Удлинение стержня и закон Гука

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Рассмотрим однородный стержень с одним концом, жестко заделанным, и другим - свободным, к которому приложена центральная продольная сила Р (рис. 2.2). До нагружения стержня его длина равнялась l -после нагружения она стала равной l + Dl (рис. 2.2).

Величину Dl называют абсолютным удлинением стержня.

Рис. 2.2

Если в нагруженном стержне напряженное состояние является однородным, т.е. все участки стержня находятся в одинаковых условиях, деформация e остается одной и той же по длине стержня и равной

. (2.1)

Если же по длине стержня возникает неоднородное напряженное состояние, то для определения его абсолютного удлинения необходимо рассмотреть бесконечно малый элемент длиной dz (рис. 2.2). При растяжении он увеличит свою длину на величину D dz и его деформация составит:

. (2.2)

В пределах малых деформаций при простом растяжении или сжатии закон Гука записывается в следующем виде:

s = E e. (2.3)

Величина Е представляет собой коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости материала первого рода. Из совместного рассмотрения уравнений (2.2) и (2.3) получим:

откуда с учетом того, что

и ,

окончательно получим:

. (2.4)

Если стержень изготовлен из однородного изотропного материала с Е = const, имеет постоянное поперечное сечение F = const и нагружен по концам силой Р, то из (2.4) получим

. (2.5)

Напряженное и деформированное состояние
при растяжении и сжатии

Рассмотрим более подробно особенности напряженного состояния, возникающего в однородном растянутом стержне. Определим напряжения, возникающие на некоторой наклонной площадке, составляющей угол a с плоскостью нормального сечения (рис. 2.6, а).

Рис. 2.6

Из условия å z = 0, записанного для отсеченной части стержня (рис. 2.6, б), получим:

р F_a = s F, (2.17)

где F - площадь поперечного сечения стержня, F_a = F/cos a - площадь наклонного сечения. Из (2.17) легко установить:

р = s сos a. (2.18)

Раскладывая напряжение р по нормали и касательной к наклонной площадке (рис. 2.6, в), с учетом (2.18) получим:

s_a = p cos a = s cos²a; t_a = p sin a = s sin 2 a. (2.19)

Полученные выражения показывают, что для одной и той же точки тела величины напряжений, возникающих в сечениях, проходящих через эту точку, зависят от ориентации этой площадки, т.е. от угла a. При a = 0 из (2.19) следует, что s_a = s, t_a = 0. При a = , т.е. на продольных площадках, s_a = t_a = 0. Это означает, что продольные слои растянутого стержня не взаимодействуют друг с другом. Касательные напряжения t_a принимают наибольшие значения при a = , и их величина составляет t_max= . Важно отметить, как это следует из (2.19), что . Следовательно, в любой точке тела на двух взаимно перпендикулярных площадках касательные напряжения равны между собой по абсолютной величине. Это условие является общей закономерностью любого напряженного состояния и носит название закона парности касательных напряжений.

Теперь перейдем к анализу деформаций в растянутом стержне. Наблюдения показывают, что его удлинение в продольном направлении сопровождается пропорциональным уменьшением поперечных размеров стержня (рис. 2.7).

Рис. 2.7

Если обозначить:

e_прод = ; e_попер = - , m = - ,

то, как показывают эксперименты, m = const для данного материала и является безразмерным коэффициентом Пуассона. Величина m является важной характеристикой материала и определяется экспериментально. Для реальных материалов m принимает значения 0, 1 ¸ 0, 45.

4. Основные механические характеристики
материалов

Для количественной оценки основных свойств материалов, как

Рис. 2.9

правило, экспериментально определяют диаграмму растяжения в координатах s и e (рис. 2.9), На диаграмме отмечены характерные точки. Дадим их определение.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности s_П. В пределах закона Гука тангенс угла наклона прямой s = f (e) к оси e определяется величиной Е.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения s_У, называемого пределом упругости. Под пределом упругости s_Упонимается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций, т.е. после полной разгрузки последняя точка диаграммы совпадает с начальной точкой 0.

Величина s_Т называется пределом текучести материала. Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформаций без заметного увеличения нагрузки. Если необходимо различать предел текучести при растяжении и сжатии s_Т соответственно заменяется на s_ТР и s_ТС. При напряжениях больших s_Т в теле конструкции развиваются пластические деформации e_П, которые не исчезают при снятии нагрузки.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через, s_ВР (при сжатии s_ВС).

В табл. 2 приводятся значения указанных характеристик (в кН/м²)наиболее распространенных конструкционных материалов.

Таблица 2

Материал	s_ТР	s_ТС	s_ВР	s_ВС	Е× 10^-8
Сталь				-
Чугун					0.7
Медь				-	1.1
Алюминий				-	0.75

При выполнении практических расчетов реальную диаграмму (рис. 2.9) упрощают, и с этой целью применяются различные аппроксимирующие диаграммы. Для решения задач с учетом упруго-пластических свойств материалов конструкций чаще всего применяется диаграмма Прандтля. По этой диаграмме напряжение изменяется от нуля до предела текучести по закону Гука s = Е e, а далее при росте e, s = s_Т (рис. 2.10).

Способность материалов получать остаточные деформации носит название пластичности. На рис. 2.9 была представлена характерная диаграмма для пластических материалов.

Рис. 2.10 Рис. 2.11

Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материал, обладающий этим свойством, называется хрупким. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая сталь, стекло, кирпич, бетон, природные камни. Характерная диаграмма деформации хрупких материалов изображена на рис. 2.11.

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒