Колись будівельники зводили несучі конструкції навмання, що часом мало катастрофічні наслідки. Сьогодні знання опору матеріалів дозволяє будувати економічні та надійні споруди.
У хмарочоса і сплетеної павуком павутини багато спільного. В обох випадках створюється каркас з дуже міцних матеріалів, що забезпечує міцність усієї споруди. Каркас хмарочоса складається із сталевих балок, а павутина плететься з ще більш міцного матеріалу - шовку. Це означає, що павукова нитка може витримати більшу вагу, ніж сталева нитка тієї ж товщини.
Навантаження
Підвішений на дроті вантаж створює спрямовану вниз силу щодо площі її поперечного перерізу. Величина прикладеної сили, розділена на площу її додатки, називається навантаженням.
Більший вантаж створює більшу спрямовану вниз силу, тому навантаження на дріт того ж перетину буде більше. Величина навантаження також буде більшою, якщо рівний вантаж підвішений на більш тонкої дроті, так як створювана ним сила діє на меншу площу поперечного перерізу. При порівнянні опору матеріалів важливо знати, яке навантаження вони можуть витримати до моменту залишкової деформації або розриву.
Існує три види напруг, випробовуваних матеріалами. Розтягуючі зусилля розтягує матеріал і виникає, наприклад, при підвішуванні до нього вантажу. Напруга стиснення здавлює матеріал (ніжки столу під вагою що знаходяться на ньому предметів). Напруга зсуву впливає на матеріал і згинає його (трамплін для стрибків у воду під вагою що стоїть на ньому людини).
Відносна деформація
Це рівномірна деформація, або зміна розмірів матеріалу під впливом навантаження. Припустимо, що дріт довжиною 4000 см розтягується на 2 см при підвішуванні до неї вантажу. У цьому випадку відносна деформація являє собою пропорційну зміну довжини і становить 2: 4000 = 0, 0005.
Пружність
Якщо поступово збільшувати навантаження на матеріал, починаючи з нуля,
то спочатку виникле напруга росте пропорційно. Якщо прибрати вантаж, матеріал повернеться до своїх первісних розмірів. Це явище називається пружністю. Але якщо продовжувати навантажувати дріт, то вона, при досягненні певної величини навантаження, вже не буде повертатися до початкових розмірів. Ця величина називається межею пружності дроту. У цьому випадку дріт піддається дії пластичної деформації і буде тепер постійно подовжуватися з збільшенням навантаження.
Подальше збільшення навантаження в остаточному підсумку приведе до розриву матеріалу. Пластичні матеріали (наприклад, мідь) перед розривом сильно деформуються, а тендітні (Скажімо, чавун) при поступовому збільшенні навантаження в якийсь момент рвуться зовсім раптово.
Бетон
Не завжди матеріали однаково добре витримують різні види напруг. Наприклад, бетон має більшу міцність на стиск, але відносно малу міцність на розтягнення. Тому бетон часто армують сталевими стрижнями для збільшення його міцності на розрив. Попередньо напружений бетон - це поліпшений вид залізобетону. Спочатку сталеві арматурні стрижні піддають розтягуванню, а потім заливають бетоном. Після схоплювання бетону стрижні вже не випробовують розтягуючого напруги і прагнуть відновити свою початкову довжину. Але це неможливо, так як вони міцно вмуровані в бетон і викликають у ньому величезна стискальне напруження. При використанні даного матеріалу, будь-які зусилля, які прагнуть розірвати бетон, повинні спочатку подолати сили стиску в сталевих стрижнях. Ось чому попередньо напружений бетон володіє великою міцністю на розрив і стиск.
Для зміцнення деяких видів бетону застосовують метод подальшого напруги з натягуванням арматури. Сталеві стрижні вставляють в отвори в монолітних бетонних блоках і піддають їх розтягування. Як і в попередньому випадку, стрижні створюють у бетоні сильне стискальне напруження і надають йому більшу міцність на розрив.
Композиційні матеріали
Такі матеріали складаються з двох і більше різних матеріалів, при цьому кінцевий продукт володіє кращими властивостями, ніж будь-який з його компонентів. У багатьох випадках таким шляхом домагаються підвищення міцності. Прикладом композиційного матеріалу може служити залізобетон. На більш низькому рівні, тонкі волокна різних матеріалів з високою міцністю на розрив додають до матеріалів, здатним витримувати великі стискаючі навантаження. Скловолокно в поєднанні з павутинним шовком володіє набагато більшою міцністю на розрив, ніж кращі сорти стали. Але, на жаль, найменша поверхнева подряпина призводить до утворення тріщини навіть при відносно малих навантаженнях. Тому, щоб використати переваги скловолокна, його додають до епоксидної і поліефірної смолі, яка захищає волокна від подряпин і зберігає їх високу міцність на розрив.
Вуглець і кераміка
Для цієї мети використовуються волокна та інших матеріалів, включаючи вуглець (у вигляді графіту), а також багато видів міцних, жорстких керамічних матеріалів, таких як карбід кремнію, карбід бору й окис алюмінію. Але не всі матеріали такого роду одержують штучним шляхом. Наприклад, деревина - природний композиційний матеріал, що складається з міцних гнучких волокон целюлози, що пов'язуються більш твердим і крихким речовиною - лігніном.
Структура матеріалів
Міцність матеріалу залежить від його внутрішньої структури - розташування в ньому атомів або молекул. Всі тверді метали і більшість інших твердих матеріалів мають кристалічну структуру, в якій атоми і молекули розташовані у правильному порядку. Розташування цих частинок і зв'язки між ними визначають міцність матеріалу. Наприклад, гума складається з ланцюжків молекул. У процесі вулканізації сірка з'єднується з ланцюжками молекул гуми, розташовуючи їх поруч один з одним. Відбувається так зване "хімічне зшивання", в результаті чого гума стає міцнішим.
Дислокація
Коли метал піддається напрузі без перевищення його межі пружності, він розтягується, тому що атоми небагато "розсовуються". При знятті напруги атоми металу займають свої початкові позиції, внаслідок чого метал стискується. Якщо напруга вище межі пружності, деякі метали зберігають нову форму після його зняття. Це відбувається тому, що в структурі кристалів таких металів присутні численні дефекти - дислокації. Одні кристали можуть мати зайвий атом, а в інших одного атома може не вистачати. Такі дислокації утворюються при остиганні і кристалізації розплавленого металу. Вони можуть також формуватися, коли метал піддається механічному напрузі, і він деформується при меншому напрузі. Напруги вище межі пружності змушують атомні площини ковзати поверх один одного. Чим більше дислокацій, тим легше, не руйнуючи метал, надавати йому потрібну форму шляхом кування, прокатки або протягання (Розтяжки). При деформуванні металу дислокації в ньому переміщаються уздовж кордонів площин ковзних атомів. Якщо перешкоджати руху дислокацій, метал стане твердіше і міцніше.
Кристалічна структура
Існує кілька способів перешкоджання такому переміщенню. Один з них полягає у контролюванні процесу затвердіння при виготовленні з тим, щоб отримати метал, який складається з відносно великої кількості малих кристалів. Чим більше кристалів, тим більше меж розділу між ними, що перешкоджають переміщенню дислокацій у металі. Інший спосіб блокування руху дислокацій пов'язаний з додаванням атомів іншого металу. Ось чому сплав із двох і більше металів твердіше і міцніше, ніж окремо взяті метали, з яких він складається.
Можна також за допомогою напруг створити така кількість дислокацій у металі, при якому вони самі будуть заважати один одному переміщатися. Такого механічного зміцнення (називаного також "наклеп") можна домогтися і за допомогою напружень, що виникають в процесі звичайної металообробки.
Утома металу
Втома металу може виникнути, якщо металеву деталь піддати певній навантаженні протягом тривалого періоду часу, або в разі численних змін сили напруги. Дислокації переміщаються в напружену зону і перешкоджають руху один одного. У результаті метал стає крихким, і утворюється тріщина, яка може поширитися по всій товщині деталі аж до її кінцевого розламу. Щоб уникнути нещасних випадків, вузли та деталі літаків регулярно перевіряють на втому за допомогою т. зв. неруйнівного контролю.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту .sciencetechnics.com/
