Деформация

ДЕФОРМАЦИЯ твёрдых тел (от латинского deformatio - обезображивание, искажение), изменение относительного положения частиц тела, которое приводит к искажению формы и размеров и вызывает изменение сил взаимодействия между частицами, т. е. появление напряжений (смотри Напряжение механическое). Деформация  твёрдого тела может являться результатом действия внешних механических сил, а также следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикционный эффект), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект). Простые типы деформации тел: растяжение (сжатие), сдвиг, изгиб, кручение. Как правило, наблюдаемая деформация является комбинацией нескольких типов деформаций одновременно. В конечном итоге деформацию можно свести к 2 простым типам: растяжению (сжатию) и сдвигу. Деформация  тела однозначно определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки. Деформация  твёрдых тел, обусловленная их структурными особенностями, изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах - теорией упругости и пластичности.

Деформация  называется упругой (обратимой), если она исчезает после снятия вызвавшей её нагрузки, и пластической (необратимой), если после снятия нагрузки она полностью не исчезает. Различают также вязкоупругую деформацию, для которой типична явная зависимость от процесса нагружения во времени, причём при снятии нагрузки деформация самопроизвольно стремится к нулю (смотри Вязкоупругость). Упругая деформация может быть линейной, если она подчиняется закону Гука (смотри Гука закон), и нелинейной, если зависимость между упругой деформацией и возникающими напряжениями нелинейна. При циклическом приложении и снятии нагрузки возникает неоднозначная зависимость между напряжениями и деформацией (упругий гистерезис).

В кристаллах упругая деформация проявляется в изменении расстояний между узлами и искажении кристаллической решётки без изменения порядка расположения атомов; первоначальная конфигурация восстанавливается после снятия нагрузки (смотри Упругость).

Пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением точечных, линейных и объёмных дефектов кристаллов (дислокаций, вакансий, дисклинаций и др.). В аморфных телах аналогом движения дефектов в кристаллических телах являются перемещения кластерного свободного объёма. Механизмы пластической деформации связаны с преимущественным типом движущихся дефектов, образованием дефектных субструктур и превращениями, происходящими в субструктурах (смотри Пластичность кристаллов). Пластическая деформация, как правило, сопровождается явлением деформационного упрочнения, которое приводит к росту сопротивления деформированию с возрастанием пластической деформации.

В полимерах деформация определяется изменением конформации длинных полимерных цепей. Наличие дальних взаимодействий обусловливает временную протяжённость в развитии деформации. Для полимеров наиболее типична вязкоупругая деформация. В эластомерах упругая деформация может достигать сотни процентов (смотри Высокоэластическое состояние).

Все реальные твёрдые тела при деформации обладают пластичными свойствами. При некоторых условиях пластичными свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела.

При неизменной приложенной к телу нагрузке деформация меняется со временем; это явление называется ползучестью. С ростом температуры скорость ползучести увеличивается. Частным случаем ползучести являются процессы самопроизвольного уменьшения внутренних напряжений с течением времени при неизменной деформации и последействие упругое (процесс самопроизвольного роста деформации с течением времени при постоянном напряжении).

Простейшими элементарными деформациями являются: относительное удлинение некоторого элемента ε = (l -l₀)/l₀, где l - длина элемента после деформации, l₀ - первоначальная длина этого элемента, и сдвиг - изменение угла между элементами, исходящими из одной точки и взаимно перпендикулярными до деформации. В общем, трёхмерном случае деформация определяется симметричным тензором второго порядка с шестью независимыми компонентами.

Компоненты ε_ii=∂u_i/∂x_i (i = 1, 2, 3; u_i - проекция вектора перемещения на координатную ось x_i) представляют собой деформации, параллельные оси x_i (растяжение вдоль оси x_i при положительных ε_ii или сжатие при отрицательных ε_ii). Компоненты ε_ik = ½(∂u_i/∂x_k + ∂u_k/∂x_i), где i, k = 1,2,3; i≠k, представляют собой изменение, которое претерпевает при деформации угол, стороны которого были первоначально параллельны осям x_i и x_k (т. е. деформация сдвига).

Деформация  определяется через перемещения, измеренные в процессе испытания образцов материалов с целью определения их механических свойств, либо при проведении натурных исследований конструкций и сооружений или на моделях для получения информации о величинах напряжений. Упругие деформации строительных конструкций весьма малы, и их измерение требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации - с помощью тензометров. Кроме того, применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеновский структурный анализ. Для получения информации о местных пластических деформациях применяют накатку на поверхность образца сетки, покрытие поверхности растрескивающимся лаком и т. п.

Лит.: Сопротивление материалов / Под редакцией А. Ф. Смирнова. М., 1975; Ильюшин А. А. Механика сплошной среды. 2-е изд. М., 1978; Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М., 2005.