СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

КАК ДЕФОРМИРУЮТСЯ МЕТАЛЛЫ

Подвесьте гирю к нижнему концу тонкого цилиндри­ческого стержня из мягкой стали, укреплённого в вер­тикальном положении. Гиря будет растягивать, дефор­мировать стержень. Растягивающая сила направлена вдоль оси стержня и распределяется равномерно по всему
его поперечному сечению: если гиря весит, допустим, 5 ки­лограммов, а площадь сечения стержня равна 5 квад­ратным миллиметрам, то на каждый квадратный милли­метр стержня действует одна и та же нагрузка — в 1 ки­лограмм. Нагрузку на единицу площади поперечного сечения стержня называют напряжением. Чтобы вы­звать одинаковую деформацию в двух стержнях разного сечения из одного и того же металла, нужно приложить нагрузки, прямо пропорциональные площадям попереч­ного сечения.

Какие же изменения в металлическом стержне вызы­вает растягивающая сила?

При действии на металл какой-нибудь силы между атомами металла возникают внутренние силы упру­гости. Эти силы противо­действуют внешней силе и стремятся возвратить металлу его первоначальные размеры и форму.

Если внешняя сила не пре­вышает внутренних сил упру­гости, то при деформации ато­мы металла отдаляются друг от друга (при растяжении) или, наоборот, сближаются (при сжатии), но после пре­кращения действия внешней силы вновь занимают прежние места. Это — упругая де­формация.

Если же внешняя сила пре­восходит по величине внутрен­ние силы упругости, изменения в кристалле не ограничиваются сближением или удалением атомов друг от друга: в отдель­ных местах кристаллической решётки образуются плоско­сти, по которым происходит скольжение, сдвиг отдельных слоёв кристалла. Этот процесс подобен соскальзыванию одной монеты с другой, когда они собраны в стопку. Сдвиг происходит по определённым для каждого типа решётки плоскостям. Направление сдвига показано на рисунке 17 маленькой стрелкой. После прекращения дей-

Ствия силы кристалл уже не восстанавливает полностью своей прежней формы. Такая деформация называется пластической (остаточной). Чем меньше возникающие в металле внутренние силы упругости, тем легче происходит пластическая деформация. Имеет зна­чение также и то, насколько направление действующих на кристалл сил совпадает с направлением плоскости воз­можного сдвига.

В природе нет как абсолютно упругих, так и абсо­лютно неупругих материалов. Всем металлам присущи и упругие и пластические свойства, но, конечно, в разной степени. Цинк, медь, свинец и алюминий, например, легко деформируются пластически, а чёрные металлы испыты­вают пластическую деформацию только при сравнительно больших напряжениях. В любом материале, как упругом, так и неупругом, можно вызвать и упругую и пластиче­скую деформацию. Это зависит от величины нагрузки, а также от внешних условий: температуры, давления, среды.

Величина деформации прежде всего определяется свойствами самого материала. Пластилин (глина с при­месью воска), из которого дети лепят всевозможные фи­гурки, изменяет свою форму даже при слабом надавли­вании пальцами. Другое дело — мрамор, гранит или сталь. Для их деформации требуются громадные силы. Например, гранитные плиты по мере увеличения нагрузки деформируются, сжимаются, но эта деформация столь незначительна, что может быть обнаружена только с по­мощью очень точных приборов.

Величина деформации зависит не только от величины действующей силы, но и от продолжительности её дей­ствия, от размеров тела, на которое действует сила, и от места приложения силы. Если на деревянную доску, поло­женную на две опоры, встанет человек, доска прогнётся и со временем прогиб будет увеличиваться. Если на доску встанут два человека, она прогнётся сильнее. Если встать на доску не в середине, а ближе к опоре, прогиб будет меньше. Короткая доска прогнётся слабее, чем длинная, тонкая — сильнее, чем толстая, в одинаковых условиях. То же самое можно сказать и о других материалах.

Силы могут различным образом действовать на ме­талл: растягивать его, сжимать, изгибать, скручивать, сре­зать. Это зависит от того, каким образом направлены действующие силы (рис. 18).

Когда силы действуют по направлению продольной оси стержня в прямо противоположные стороны и напра­влены от стержня, возникает деформация растя­жения: стержень удлиняется в продольном направле­нии и утончается в поперечном. Деформацию растяжения испытывают, например, всевозможные стальные канаты

И тросы при подъёме грузов.

Если силы действу­ют также по направ­лению продольной оси стержня и направлены навстречу друг другу, то происходит дефор­мация сжатия: стер­жень укорачивается и утолщается. Такую де­формацию испытывают, например, стальные ко­лонны, сваи.

Деформацияиз - г и б а возникает тог-

Да, когда стержень рас­положен на одной или нескольких подставках, опорах и сила действу-

Гие сжимаются. Такую деформацию испытывают, напри­мер, рельсы, когда по ним проходит поезд.

В тех случаях, когда под влиянием действующих сил отдельные слои, волокна стержня или весь стержень за­кручивается вокруг продольной оси, возникает дефор­мация кручения. Она наблюдается в различных вращающихся деталях машин и инструментах: в валах, свёрлах, отвёртках и т. д.

Когда две равные по величине силы действуют пер­пендикулярно к продольной оси, на очень близком рас­стоянии друг от друга и направлены навстречу друг другу, в стержне возникает деформация сдвига: одни слои металла смещаются относительно других. Если
при этом цельность стержня нарушается, то получается срез. Деформация среза возникает в металле, например, при резании его ножницами.

На практике в большинстве случаев встречаются раз­личные сочетания этих видов деформации. Так, например* винт подвергается одновременно и деформации кручения и деформации сжатия. Штанга бурового инструмента также и закручивается и сжимается. Заводская труба испытывает деформацию сжатия под действием собствен­ного веса и изгибается давлением ветра (но и сжатие, и изгиб трубы, конечно, весьма незначительны).

Поэтому при изучении свойств различных металлов испытывают действие на образцы различных сил: сжи­мающих, закручивающих, растягивающих и т. д.