причиной деформации является то, что при действии на тело силы не все его части одновременно получают ускорение. Деформация бывает упругая и остаточная. В упруго деформированном теле возникает сила упругости, равная деформирующей силе. При деформации растяжения по закону Гука сила упругости прямо пропорциональна относительному удлинению (укорочению). Когда тело деформировано, то на каждую единицу его поперечного сечения приходится определенная сила упругости. Величина, измеряемая силой упругости, приходящейся на единицу площади сечения деформированного тела, называется механическим напряжением σ.

Единица механического напряжения 1 ^н/_м².

Когда на тело не действуют внешние силы, молекулы его вещества с одинаковой силой притягиваются и отталкиваются, отчего тело сохраняет форму и объем. При деформациях нарушается равновесие молекулярных сил: при растяжении появляются избыточные силы притяжения, а при сжатии - отталкивания. Сумма избыточных сил притяжения или отталкивания, возникающих между молекулами при деформации тела, называется силой упругости. Свойство вещества под действием этой силы восстанавливать первоначальный объем и форму после прекращения действия деформирующей силы называется упругостью.

Для сравнения упругости различных материалов введена величина, называемая пределом упругости. Наибольшее механическое напряжение, при котором еще не возникает остаточная деформация, называется пределом упругости. Например, предел упругости свинца 24*10^5н/_м², стали - 97*10^7н/_м². Благодаря упругости широкое применение получили тросы, балки, пружины, рессоры и т. д.

При длительном действии на тело сил происходит сдвиг целых слоев атомов и молекул. После прекращения действия деформирующей силы силы молекулярного взаимодействия не могут возвратить эти слои в прежнее положение. Поэтому тело не восстанавливает свою форму и объем. Свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил называется пластичностью. Благодаря пластичности возможны ковка, штамповка, прокатка, лепка.

Имеются вещества, называемые хрупкими, которые при незначительной упругой деформации разрушаются. Таковыми являются стекло, чугун, бетон, сахар. Они не обладают пластичностью. Свойство тел разрушаться после незначительной пластической деформации или без нее называется хрупкостью. Хрупкие тела не применяются под ударные нагрузки, так как при таких нагрузках они разрушаются. Это происходит потому, что в материале не успевает произойти сдвиг слоев атомных плоскостей относительно друг друга. Опасность разрушения хрупкого материала увеличивается с понижением температуры. Но в случаях, когда в конструкции материал испытывает сжатие, используются и хрупкие материалы: камень, кирпич, чугун.

Для разных материалов разрушение наступает при различных механических напряжениях. Например, кирпич в результате сжатия разрушается при механическом напряжении 6*10^6н/_м². Сталь - при 6,7*10^8н/_м². Механическое напряжение, при котором материал начинает разрушаться, называется пределом прочности. Чем больше предел прочности, тем прочнее материал. Свойство материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь, называется прочностью.

Прочность вещества определяется молекулярными силами. Поэтому прочность различных материалов не одинакова. Наилучшими механическими свойствами, т. е. большой упругостью и прочностью, обладает сталь. На практике разрушение происходит, когда приложенное к телу механическое напряжение в сотни раз меньше, чем его предел прочности. Причина этого - наличие в реальных твердых телах: дефектов в строении кристаллов, поверхностных и внутренних трещин, пустот литья, царапин и повреждений поверхности тела при обработке и т. д.