Деформация пластмасс и древесины

Основы реологии

В материалах, состоящих из компонентов с различными упругими свойствами, происходит перераспределение внутренних напряжений между составными частями материала. В результате напряженное состояние и деформации элементов конструкций во времени изменяются.

Явления, происходящие в твердых телах при длительном действии в них внутренних напряжений, изучает раздел механики, называемый реологией.

Сложность структур древесины и пластмасс и особенности работы под нагрузкой их вязкого компонента вызывают нарастание деформаций при постоянной нагрузке, происходящее в течение долгого времени. Такое явление называется ползучестью. Оно характерно для конструкций из древесины и пластмасс и должно учитываться при проектировании (например, приданием строительного подъема балочным конструкциям покрытия).

Следует различать мгновенные деформации и соответствующее им напряженное состояние и вязкие деформации (деформации последействия) с соответствующим напряженным состоянием. Мгновенные деформации происходят со скоростью приложения нагрузки. Вязкие деформации развиваются после того, как нагрузка перестает возрастать. Скорость их развития зависит от уровня напряжений. Если последние не превышают известного предела, то вязкие деформации затухают (рис. 17, а). Мгновенные и вязкие деформации обратимы после снятия нагрузки, они — упругие. Если напряжения выше предельного, то вязкие деформации переходят в пластические, которые являются необратимыми и развиваются пропорционально времени со скоростью, зависящей от степени напряжения материала. Развитие пластических деформаций при достижении суммарной деформацией предельного значения вызывает разрушение (рис. 17, б). Таким образом, древесину и пластмассы в общем случае можно отнести к упруго пластическим материалам.

Релаксация

Релаксацией называется процесс уменьшения напряжений при сохранении постоянного значения заданной при загружении деформации. Релаксационные кривые (рис. 17, в) имеют вид, обратный кривым затухающей ползучести. Физическая суть релаксации заключается в преобразовании полученной при загружении упругой деформации в вязкую деформацию.


Изучают релаксацию при лабораторных исследованиях материалов. Для наглядного представления процесса используются так называемые реологические модели тел, деформирование которых происходит по тому же закону, что и самого тела. Процессу затухающей ползучести наиболее полно соответствует реологическая модель Фойгта (рис. 18). Пружина Е₁ обеспечивает приложение нагрузки с образованием начальной (мгновенной) деформации, параллельно соединенные пружина Е₂ и ползун обеспечивают вязкие деформации. По модели Фойгта после окончания процесса ползучести полная деформация ε=σ₀/E₁+σ₀/E₂. Если учесть, что модуль деформаций выражают через модули упругости: Е_дл=Е₁·E₂/(E₁+Е₂), то получим ε=σ₀/E_дл.

Реологические модели отражают качественный характер деформирования тел, но не имеют в своей природе количественного содержания. Они не учитывают относительного содержания различных по своим свойствам составляющих композиционных материалов и перераспределения внутренних напряжений между составными частями материала.

Значительно лучшие результаты и действительные количественные соотношения получают по структурным диаграммам.