деформация биоткань механический костный сосуд

Деформацией называется изменение взаимного расположения точек тела, которое сопровождается изменением его форм и размеров, обусловленное действием внешних сил на тело.

Виды деформации:

1. Упругая - полностью исчезает после прекращения действия внешних сил.

2. Пластическая (остаточная) - остается после прекращения действия внешних сил.

3. Упруго-пластическая - неполное исчезновение деформации.

4. Вязко-упругая - сочетание вязкого течения и эластичности.

В свою очередь упругие деформации бывают следующих видов:

а) деформация растяжения или сжатия происходит под действием сил, действующих в направлении оси тела:

Основные характеристики деформации

Деформация растяжения (сжатия) возникает в теле при действии силы, направленной вдоль его оси.

где l 0 - исходный линейный размер тела.

Дl - удлинение тела

Деформация е (относительное удлинение) определяется по формуле

е - безразмерная величина.

Мерой сил, стремящихся вернуть атомы или ионы в первоначальное положение является механическое напряжение у. При деформации растяжения напряжение у можно определить отношением внешней силы к площади поперечного сечения тела:

Упругая деформация подчиняется закону Гука:

где Е - модуль нормальной упругости (модуль Юнга - это механическое

напряжение, которое возникает в материале при увеличении

первоначальной длины тела в два раза).

Если живые ткани мало деформируется, то в них целесообразно определять не модуль Юнга, а коэффициент жесткости. Жесткость характеризует способность физической среды сопротивляться образованию деформаций.

Представим экспериментальную кривую растяжения:

ОА - упругая деформация, подчиняющася закону Гука. Точка В - это предел упругости т.е. максимальное напряжение при котором ещё не имеет место деформация, остающаяся в теле после снятия напряжения. ВД - текучесть (напряжение, начиная с которого деформация возрастает без увеличения напряжения).

Упругость, свойственную полимерам называют эластичностью.

Всякий обрзец, подвергнутый сжатию или растяжению вдоль его оси, деформируется так же и в перпендикулярном направлении.

Абсолютное значение отношения поперечной деформации к продольной деформации образца называется коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона и обозначается:

(безразмерная величина)

Для несжимаемых материалов (вязкотекучие пасты; резины) м=0,5; для большинства металлов м?0,3.

Величина коэффициента Пуассона при растяжении и сжатии одна и та же. Таким образом, определяя коэффициент Пуассона можно судить о сжимаемости материала.

Реологическое моделирование биотканей

Реология - это наука о деформациях и текучести вещества.

Упругие и вязкие свойства тел легко моделируются.

Представим некоторые реологические модели.

а) Модель упругого тела - это упругая пружина.

Напряжение, возникающее в пружине, определяется законом Гука:

Если упругие свойства материала одинаковы во всех направлениях, то он называется изотропным, если эти свойства неодинаковы - анизотропным.

б) Модель вязкой жидкости - это жидкость, находящаяся в цилиндре с поршнем, неплотно прилегающим к его стенкам или: - это поршень с отверстиями, который движется в цилиндре с жидкостью.

Для этой модели характерна прямо пропорциональная зависимость между возникающим напряжением у и скоростью деформации

где з - коэффициент динамической вязкости.

в) Реологическая модель Максвелла представляет собой последовательно соединенные упругий и вязкий элементы.

Работа отдельных элементов зависит от скорости нагрузки общего элемента.

Для упругой деформации выполняется закон Гука:

Скорость упругой деформации будет:

Для вязкой деформации:

тогда скорость вязкой деформации будет:

Общая скорость вязко-упругой деформации равна сумме скоростей упругой и вязкой деформаций.

Это есть дифференциальное уравнение модели Максвелла.

Вывод уравнения ползучести биоткани. Если к модели приложить силу, то пружина мгновенно удлиняется, а поршень движется с постоянной скоростью. Таким образом, на данный модели реализуется явление ползучести. Если F=const, то возникающее напряжение у=const, т.е. тогда из уравнения (3) получим.

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

Под термином «деформация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под влиянием напряжений — сил, которые действуют на единицу площади сечения заготовок или деталей. Деформация металла обусловлена:

• внешними силами;
• усадкой;
• структурными превращениями;
• внутренними физико-механическими процессами.

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

• сжатие – нагрузка прикладывается соосно по направлению к телу;
• растяжение – возникает при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся точки крепления тела);
• изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
• кручение – возникает при приложении к телу крутящего момента.

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.

Твердые тела подвержены двум видам деформации:

1. упругой;
2. пластической.

В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

Критерий сравнения	Виды
	Упругая	Пластическая (остаточная, необратимая)
Поведение атомов кристаллической решетки под нагрузками	· сдвигаются на промежутки меньшие, чем межатомное расстояние; · блоки кристалла поворачиваются незначительно	· перемещаются на расстояния, большие межатомных; · в структуре возникают остаточные изменения; · нет макроскопических нарушений сплошности металла
Деформирование формы и структуры после прекращения нагрузки	устраняется полностью	не устраняется
Вызывается действием напряжений	· нормальных; · невысоких касательных	больших касательных
Показатели сопротивления	модуль упругости	теоретическая прочность
Результат развития	необратимость наступает, когда напряжения достигают предела упругости; упругая переходит в пластическую.	возможность вязкого разрушения путем сдвига.

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

• последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
• место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

• 30 кг/мм — реальная;
• 1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

• являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
• путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

• гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
• объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

• пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
• прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

1. Холодную.
2. Горячую.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

1. Температура, выше t рек.
2. Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
3. Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
4. Отсутствует упрочнение.
5. Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

• при относительно небольших температурах;
• при повышенном давлении;
• с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

Технологии ИПД:

1. кручение (ИПДК);
2. разноканальное угловое прессование;
3. всесторонняя ковка;
4. мультиосевое деформирование;
5. знакопеременный изгиб;
6. аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

Может оказаться, что изображения, реально нами наблюдаемые, точно соответствуют изображениям алгебры Это обстоятельство упростит анализ. Ряд аналогичных ситуаций будет рассмотрен в части III (см. приложение).

Следует, однако, заметить, что в большинстве случаев мы можем наблюдать лишь искаженные варианты идеальных изображений в результате мы сталкиваемся с фундаментальной проблемой - каким образом возникают подобные деформации. Полный синтез образа требует определения механизма деформации. Оно необходимо также и на стадии анализа.

Обозначим через отображение алгебры изображений на множество изображений, которые могут наблюдаться. Элементы

будем называть деформированными изображениями.

Обычно число преобразований велико и заранее неизвестно, какое именно будет действовать. Символ Ф используется для обозначения множества всех преобразований.

До сих пор мы ничего не сказали о природе деформированных изображений. Простейшим является случай когда изображения относятся к тому же типу, что и идеальные изображения алгебры изображений В этом случае будем говорить об автоморфных деформациях, отображает алгебру изображений в самое себя.

В противном случае, при гетероморфных деформациях, множество может включать целый ряд различных типов, как мы убедимся в этой главе. Может оказаться, что также обладает структурой алгебры изображений, хотя и отличной от Следует подчеркнуть, что даже и в таком случае структуры эти могут резко отличаться и, следовательно, между существует принципиальное различие. Довольно часто мы будем сталкиваться со случаем при котором идеальные (недеформированные) изображения являются частными

случаями деформированных. Как правило, разрушает структуру, и поэтому будет менее структурированной, чем

В случае, когда а область определения часто будет расширяться от до причем область значений будет оставаться равной . В таком случае можно многократно применять последовательность и, естественно, обобщить до полугруппы преобразований.

Во многих случаях можно будет также расширять область определения преобразований подобия до Все сказанное можно объединить в виде условия, которое ниже в большинстве случаев будет выполняться. В данном разделе будем предполагать, что образует группу.

Определение 4.1.1. Механизм деформации называется регулярным, если

Автоморфные деформации представляют собой весьма частный случай регулярного множества Ф. Оба типа преобразований, будут определяться на одном и том же множестве. Их роли, однако, совершенно различны. Преобразования подобия обычно изменяют изображение систематически, и эти изменения интуитивно понятны. В тех случаях, когда группа, преобразования не приводят к потере информации, так как обратное преобразование восстанавливает исходное изображение. Деформации же, с другой стороны, могут исказить изображение до такой степени, что будет невозможно точно восстановить его. Деформации приводят к потере информации.

Взаимодействие преобразований подобия и деформаций играет существенную роль, и в связи с этим мы введем два свойства, выполнение которых существенно упрощает анализ образов.

Определение 4.1.2. Рассмотрим регулярный механизм деформации на алгебре изображений. Будем называть его

Следует заметить, что это жесткие условия и выполняются они не очень часто. Естественно, деформации явно ковариантны, если Ф - коммутативная полугруппа и Другой простой случай возникает, когда векторное пространство, образуется определенными на нем линейными операторами; при таких условиях деформации являются гомоморфными.

Пусть - метрическое пространство с расстоянием, удовлетворяющим следующим условиям:

Если влечет расстояние является определенным, однако это допущение будет вводиться не всегда.

Естественно потребовать, чтобы метрика соответствовала отношениям подобия в и обеспечиваться это будет двумя способами.

Определение 4.1.3. Будем называть расстояние определенное на регулярном

Исходя из заданного расстояния определим

В таком случае легко убедиться в том, что расстояние инвариантно, а расстояние полиостью инвариантно.

Иногда в основе деформации будет лежать некий физический механизм, реализация которого сопряжена с затратами мощности, энергии или какой-либо аналогичной физической величины, необходимой для преобразования идеального изображения в реально наблюдаемую форму. Мы воспользуемся более нейтральным термином и будем говорить о необходимом усилии,

Определение 4.1.4. Рассмотрим на регулярном пространстве деформации неотрицательную функцию обладающую следующими свойствами:

функция называется инвариантной функцией усилия. Если выполняется условие и условие

Если 3.5 - ковариантио, то условие выполняется автоматически. В результате приходим к следующей теореме:

Теорема 4.1.1. Пусть функция усилия является полностью инвариантной, и выполняется равенство

В таком случае является полностью инвариантным расстоянием.

Замечание. Мы молчаливо подразумевали, что соотношение рассматриваемое как уравнение относительно всегда имеет хотя бы одно решение. Если это не так, то соответствующее значение следует заменить на и может оказаться необходимым допустить значение для итогового расстояния. Это обстоятельство повлияет на доказательство лишь в незначительной степени.

Доказательство. Функция является симметрической относительно двух своих аргументов, и для доказательства неравенства треугольника рассмотрим фиксированные Если существуют такие, что

то, обозначив получаем

Отсюда на основании свойства определения 4.1.4 следует, что

откуда в свою очередь следует, что

Наконец, полная инвариантность получается из свойства определения 4.1.4, так как влечет т. е. Это означает, что расстояние является полностью инвариантным.

Если бы мы работали с функцией усилия обладающей лишь инвариантностью, то можно было бы утверждать только то, что результирующее расстояние инвариантно.

Введем вероятностную меру Р на некоторой -алгебре подмножеств . Это означет, что мы будем говорить о некоторых деформациях как более вероятных, чем другие. Нам также потребуются -алгебры и на Т и соответственно, такие, чтобы для любого подмножества Е в и для которых выполняется условие и соответственно, было справедливо

Для определенного деформированный аналог будет иметь на вероятностную меру

Введем теперь более общий и более интересный вариант ковариантных деформаций.

Определение 4.1.5. Регулярные деформации с вероятностной мерой Р называются ковариантными по вероятности, если для всякого преобразования подобия преобразования имеют на одно и то же распределение вероятностей.

В тех случаях, когда деформация сужает образ-соответствие на случайное подмножество Е (но не его значения), мы будем интерпретировать ковариантность по вероятности как равенство распределения вероятностей на множестве распределению вероятностей на случайном множестве Е.

При использовании этого определения для любого фиксированного можно записать, что

С другой стороны, если сотношение (4.1.12) выполняется для любых и Е, то деформации являются ковариантными по вероятности.

Важное следствие ковариантности по вероятности устанавливается следующей теоремой:

Теорема 4.1.2. Пусть деформации ковариантны по вероятности и образ, состоящий из классов эквивалентности по модулю

В таком случае, если Е представляет собой -инвариантное множество в то условные вероятности являются вполне определенными: не зависит от если .

Доказательство. Рассмотрим условную вероятность

где -некоторый прототип (см. (3.1.14)). В таком случае

ввиду того, что имеет место ковариантность по вероятности. С другой стороны,

так как Е является -инвариантным. Следовательно, константа, так что условная вероятность действительно является вполне определенной, поскольку она не зависит от того, какое изображение служит исходным при рассмотрении образа .

В противном случае нельзя было бы говорить о если, конечно, не ввести также вероятностную меру на алгебре идеальных изображений

К обсуждению, проведенному в данном разделе, следует добавить, что желательно выбирать алгебраическую, топологическую и вероятностную структуры таким образом, чтобы они допускали естественное взаимное согласование. Читатель, интересующийся тем, как это может быть сделано в рамках стандартной алгебраическо-топологической постановки, может обратиться к монографии автора (1963).

При выборе конкретного вида Р мы сталкиваемся с большими трудностями, чем те, которые связаны с теоретическими

аспектами меры. Выбор должен производиться в каждом случае отдельно таким образом, чтобы, используя доступные сведения из соответствующей предметной области, обеспечить достижение естественного компромисса: модель должна обеспечить достаточно точную аппроксимацию изучаемых явленнй и допускать в то же время возможность аналитического или численного решения. Тем не менее можно сформулировать несколько общих принципов, которые могут оказаться полезными при построении модели деформаций.

Во-первых, следует попытаться разложить , которое может быть довольно сложным пространством, на простые факторы Произведение может быть конечным, счетным или несчетным, как мы убедимся ниже. Иногда такое разбиение задается непосредственно, как, например, в случае, когда деформации сводятся к топологическому преобразованию опорного пространства, за которым следует деформация маски. Некоторую пользу можно извлечь также из того способа, при помощи которого алгебры изображений построены из элементарных объектов. Если рассматриваются изображения, конфигурации которых включают образующих, и все они идентифицируемы, то можно попробовать воспользоваться представлением

рассчитывая на то, что свойства факторов окажутся достаточно удобными. Этот метод будет работать, однако, только в том случае, когда образующие однозначно определяются изображением. Вместо этого можно попробовать воспользоваться соответствующим разбиением в применении к каноническим конфигурациям, образующие которых определены в рассматриваемой алгебре изображений.

После разделения на достаточно простые факторы необходимо решить, какую вероятностную меру следует ввести на При этом существенным моментом является выбор такого способа факторизации деформаций, при котором отдельные факторы оказываются независимыми друг от друга. Невозможно полностью задать Р, не располагая эмпирической информацией, и для того чтобы получить оценки с удовлетворительной точностью, аксиоматическая модель должна быть в достаточной степени структурирована. Это критический момент для определения Р, и здесь требуется такое понимание механизма деформации, которое исключит неадекватное представление данных при последующем анализе. Если нам действительно удалось провести разбиение таким образом, что факторы в вероятностном смысле независимы, остается еще решить задачу

определения на них безусловных распределении. В качестве примера рассмотрим идеальные образующие, порождаемые механизмом типа где можно рассматривать как разностный оператор, а деформированные образующие определяются выражением Первое, что следует попробовать - это допустить независимость значений различных аргументах). Если это не может быть принято в качестве адекватной аппроксимации, стоило бы попытаться устранить зависимость посредством работы не с а с некоторым ее преобразованием (например, линейным). Другими словами, можно выбирать модель таким образом, чтобы деформации принимали простую вероятностную форму. Отметим в качестве еще одного примера, что при работе с образами-соответствиями (см. разд. 3.5) и дискретным опорным пространством X можно попытаться промоделировать Р исходя из предположения о том, что различные точки X отображаются на опорное пространство независимо и что соответствующие распределения различны.

Для того чтобы сузить выбор безусловных распределений, рассмотрим роль преобразований подобия. Если, как и выше, выбрано удачно, то можно рассчитывать, что Р будет обладать соответствующей инвариантностью. Итак, если подобные идеальные изображения и то в первую очередь следует выяснить, не обладают ли одним и тем же распределением вероятностей. Можно также использовать другой подход: попробовать модель, постулирующую равенство распределений вероятностей этот путь приводит нас к ковариантности по вероятности.

С помощью этих методов можем определить аналитическую форму Р, и оценки свободных параметров получить эмпирически.

Механизмы деформации будут классифицироваться на основе двух критериев: уровня и типа.

Под уровнем механизма деформации мы будем подразумевать тот этап синтеза образов изображений, на котором определяется Высший уровень, уровень изображений, соответствует тому случаю, когда

ДЕФОРМАЦИЯ – изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил (от лат. deformatio – искажение).

Твердые тела способны в течение длительного времени сохранять неизменной свою форму и объем, в отличие от жидких и газообразных. Это известное утверждение справедливо только «в первом приближении» и нуждается в уточнениях. Во-первых, многие тела, которые принято считать твердыми, с течением времени очень медленно «текут»: известен случай, когда гранитная плита (часть стенки) за несколько сот лет, вследствие осадки почвы, заметно изогнулась, следуя новому микрорельефу, причем без трещин и изломов (рис. 1). Было подсчитано, что характерная скорость перемещения при этом составляла 0,8 мм в год. Второе уточнение состоит в том, что все твердые тела изменяют свою форму и размеры, если на них действуют внешние нагрузки. Эти изменения формы и размеров называют деформациями твердого тела, причем деформации могут быть большими (например, при растяжении резинового шнура или при изгибе стальной линейки) или малыми, незаметными для глаза (например, деформации гранитного постамента при установке памятника).

С точки зрения внутреннего строения многие твердые тела являются поликристаллическими, т.е. состоят из мелких зерен, каждое из которых является кристаллом, имеющим решетку определенного типа. Стекловидные материалы и многие пластмассы не имеют кристаллической структуры, но их молекулы очень тесно связаны между собой и это обеспечивает сохранение формы и размеров тела.

Если на твердое тело действуют внешние силы (например, стержень растягивается двумя силами, рис. 2), то расстояния между атомами вещества увеличиваются, и с помощью приборов можно обнаружить увеличение длины стержня. Если нагрузки убрать, стержень восстанавливает прежнюю длину. Такие деформации называются упругими, они не превышают долей процента. При возрастании растягивающих сил может быть два исхода опыта: образцы из стекла, бетона, мрамора и т.д. разрушаются при наличии упругих деформаций (такие тела называются хрупкими). В образцах из стали, меди, алюминия наряду с упругими появятся пластические деформации, которые связаны с проскальзыванием (сдвигом) одних частиц материала относительно других. Величина пластических деформаций обычно составляет несколько процентов. Особое место среди деформируемых твердых тел занимают эластомеры – каучукоподобные вещества, допускающие огромные деформации: резиновую полоску можно вытянуть в 10 раз, без разрывов и повреждений, а после разгрузки первоначальный размер восстанавливается практически мгновенно. Деформация такого типа называется высокоэластической и связана с тем, что материал состоит из очень длинных полимерных молекул, свернутых в виде спиралей («винтовых лестниц») или гармошек, причем соседние молекулы образуют упорядоченную систему. Длинные многократно изогнутые молекулы способны распрямляться за счет гибкости атомных цепочек; при этом расстояния между атомами не меняются, и малые силы достаточны для получения больших деформаций за счет частичного распрямления молекул.

Тела деформируются под действием приложенных к ним сил, под влиянием изменения температуры, влажности, химических реакций, облучения нейтронами. Проще всего понять деформацию под действием сил – часто их называют нагрузками: балка, закрепленная по концам на опорах и нагруженная в середине, изгибается – деформация изгиба; при просверливании отверстия сверло испытывает деформацию кручения; когда мяч накачивают воздухом, он сохраняет шаровую форму, но увеличивается в размерах. Земной шар деформируется, когда по его поверхностному слою идет приливная волна. Даже эти простые примеры показывают, что деформации тел могут быть очень различными. Обычно детали конструкций в нормальных условиях испытывают малые деформации, при которых и форма их почти не изменяется. Наоборот, при обработке давлением – при штамповке или прокатке – происходят большие деформации, в результате которых форма тела существенно изменяется; например, из цилиндрической заготовки получается стакан или даже деталь очень сложной формы (при этом заготовку часто нагревают, что облегчает процесс деформирования).

Самым простым для понимания и математического анализа является деформирование тела при малых деформациях. Как это принято в механике, рассматривается некоторая произвольно выбранная точка М тела.

Перед началом процесса деформирования мысленно выделяется малая окрестность этой точки, имеющая простую форму, удобную для изучения, например, шар радиуса D R или куб со стороной D a , причем так, чтобы точка M оказалась центром этих тел.

Несмотря на то, что тела различной формы под влиянием внешних нагрузок и других причин получают весьма разнообразные деформации, оказывается, что малая окрестность любой точки деформируется по одному и тому же правилу (закону): если малая окрестность точки M имела форму шара, то после деформации она становится эллипсоидом; аналогично, куб становится косым параллелепипедом (обычно говорят, что шар переходит в эллипсоид, а куб – в косой параллелепипед). Именно это обстоятельство одинаково во всех точках: эллипсоиды в разных точках, конечно, получаются разными и по-разному повернутыми. То же касается и параллелепипедов.

Если в недеформированной сфере мысленно выделить радиальное волокно, т.е. материальные частицы, расположенные на некотором радиусе, и проследить за этим волокном в процессе деформирования, то обнаруживается, что это волокно все время остается прямым, но изменяет свою длину – удлиняется или укорачивается. Важную информацию можно получить следующим образом: в недеформированной сфере выделяются два волокна, угол между которыми – прямой. После деформации угол, вообще говоря, станет отличным от прямого. Изменение прямого угла называется сдвиговой деформацией или сдвигом. Суть этого явления удобнее рассмотреть на примере кубической окрестности, при деформации которой квадратная грань переходит в параллелограмм – этим объясняется название сдвиговой деформации.

Можно сказать, что деформация окрестности точки M известна полностью, если для любого радиального волокна, выбранного до деформации, можно найти его новую длину, и для двух любых таких взаимно перпендикулярных волокон – угол между ними после деформации.

Отсюда следует вывод, что деформация окрестности известна, если известны удлинения всех волокон и все возможные сдвиги, т.е. требуется бесконечно большое количество данных. На самом деле деформация частицы происходит очень упорядоченно – ведь шар переходит в эллипсоид (а не разлетается на кусочки и не превращается в нить, которая завязывается узлами). Эта упорядоченность выражается математически теоремой, суть которой состоит в том, что удлинения любого волокна и сдвиг для любой пары волокон можно вычислить (причем довольно просто), если известны удлинения трех взаимно перпендикулярных волокон и сдвиги – изменения углов между ними. И конечно, суть дела совершенно не зависит от того, какая форма выбрана для частицы – шаровая, кубическая или какая-нибудь еще.

Для более конкретного и более строгого описания картины деформации вводится система координат (например, декартовых) OXYZ , выбирается в теле некоторая точка M и ее окрестность в виде куба с вершиной в точке M , ребра которого параллельны осям координат. Относительное удлинение ребра, параллельного оси OX , –e xx (В этом обозначении индекс x повторен дважды: так принято обозначать элементы матриц).

Если рассматриваемое ребро куба имело длину a , то после деформации его длина изменится на величину удлинения D a x , при этом относительное удлинение, введенное выше, выразится как

e xx = D a x / a

Аналогичный смысл имеют величины e yy и e zz .

Для сдвигов принимаются следующие обозначения: изменение первоначально прямого угла между ребрами куба, параллельными осями OX и OY , обозначается как 2e xy = 2e yx (здесь коэффициент «2» вводится для удобства в дальнейшем, как если бы диаметр некой окружности обозначался 2r ).

Таким образом, введено 6 величин, а именно три деформации удлинения:

e xx e yy e zz

и три деформации сдвига:

e yx = e xy e zy = e yz e zx = e xz

Эти 6 величин называют компонентами деформации, при этом в это определение вкладывается тот смысл, что через них выражается любая деформация удлинения и сдвига в окрестности данной точки (часто говорят сокращенно – просто «деформация в точке»).

Компоненты деформации можно записать в виде симметричной матрицы

Эта матрица называется тензором малых деформаций, записанным в системе координат OXYZ . В другой системе координат с тем же началом этот же тензор будет выражаться другой матрицей, с компонентами

Оси координат новой системы составляют с осями координат старой системы набор углов, косинусы которых удобно обозначить так, как это сделано в следующей таблице:

Тогда выражение компонент тензора деформации в новых осях (т.е. e ´ xx ,…, e ´ xy ,…) через компоненты тензора деформаций в старых осях, т.е. через e xx,…, e xy ,…, имеют вид:

Эти формулы, по существу, являются определением тензора в следующем смысле: если некоторый объект описывается в системе OXYZ матрицей e ij , а в другой системе OX ´Y ´Z ´ – другой матрицей e ij ´, то он называется тензором, если имеют место приведенные выше формулы, которые называются формулами преобразования компонент тензора второго ранга к новой системе координат. Здесь, для краткости, матрица обозначена символом e ij , где индексы i , j соответствуют любому попарному сочетанию индексов x , y , z ; существенно, что индексов обязательно два. Число индексов называется рангом тензора (или его валентностью). В этом смысле вектор оказывается тензором первого ранга (его компоненты имеют один индекс), а скаляр можно рассматривать как тензор нулевого ранга, не имеющий индексов; в любой системе координат скаляр имеет, очевидно, то же самое значение.

Первый тензор в правой части равенства называется шаровым, второй – девиатором (от лат. deviatio – искажение), т.к. он связан с искажениями прямых углов – сдвигами. Название «шаровой» связано с тем, что матрица этого тензора в аналитической геометрии описывает сферическую поверхность.

Владимир Кузнецов

Механическое воздействие на тело изменяет взаимное расположение его частиц. Деформация - изменение взаимного расположения точек тела, приводящее к изменению его формы и размеров.

При действии на тело внешней деформирующей силы расстояние между частицами меняется. Это приводит к возникновению внутренних сил, стремящихся вернуть атомы (ионы) в первоначальное положение. Мерой этих сил является механическое напряжение. Непосредственно напряжение не измеряется. В ряде случаев его можно вычислить через внешние силы, действующие на тело.

В зависимости от условий внешнего воздействия различают несколько способов деформирования, которые рассматриваются ниже.

Растяжение (сжатие)

К стержню (бруску) длиной l и площадью поперечного сечения S прикладывается сила F, направленная перпендикулярно сечению (рис. 11.1). В результате этого в теле возникает механическое напряжение о, которое в данном случае характеризуется отношением силы к площади поперечного сечения стержня (малое изменение площади поперечного сечения не учитывается):

В СИ механическое напряжение измеряется в паскалях (Па).

Рис. 11.1. Деформации растяжения и сжатия

Под действием приложенной силы длина стержня изменяется на некоторую величину ∆l , которая называется абсолютной деформацией. Величина абсолютной деформации зависит от первоначальной длины стержня, поэтому степень деформации выражают через отношение абсолютной деформации к первоначальной длине. Это отношение называется относительной деформацией (ε):

Относительная деформация - величина безразмерная. Иногда

ее выражают в процентах:

При небольшой величине относительной деформации связь между деформацией и механическим напряжением выражается законом Гука:

где Е - модуль Юнга, Па (модуль продольной упругости).

При упругой деформации напряжение прямо пропорционально величине деформации.

Модуль Юнга численно равен напряжению, увеличивающему длину образца в два раза (практически разрушение образцов наступает при значительно меньших напряжениях). В табл. 11.1 представлены значения модулей упругости некоторых материалов.

В большинстве случаев при растяжении или сжатии степень деформации в различных сечениях стержня различна. Это можно увидеть, если на поверхность тела нанести квадратную сетку. После деформирования сетка исказится. По характеру и величине этого искажения можно судить о распределении напряжения вдоль образца (рис. 11.2).

Таблица 11.1

Модуль упругости (модуль Юнга) некоторых материалов

Видно, что изменения формы ячеек сетки максимальны в средней части стержня и почти отсутствуют на его краях.

Сдвиг

Деформация сдвига возникает, если на тело действует касательная сила, приложенная параллельно закрепленному основанию (рис. 11.3). В этом случае направление смещения свободного основания параллельно приложенной силе и перпендикулярно боковой грани. В результате деформации сдвига прямоугольный параллелепипед превращается в косоугольный. При этом боковые грани смещаются на некоторый угол γ, называемый углом сдвига.

Рис. 11.2. Искажение квадратной сетки при растяжении стержня

Рис. 11.3 . Деформация сдвига

Абсолютная деформация сдвига измеряется величиной смещения свободного основания (∆l ). Относительная деформация сдвига определяется через тангенс угла сдвига tgγ, называемый относительным сдвигом. Так как угол у обычно мал, то можно считать

При сдвиге в образце возникает напряжение сдвига τ (касательное напряжение), которое равно отношению силы (F) к площади основания (S),параллельно которому действует сила:

При небольшой величине относительной деформации сдвига связь между деформацией и механическим напряжением выражается эмпирическим соотношением:

где G - модуль сдвига, Па.

Изгиб

Этот вид деформации характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого объекта (балка, стержень) под действием внешних сил (рис. 11.4). При изгибе один наружный слой стержня сжимается, а другой наружный слой растягивается. Средний слой (называемый нейтральным) изменяет лишь свою форму, сохраняя длину. Степень деформирования бруска, имеющего две точки опоры, определяется по перемещению X, которое получает середина стержня. Величина А, называется стрелой прогиба.

Рис. 11.4. Деформации изгиба

Применительно к прямому брусу в зависимости от направления действующих сил изгиб называют продольным или поперечным. Продольный изгиб возникает под действием сил, направленных вдоль бруса и приложенных к его концам навстречу друг другу (рис. 11.5, а). Поперечный изгиб возникает под действием сил, направленных перпендикулярно, брусу и приложенных как к его концам, так и в средней части (рис. 11.5, б). Встречается также и смешанный продольно-поперечный изгиб (рис. 11.5, в).

Рис. 11.5. Различные виды изгиба: а) продольный, б) поперечный, в) продольно-поперечный

Кручение

Этот вид деформации характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня под влиянием моментов (пар сил), действующих в плоскости этих сечений. Кручение возникает, например, когда нижнее основание стержня закреплено, а верхнее основание поворачивают вокруг продольной оси, рис. 11.6.

При этом расстояние между различными слоями остается практически неизменным, но точки слоев, лежащих на одной вертикали, сдвинуты относительно друг друга. Этот сдвиг в разных местах будет различен. Например, в центре сдвига совсем не будет, по краям он будет максимальный. Таким образом, деформация кручения сводится к деформации сдвига, различному в разных частях, т. е. к неоднородному сдвигу.

Основание фиксировано

Рис. 11.6. Деформации кручения

Рис. 11.6, а. Устранение асимметрии лица с помощью лейкопластыря

Абсолютная деформация при кручении характеризуется углом поворота (φ) одного основания относительно другого. Относительная деформация (θ) равна отношению угла φ к длине стержня:

Сравнивания различные способы деформирования однородных тел, можно увидеть, что все они сводятся к комбинации растяжения (сжатия) и сдвига.

Пример

Для устранения асимметрии лица после травмы проводится лейкопластырное натяжение со здоровой стороны на больную, рис. 11.6, а.

Лейкопластырное натяжение направлено против тяги мышц здоровой кожи и осуществляется прочной фиксацией другого свободного конца пластыря к специальному шлему - маске, изготовленному индивидуально.

Виды деформации

Зависимость механического напряжения от относительной деформации для твердых тел при растяжении представлена на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Зависимость напряжения от деформации - диаграмма растяжения

Участок ОВ соответствует упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки.

Точка В - предел упругости σ упр - напряжение, ниже которого деформация сохраняет упругий характер (т. е. справедлив закон Гука).

Участок ВМ соответствует пластической деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки.

Участок MN соответствует деформации текучести, которая возрастает без увеличения напряжения. Напряжение, начиная с которого деформация становится текучей, называется пределом текучести.

Точка С - предел прочности σ п - механическое напряжение, при котором происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от способа деформирования и свойств материала.

В области упругих деформаций (линейная область) связь между механическим напряжением и деформацией описывается законом Гука (11.2).

Прочность

Прочность - способность тел выдерживать без разрушения приложенную к ним нагрузку.

Прочность обычно характеризуют величиной предельного напряжения, вызывающего разрушение тела при данном способе деформирования.

Предел прочности - это предельное напряжение, при котором образец разрушается.

При различных способах деформирования значения предела прочности отличаются.

Ниже (табл. 11.2) это показано на примере бедренной кости некоторых биологических объектов.