Напряжения и деформации при сварке

Напряжения и деформации в металлических сварных конструкциях возникают в результате нарушений технологии выполнения работ. О надежности в таких случаях говорить не приходится, поскольку на стыках образуются трещины, которые в конечном итоге приводят к разрушению конструкции. Помимо этого не исключается деформация металлических элементов. Часто она настолько критична, что эксплуатация изделия невозможна.

СОДЕРЖАНИЕ

• Определение мест образования деформаций и напряжений
• Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке
• Виды сварочных деформаций
• Как избежать деформации металла при сварке
• Временные и остаточные напряжения – методы устранения
• Методы устранения деформаций

Определение мест образования деформаций и напряжений

Сварочные напряжения – это направленные на соединительный шов механические воздействия постоянного характера. Они могут быть:

• изгибающего действия;
• растягивающего;
• срезающего;
• сжимающего;
• растягивающего.

Сварочные деформации – это изменение формы конструкции в результате воздействия внутренней силы. Точка приложения этой силы приходится на места сварки. Деформации могут проявляться не сразу, а по истечении некоторого времени как результат усталости металла или после начала эксплуатации под воздействием дополнительных нагрузок. При благоприятных раскладах возможен минимальный ущерб, который выражается снижением устойчивости к воздействию коррозии. Если же внутреннее напряжение слишком высокое, то не исключается разрушение конструкции.

Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке

Напряжения и деформации во время сварки могут возникать по нескольким причинам. Их принято разделять на две группы: основные и побочные. Отличительная особенность между ними состоит в том, что первые образуются во время сварочного процесса и объективно неизбежны.

А вот побочные напряжения можно и нужно предотвращать.

Основные причины деформаций, относящиеся к второй группе (побочные):

1. Неравномерный нагрев металлической заготовки. Суть физического процесса сводится к тому, что металл с более высокой температурой расширяется больше. Между двумя примыкающими слоями с разной температурой образуется напряженность. Она тем больше, чем выше показатели температуры и, соответственно, коэффициент теплового расширения. С возрастанием значений прямо пропорционально увеличивается и вероятность деформации конструкции.
2. Усадки имеют место в тех случаях, когда жидкий металл резко охлаждается и переходит в твердое состояние. Во время этого процесса прилегающие участки растягиваются, в результате чего создается внутреннее напряжение металла, которое может быть как продольным, так и поперечным по отношению к стыку. В первом случае вероятно изменение длины заготовки, а во втором – образование угловой деформации.
3. Структурные изменения. Соединение заготовок из высокоуглеродистой и легированной стали сопровождается большим нагревом заготовок. В результате этого имеет место закаливание металлов, сопровождаемого изменением объема и значений коэффициента теплового расширения. В результате этих процессов образуется напряжение, приводящее к образованию трещин на видимой части шва и внутри него. Исключением является процесс сваривания стали с содержанием углерода до 0,35%. В этом случае структурные изменения тоже имеют место, но они настолько малы, что существенного влияния на качества соединения не оказывают.

К побочным причинам деформаций причисляют:

• неверный выбор электродов,
• сварка выполнялась в неправильном режиме;
• нарушения технологии выполнения сварочных работ;
• плохая подготовка кромок;
• ошибка при выборе типа шва;
• слишком маленькое расстояние между двумя разными швами;
• большое количество точек пересечения;
• неопытность специалистов;
• ошибки конструктивного характера.

Виды сварочных деформаций

Сварочные напряжения могут быть структурными или тепловыми в зависимости от причин их образования. Как понятно из названия, тепловые возникают в процессе нагрева или остывания заготовок, а структурные – в результате внутренних изменений материала. Они могут проявляться и комплексно, например, в случае сваривания высокоуглеродистых и легированных сортов стали.

Если принять во внимание место действия, то напряжения возникают в пределах всей конструкции, сварного соединения, в зернах или кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их разделяют на три группы:

• Линейные. Характеризуются односторонним направлением действия;
• Плоские. Имеют двустороннюю направленность воздействия;
• Объемные. Действие напряжения направлено по трем осям.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM.

Деформация, которая возникает во время сварочных работ, называется общей. В случаях, когда меняются форма и размеры одной или нескольких расположенных рядом свариваемых деталей, деформация называется местной.

Деформации принято различать и по продолжительности действия. Временными называют те, воздействие которых проявляется исключительно в период выполнения сварочных работ. Геометрические параметры восстанавливаются после остывания металла. Изменение формы, которое остается и после того, как устранена сама причина ее образования, называется остаточной. В случаях, когда геометрические параметры после работы приходят в начальную форму, деформации принято называть

упругими, в обратном случае – пластическими.

Как избежать деформации металла при сварке

Для уменьшения вероятности деформации деталей и готовой конструкции специалисты рекомендуют придерживаться некоторых правил:

1. На этапе проектирования сделать расчет деформаций для нормального формирования сварочного шва, выбрать оптимальные припуски для усадки.
2. Расположить швы желательно симметрично относительно осей узлов.
3. При проектировании не допускать, чтобы в одной точке пересекалось больше трех швов.
4. Перед началом сварочных работ проверить, все ли зазоры на стыках соответствуют расчетным показателям.
5. Не формировать сварочные швы в местах предполагаемой концентрации внутренних напряжений металла.

В целях уменьшения деформации металла и напряжений внутри материалов во время выполнения сварочных работ специалисты используют специальные приемы. Наиболее эффективные из них:

• Создание дополнительных очагов деформации, вектор которых направлен в противоположную сторону.
• Длинные швы (1 метр и более) разбиваются на несколько участков до 15 см каждый. Сваривание выполняется обратноступенчатым методом.
• Часто помогает снижение температуры в сварочной зоне. Для этого во время сварки под стыки подкладываются графитовые или медные пластины.
• Расположенные недалеко друг от друга стыки свариваются так, чтобы деформации компенсировали одна другую.
• При соединении заготовок из вязких металлов применяются технологии и методы, направленные на снижение остаточных явлений.
• Если условиями эксплуатации допускается возможность создания коротких швов, то следует делать стыки как можно меньше.

• При сваривании желательно делать как можно меньше проходов.
• В случаях, когда предусматривается формирование двухстороннего шва, следует наплавлять слои с каждой стороны попеременно.
• Перед началом работы можно выгнуть края заготовок в сторону противоположную направлению деформации. После остывания они вернутся в исходное положение.
• Количество прихваток должно быть минимальным.
• Небольшие заготовки и узлы приваривать с использованием кондукторов и шаблонов.

Временные и остаточные напряжения – методы устранения

Для снятия напряжений отлично подходят механическая обработка и отжиг. Температурное воздействие выполняется в случаях, когда возникает необходимость в точном соблюдении заданных размеров. Отжиг может быть местным или общим. Металл нагревается до температуры 550-680 °C. Работы выполняются в три приема: разогрев, выдержка при заданной температуре и охлаждение.

Механическое снятие напряжений включает обработку соединений проковкой, взрывом, вибрацией или прокаткой. Преследуемая цель – создание обратно направленной нагрузки. Для проковки горячей или холодной чаще всего применяется пневматический молот. Для создания вибраций применяется специальное устройство, генерирующее колебания в диапазоне от 10 до 120 Гц. Способ воздействия выбирается с учетом сложности конструкции, формы и размеров деталей.

Методы устранения деформаций

Существует несколько способов устранения дефектов геометрии конструкции: термический с местным или общим нагревом, чисто механический и комбинация этих двух способов – термомеханическое устранение дефектов. В случае применения термического способа правки с полным обжигом конструкцию изначально закрепляют в устройстве, которое будет создавать давление на деформированный участок.

После этого ее нагревают в печи.

При локальном нагреве упор делается на сжимании металла при остывании. Для устранения изъяна участок прогревается с помощью сварочной дуги или газовой горелки. Поскольку соседние участки металла остаются холодными, то зона нагрева носит локальный характер и расширяется незначительно. После остывания дефективный участок выпрямляется, а его форма становится приемлемой.

Термическое воздействие является пригодным для исправления всех вариантов дефектов. Но при работе с тонкостенными листовыми материалами следует учитывать особенности:

• нагрев очень быстро распространяется по большой площади тонкого листа. В силу этих причин силы сжатия бывает недостаточно для устранения деформации;
• максимально допустимая температура локального нагрева составляет 600-650 °C. В противном случае буду образовываться новые дефективные участки и деталь станет непригодной для дальнейшей эксплуатации.

Исправление механическим путем подразумевает создание обратно направленных нагрузок на растянутые участки. Самые распространенные способы воздействия – вальцовка, изгибание, ковка, прокатка, растяжка.

Термомеханическая правка включает разогрев участка до 700-800 °C с последующим механическим воздействием. Участки с сильным деформированием исправляют следующим способом. Сначала делают обратные куполообразные выступы, после чего нагревают и резко охлаждают.

Способ устранения деформации выбирается в зависимости от сложности и размеров конструкции. При этом учитываются показатели трудозатрат, финансовые издержки и расход материалов.

Напряжения и деформации при сварке

Оцените, пожалуйста, статью

12345

Всего оценок: 9, Средняя: 3

виды деформации, пределы упругости и прочности

Частицы, из которых состоят твердые тела (как аморфные, так и кристаллические) постоянно совершают тепловые колебания около положений равновесия. В таких положениях энергия их взаимодействия минимальная. Если расстояние между частицами уменьшается, начинают действовать силы отталкивания, а если увеличиваться – то силы притяжения. Именно этими двумя силами обусловлены все механические свойства, которыми обладают твердые тела.

Определение 1

Если твердое тело изменяется под воздействием внешних сил, то частицы, из которых оно состоит, меняют свое внутреннее положение. Такое изменение называется деформацией.

Виды деформации

Различают деформации нескольких видов. На изображении показаны некоторые из них.

Рисунок 3.7.1. Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия.

Первый вид – растяжение или сжатие – является наиболее простым видом деформации. В таком случае изменения, происходящие с телом, можно описать при помощи абсолютного удлинения Δl, которое происходит под действием сил, обозначаемых F→. Взаимосвязь, существующая между силами и удлинением, обусловлена геометрическими размерами тела (в первую очередь толщиной и длиной), а также механическими свойствами вещества.

Определение 2

Если мы разделим величину абсолютного удлинения на первоначальную длину твердого тела, мы получим величину его относительного удлинения (относительной деформации).

Обозначим этот показатель ε и запишем следующую формулу:

ε=∆ll.

Определение 3

Относительная деформация тела растет при его растяжении и соответственно уменьшается при сжатии.

Если учесть, в каком именно направлении внешняя сила действует на тело, то мы можем записать, что F будет больше нуля при растяжении и меньше нуля при сжатии.

Механическое напряжение

Определение 4

Механическое напряжение твердого тела σ – это показатель, равный отношению модуля внешней силы к площади сечения твердого тела.

σ=FS.

Величину механического напряжения принято выражать в паскалях (Па) и измерять в единицах давления.

Важно понимать, как именно механическое напряжение и относительная деформация связаны между собой. Если отобразить их взаимоотношения графически, мы получим так называемую диаграмму растяжения. При этом нам нужно отмерить величину относительной деформации по оси x, а механическое напряжение – по оси y. На рисунке ниже представлена диаграмма растяжения, типичная для меди, мягкого железа и некоторых других металлов.

Рисунок 3.7.2. Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала. Голубая полоса – область упругих деформаций.

В тех случаях, когда деформация твердого тела меньше 1% (малая деформация), то связь между относительным удлинением и механическим напряжением приобретает линейный характер. На графике это показано на участке Oa. Если напряжение снять, то деформация исчезнет.

Определение 5

Деформация, исчезающая при снятии напряжения, называется упругой.

Линейный характер связи сохраняется до определенного предела. На графике он обозначен точкой a.

Определение 6

Предел пропорциональности – это наибольшее значение σ=σпр, при котором сохраняется линейная связь между показателями σ и ε.

На данном участке будет выполняться закон Гука:

ε=1Eσ.

В формуле содержится так называемый модуль Юнга, обозначенный буквой E.

Если мы продолжим увеличивать напряжение на твердое тело, то линейный характер связи нарушится. Это видно на участке ab. Сняв напряжение, мы также увидим практически полное исчезновение деформации, то есть восстановление формы и размеров тела.

Предел упругости

Определение 7

Предел упругости – максимальное напряжение, после снятия которого тело восстановит свою форму и размер.

После перехода этого предела восстановления первоначальных параметров тела уже не происходит. Когда мы снимаем напряжение, у тела остается так называемая остаточная (пластическая) деформация.

Определение 8

Обратите внимание на участок диаграммы bc, где напряжение практически не увеличивается, но деформация при этом продолжается. Это свойство называется текучестью материала.

Предел прочности

Определение 9

Предел прочности – максимальное напряжение, которое способно выдержать твердое тело, не разрушаясь.

В точке e материал разрушается.

Определение 10

Если диаграмма напряжения материала имеет вид, соответствующий тому, что показан на графике, то такой материал называется пластичным. У них обычно деформация, при которой происходит разрушение, заметно больше области упругих деформаций. К пластичным материалам относится большинство металлов.

Определение 11

Если материал разрушается при деформации, которая превосходит область упругих деформаций незначительно, то он называется хрупким. Такими материалами считаются чугун, фарфор, стекло и др.

Деформация сдвига имеет аналогичные закономерности и свойства. Ее отличительная особенность состоит в направлении вектора силы: он направлен по касательной относительно поверхности тела. Для поиска величины относительной деформации нам нужно найти значение Δxl, а напряжения – FS (здесь буквой S обозначена та сила, которая действует на единицу площади тела). Для малых деформаций действует следующая формула:

∆xl=1GFS

Буквой G в формуле обозначен коэффициент пропорциональности, также называемый модулем сдвига. Обычно для твердого материала он примерно в 2-3 раза меньше, чем модуль Юнга. Так, для меди E=1,1·1011 Н/м2, G=0,42·1011 Н/м2.

Когда мы имеем дело с жидкими и газообразными веществами, то важно помнить, что у них модуль сдвига равен 0.

При деформации всестороннего сжатия твердого тела, погруженного в жидкость, механическое напряжение будет совпадать с давлением жидкости (p). Чтобы вычислить относительную деформацию, нам нужно найти отношение изменения объема ΔV к первоначальному объему V тела. При малых деформациях

∆VV=1Bp

Буквой B обозначен коэффициент пропорциональности, называемый модулем всестороннего сжатия. Такому сжатию можно подвергнуть не только твердое тело, но и жидкость и газ. Так, у воды B=2,2·109 Н/м2, у стали B=1,6·1011Н/м2. В Тихом океане на глубине 4 км давление составляет 4·107 Н/м2, а относительно изменения объема воды 1,8 %. Для твердого тела, изготовленного из стали, значение этого параметра равно 0,025 %, то есть оно меньше в 70 раз. Это подтверждает, что твердые тела благодаря жесткой кристаллической решетке обладают гораздо меньшей сжимаемостью по сравнению с жидкостью, в которой атомы и молекулы связаны между собой не так плотно. Газы могут сжиматься еще лучше, чем тела и жидкости.

От значения модуля всестороннего сжатия зависит скорость, с которой звук распространяется в данном веществе.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Деформации и напряжения при сварке: причины, виды, способы устранения

Содержание:

1. Что являют собой напряжения и деформации
2. Почему образуются деформации и напряжения
3. Виды деформаций и напряжений
4. Тестирование сварных швов и расчет деформаций
5. Способы устранения сварочных напряжений
6. Способы устранения деформации
7. Как предотвратить возникновение напряжений и деформации
8. Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям
9. Интересное видео

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

• неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
• литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

• отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
• несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
• отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения	Тип напряжения	Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления	Тепловые	Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
	Структурные	Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования	Временные	Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
	Остаточные	Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади	Действующие в пределах всей конструкции
	Действующие только в зернах структуры материала
	Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия	Продольные	Образуются вдоль линии сварочного шва
	Поперечные	Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния	Линейные	Только в одном направлении распространяется действие
	Плоскостные	Образуются в двух разных направлениях
	Объемные	Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Виды деформаций при сварке бывают:

• местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
• временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем — остаточными;
• упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются — пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

• разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
• неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

• при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
• швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
• очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
• перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
• понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
• при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
• использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
• накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
• подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

причины и способы их устранения

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Причины деформации металла при сварке
• Виды деформаций металла после сварки
• О тестировании сварных швов и расчете деформаций металла при сварке
• Способы устранения деформации металла при сварке
• Способы избежать деформации металла при сварке

Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.

Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.

 

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

• Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
• Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
• Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

VT-metall предлагает услуги:

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

• любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
• несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
• низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Виды деформаций металла после сварки

Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.

Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).

Характер появления	Тип напряжения	Причина нарушения
По причинам возникновения	Тепловое	Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке
	Структурное	В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала
По времени существования	Временное	Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит
	Остаточное	Остается в деталях и после устранения причин возникновения
По задействованной площади	Имеющееся во всей конструкции
	Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла
	Присутствующее в кристаллической решетке материала
По направленности воздействия	Продольное	Появляется по линии шва
	Поперечное	Размещается поперек оси соединения
По состоянию напряжения	Линейное	Происходит только в одном направлении
	Плоскостное	Распространяется на два различных направления
	Объемное	Воздействие происходит по трем осям

В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:

• Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
• Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
• Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.

 

Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.

 

Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

• разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
• неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Способы устранения деформации металла при сварке

Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.

Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.

Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.

Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.

Способы избежать деформации металла при сварке

Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.

Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.

Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.

• Сопроводительный и предварительный подогрев.

  Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.

• Наложение швов в обратноступенчатом порядке.

  При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.

• Проковка швов.

  Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.

• Выравнивание деформаций.

  Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.

• Жесткое крепление деталей.

  Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.

• Термическая обработка.

  Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.

   

  Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией. Различаются следующие ее виды:
— упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2%.
— остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.
Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.
Силы, которые действуют на изделие, делятся на:
— внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление газа на стенки сосуда и пр. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;
— внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.
Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.
Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба.

Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а — растяжение; б — сжатие; в — кручение; г — срез; д — изгиб

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.
К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:
1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26%. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели.

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.
При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:
а) продольная , которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а — при симметричном; б, в — при несимметричном; 1 — график напряжений; 2 — шов; AL — деформация; b — ширина зоны нагрева;—напряжение сжатия; + — напряжение растяжения

(продолжение). Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: г — при несимметричном; 2 — шов

б) поперечная , следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т.е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Поперечная усадка и деформации: а — деформации до и после сварки; б — график распределения напряжения (О — центр тяжести поперечного сечения шва;—напряжение сжатия; + — напряжение растяжения)

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.
Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.
В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.
2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении — сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;
3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые — в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.
Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:
— ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;
— несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;
— низкая квалификация исполнителя.
Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.
Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва —остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпу-чины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом — общими.
Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее.

Некоторые виды деформации: а — в плоскости сварного соединения; б — вне плоскости сварного соединения; 1 — форма изделия до сварки; 2 — форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:
1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.
2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.
3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации, т.е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций.

Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.
4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.
5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.
6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.
7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.
8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а — настила; б — двутавровой балки

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.
Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве.

Напряжение в продольном сечении шва при сварке (—напряжение сжатия; + — напряжение растяжения): а — на проход; б — от концов к центру

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20-25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом. Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200-300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200-300 мм и т.д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а — горкой; 1 — ось «горки»; 2 — толщина металла; б — каскадом

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратноступен-чатом порядке. Для этого протяженные швы делят на части длиной 150-200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300-400° С для бронзы, 250270° С для алюминия, 500-600° С для стали, 700-800° С для чугуна и т.д.
Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.
13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820-930° С, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50-75° С в час), доводя температуру до 300° С. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.
Основные отличия нормализации от полного отжига — более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20-30° С превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.
14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.
15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.
16. Уменьшают число прихваток и их сечения.
17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции.

Деформации и напряжения при сварке. Сварочные работы. Практический справочник

Деформации и напряжения при сварке

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией. Различаются следующие ее виды:

– упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.

– остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.

Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.

Силы, которые действуют на изделие, делятся на:

– внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление газа на стенки сосуда и пр. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;

– внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.

Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.

Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).

Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.

К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:

1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).

Таблица 1. ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.

При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:

а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ?L – деформация; b – ширина зоны нагрева; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов

б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.

Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.

В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.

2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;

3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.

Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:

– ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;

– несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;

– низкая квалификация исполнителя.

Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва – остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпучины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом – общими.

Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее (рис. 6).

Рис. 6. Некоторые виды деформации: а – в плоскости сварного соединения; б – вне плоскости сварного соединения; 1 – форма изделия до сварки; 2 – форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:

1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.

2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.

3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации (рис. 7), т. е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Рис. 7. Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций (рис. 8). Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.

Рис. 8. Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.

5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.

6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.

7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.

8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность (рис. 9) выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.

Рис. 9. Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а – настила; б – двутавровой балки

Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве (рис. 10).

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке (– – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения): а – на проход; б – от концов к центру

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20–25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом (рис. 11). Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200–300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200–300 мм и т.  д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Рис. 11. Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а – горкой; 1 – ось «горки»; 2 – толщина металла; б – каскадом

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратноступенчатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят на части длиной 150–200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12.  Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300–400 °C для бронзы, 250-270 °C для алюминия, 500–600 °C для стали, 700–800 °C для чугуна и т. д.

Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.

13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820–930 °C, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50–75 °C в час), доводя температуру до 300 °C. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.

Основные отличия нормализации от полного отжига – более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20–30 °C превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.

14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.

15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.

16. Уменьшают число прихваток и их сечения.

17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Техника безопасности при дуговой сварке и резке

Техника безопасности при дуговой сварке и резке Сварочные работы сопряжены с определенными факторами, которые могут быть опасными для здоровья человека. К ним относятся:– поражение электрическим током;– отравление токсичными газами и пылью;– ожоги расплавленным

Техника безопасности при газовой сварке и резке

Техника безопасности при газовой сварке и резке Газовая сварка и резка связаны с определенным риском, поэтому при их осуществлении необходимо строго соблюдать правила техники безопасности:1.  До проведения работ надо внимательно прочитать инструкцию по применению

Последовательность проведения работ при холодной сварке

Последовательность проведения работ при холодной сварке Состыкуйте полотнища линолеума и тщательно очистите шов от пыли. Затем наденьте перчатки и наклейте на края полотнищ (по стыку) широкий односторонний скотч. Аккуратно прорежьте лезвием скотч над местом стыка

Последовательность проведения работ при холодной сварке

Последовательность проведения работ при холодной сварке Прирезанные края полотнищ линолеума отгибают до границы приклеенных участков и наклеивают по линии стыка на нижележащий слой клейкую с 2 сторон ленту шириной около 100 мм. Шпателем наносят мастику или клей на

Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения Поскольку пониженное или, напротив, повышенное напряжение в сети достаточно опасно для большинства электрических приборов, желательно приобрести стабилизатор напряжения. Он позволит защитить дорогостоящее оборудование от порчи. Ведь после

Установка стабилизатора напряжения

Установка стабилизатора напряжения Скачки напряжения в сети происходят достаточно часто. Такое явление вовсе не безобидно, поскольку может причинить серьезный вред имуществу и привести к пожару. Крайне чувствительна к подобным сбоям компьютерная и бытовая

стресс и напряжение

Количественные концепции: Тригонометрия, график

---

^{от доктора Кэрол Орманд (Университет Висконсина — Мэдисон) и доктор Эрик Баер (Highline Community College)}
3,0003 Jump Jump Jump) Jump Jump Jump Jump) Jump Jump Jump Jump Jump Jump). до: Стресс, деформация и т.п. конструкции | Условия деформации | Неисправности | Аналоги | Примеры обучения | Ресурсы

Основные понятия

Есть 5 основных понятий, с которыми учащиеся борются, думая о стрессе и напряжении:

1. горные породы деформируются,
2. напряжение вызывает деформацию, а деформация приводит к структурным изменениям,
3. разные физические условия создают разные структуры,
4. вывод напряжения от разломов и
5. отношения между аналогами и реальностью.

Деформация камней

Многим учащимся трудно понять, что камни могут гнуться или ломаться. Им также может быть трудно представить себе силы, необходимые для образования складок или разломов горных пород, или понять, что кажущаяся неизменной Земля может резко меняться с течением времени. Особенно это касается студентов, проживающих в тектонически стабильных районах. Если учащиеся должны понять основы стресса и напряжения, они должны преодолеть этот барьер, поскольку будет трудно исследовать причины и условия деформации, если учащиеся не могут понять деформацию. Часто бывает полезно предложить учащимся создать аналоговые модели структур, представленных на фотографиях камней или образцах рук.

Вот изображение структуры, известной как будинаж (названный в честь французского слова, обозначающего кровяную колбасу — обратите внимание на структуру, похожую на колбасу). Можете ли вы сделать аналогичную структуру с помощью Silly Putty®?

Какая скорость деформации необходима для изготовления чего-то подобного (получите ли вы тот же результат, если разобрать его быстрее или медленнее)? Будет ли работать лучше, если ваша Silly Putty® теплая или холодная? Как вы думаете, будет ли такой же результат с пластилином PlayDoh® или тестом для печенья? Влияет ли количество Silly Putty® на то, насколько легко вы сможете воспроизвести структуру? Все эти условия могут быть перенесены на горные породы — скорость деформации, температура, тип материала, масштаб — и влияют на типы структур, которые обнаруживаются в горных записях.

Чтобы показать учащимся, что горные породы деформируются, можно использовать изображения и ручные образцы реальных пород с разломами и складками в различных масштабах. Существует несколько хороших коллекций таких типов изображений, таких как Всемирный банк изображений AGI Earthscience, коллекция Мартина Миллера или набор слайдов «Разломы» Национального центра геофизических данных.

Напряжение вызывает деформацию, деформация приводит к структурным изменениям

Многие геологи считают важным для начинающих студентов понять, что видимые структуры отражают стресс и физические условия в Земле. В результате различия между напряжением, деформацией и структурами, образующимися при деформации, становятся ключевыми понятиями.

Шоу Стресс, деформация, структура — Какая разница?

Скрыть

• Напряжение — это сила, действующая на горную породу на единицу площади. Оно имеет те же единицы измерения, что и давление, но также имеет направление (т. е. является вектором, как и сила). Различают три вида напряжения: сжатие, растяжение и сдвиг. Стресс может вызвать деформацию, если она достаточна для преодоления силы объекта, находящегося под нагрузкой.
• Деформация – это изменение формы или размера в результате приложенных сил (деформация). Камни деформируются только при нагрузке. Любой камень можно растянуть. Деформация может быть упругой, хрупкой или вязкой. Пластическая деформация также называется пластической деформацией.
• Конструкции в геологии представляют собой элементы деформации, возникающие в результате постоянного (хрупкого или пластического) напряжения. Примеры включают складки и разломы. Геологи используют эти функции, чтобы определить тип напряжения, которому подвергалась порода, а также условия напряжения, которое она испытала (или испытала, в зависимости от вашей точки зрения).

После показа изображений деформированных горных пород предоставление учащимся возможности создать свои собственные «структуры» с помощью пластилина Play-Doh®, Silly Putty® или другого геологического аналога помогает им понять концепции, лежащие в основе напряжений и деформаций, и позволяет им исследовать отношения среди напряженных, деформационных и деформационных конструкций. Студенты могут поэкспериментировать с типами нагрузки и скоростью деформации, необходимой для того, чтобы аналоги сломались или погнулись. В качестве альтернативы они могут использовать структуры в аналоге для определения напряжений и скоростей деформации после создания «структуры». См. Камни деформируют выше для примера создания учениками будинов.

Напряжение, деформация и структура начинаются с одних и тех же трех букв, но означают совершенно разные вещи. Эти слова также используются в геологии иначе, чем в обычном употреблении в английском языке, что может вызвать путаницу. Тем не менее, вот некоторые приемы, которые я использую для запоминания:

• Стресс — это то же самое, что и давление. Когда вы находитесь под давлением, вы испытываете стресс!
• Стресс может произойти без напряжения, но напряжение не может произойти без напряжения.

Посмотрите на этот камень, который я сжимаю в руке.

• Стресс? (Да, он находится под давлением. )
• Он натянут? (Нет, форма не изменилась.)

Теперь посмотрите на этот камень со складкой.

• Находится ли он в состоянии стресса? (Нет, не под давлением).
• Напрягает? (Нет, в настоящее время он не меняет форму.)
• Имеет ли он структуру? (Да, есть складка.)

В дополнение к Silly Putty® и Play-Doh®, деревянные блоки с нарисованными слоями или резервуар для сжатия/сжатия, заполненный слоистым песком или хлопьями для завтрака, также хорошо моделируют структурные элементы. Аналоги, однако, трудно масштабировать должным образом (как во времени, так и в пространстве) до гигантских масштабов, в которых формируются геологические структуры. Студенты могут по-прежнему испытывать трудности с пониманием огромных масштабов сил, необходимых для изгиба или разрушения горных пород, и длительных масштабов времени, необходимых для создания структур. Убедитесь, что вы ясно даете понять своим ученикам, что эти подводные камни существуют. Более подробные идеи для аналогов доступны на веб-странице материалов-аналогов преподавания структурной геологии.

После того, как учащиеся усвоили взаимосвязь между напряжением, напряжением и структурой, я разрабатываю таблицу 3 x 2 различных структур, которые формируются в различных условиях напряжения и напряжения. Затем я приступаю к заполнению таблицы с помощью студентов.

Давайте посмотрим, какие особенности обнаруживаются при различных стрессовых условиях и при различных стилях деформации. Мы сделаем это, сделав таблицу. Какие три типа стресса существуют? Сжатие, растяжение и сдвиг. Теперь, каковы 2 типа остаточной деформации? Пластичный и хрупкий. Давайте составим таблицу из трех столбцов и двух строк и заполним ее соответствующими структурами! Когда мы закончим, у нас должно быть 6 видов элементов деформации.

Теперь проверьте, сможете ли вы сделать все это с помощью пластилина Play-Doh® или кубиков.

Разные условия приводят к разным стилям деформации

Существует множество факторов, влияющих на стиль деформации в породе, включая давление, температуру, состав породы, наличие или отсутствие флюидов, тип напряжения, скорость напряжения и другие. Однако тип стресса, уровень стресса и температура могут быть наиболее важными факторами для большинства начинающих студентов.

Silly Putty® — это материал, похожий на камни, который может деформироваться пластически или хрупко. Что контролирует, как он будет деформироваться?

• Температура: Холодная замазка легко ломается, но теплая замазка очень пластична.
• Скорость деформации: Если я быстро разорву его, он сломается, но если я потяну его медленно, он вытянется (пластически деформируется).
• Тип стресса: Наконец, выберите сильного ученика, и пусть он или она попытается сломать дурацкую замазку, используя сжимающее напряжение. Как видите, это практически невозможно. Теперь попросите одного из учеников сломать его, используя напряжение. Это намного проще. Большинство материалов легче ломаются (или иным образом деформируются) при растяжении, чем при сжатии; мы говорим, что они слабее при растяжении или сильнее при сжатии.

Температура, скорость деформации и тип напряжения также являются ключевыми факторами деформации ледников. Это дает возможность вернуться к этим концепциям позже в термине.

Отношение разломов к напряжению — висячие стены, подошвы и различные типы разломов

Одна из целей структурной геологии состоит в том, чтобы связать характер деформации с вызвавшим ее напряжением. Поэтому важно, чтобы учащиеся могли различать нормальные разломы (вызванные растяжением) и обратные разломы (вызванные сжатием).

Деревянные кубики — ценный инструмент для изучения нормальных и обратных разломов. Используя три блока, срезанных под углом, можно создать горсты и грабены. Раздвиньте блоки, чтобы создать грабен; столкните их вместе, чтобы сделать хорс. Преимущество использования 3-х блоков состоит в том, что учащиеся видят, что важна не ориентация разлома, а движение по разлому. Поскольку они могут видеть, расширяю я блоки или сжимаю их, у них развивается интуитивное чувство разницы между нормальными и обратными разломами. Тем не менее, учащимся, как правило, все еще необходимо изучить разницу между висячим и нижним бортом разлома, чтобы иметь возможность точно определить, является ли разлом нормальным или обратным, и какое напряжение вызвало его.

Разломы — это места, где скалы были разбиты и смещены. Нередки случаи, когда флюиды во время деформации текли по разрыву, оставляя ценные полезные ископаемые вдоль разлома. В результате многие шахты строятся вдоль поверхностей разломов. Из-за этого одна сторона разлома называется висячей стеной (поверхность, на которой будет висеть шахтерский фонарь), а другая сторона называется подошвой (поверхность, по которой будет ходить шахтер).

Вот еще Если подумать, блок висячей стены всегда находится над плоскостью разлома, а блок подножия всегда ниже плоскости разлома. Чтобы увидеть это, поставьте точку на разломе и нарисуйте вертикальную стрелку, направленную вверх. Эта стрелка указывает на висячую стену. Стрелка, указывающая прямо вниз, указывает на подошву. Взгляните на слайд, на котором показана неисправность и стрелки, указывающие на движение. Некоторые студенты думают, что подошва выглядит как ступня. Видите, как висячая стена опирается или висит на стенку?

Как только учащиеся поймут разницу между висячей стенкой и подошвой, большинство из них с легкостью запомнит, что при взбросе висячая стенка движется вверх, указывая на сжатие, а при нормальном разломе висячая стенка движется вниз, указывая на растяжение.

Как видно из этих блочных моделей, горизонтальные силы могут вызывать перемещение горных пород вдоль разломов, расположенных под углом к ​​слою горных пород. Учитывая эту идею, ваши ученики могут использовать некоторые основные тригонометрические функции для изучения взаимосвязи между горизонтальной деформацией (величиной растяжения или укорочения в горизонтальном направлении) и смещением на поверхности разлома (величиной движения самого разлома). Поскольку это соотношение зависит от угла разлома относительно горизонтали, угол разлома является критическим компонентом того, как разломы приспосабливаются к укорочению или расширению.

Сиэтлский разлом — это большой обратный разлом, который пересекает Сиэтл, штат Вашингтон, столичный район и его почти 2 миллиона жителей. Сиэтлский разлом укорачивается примерно на 1 миллиметр в год. Однако из-за того, что сама плоскость разлома плохо обнажена и/или не различима на сейсмических профилях, мы не знаем, какой угол этот разлом образует с горизонталью. Если разлом пологий, около 25 градусов от горизонтали, то для того, чтобы приспособиться к укорочению на 1 мм, он должен двигаться в среднем на 1,1 мм/год. Однако, если он находится под более крутым углом 60 градусов, ему нужно будет двигаться в среднем на 2 мм в год. Поскольку смещение по разлому является основным фактором в определении магнитуды землетрясения (см. страницу о землетрясениях), разлом Сиэтла должен будет двигаться либо в два раза чаще, либо вызывать гораздо более сильные землетрясения, если он находится под крутым углом.

Показать, как рассчитать эти коэффициенты водоизмещения

Скрыть

Косинус (A) = горизонтальная скорость сокращения/скорость смещения по разлому, где A — угол, который образует разлом с горизонталью. Находя скорость смещения по разлому, получаем скорость смещения = скорость укорочения / Cos(A). Таким образом, для 25-градусного разлома, который соответствует укорочению на 1 мм/год, скорость смещения составит 1/cos (25) мм/год, или 1,1 мм/год. Для разлома под углом 60 градусов скорость смещения составит 1/cos(60) мм/год или 2 мм/год.

Сопоставление аналогов с реальной Землей

Мы часто используем аналогии и аналоги материалов (замазка, песок, деревянные блоки и т. д.), чтобы проиллюстрировать понятия напряжения, деформации и деформации горных пород. Однако учащиеся иногда испытывают трудности с соотнесением этих материалов и их поведения с Землей и реальными камнями. Для этих студентов может быть полезно обсудить скорости и величины деформации в Земле и различия между горными породами и материалами-аналогами. Например, породы на границах плит часто деформируются на несколько сантиметров в год, но действующих на них сил достаточно, чтобы сдвинуть континенты. Размер и медлительность этих процессов являются важной концепцией для общения, даже если они находятся в масштабе, который почти невозможно понять. Иногда я говорю студентам, что их ногти растут примерно с той же скоростью, что и пластины, чтобы помочь им преодолеть эту трудность.

Пластины двигаются примерно с той же скоростью, что и ваши ногти, несколько сантиметров в год. Хотя это кажется медленным, в течение длительных периодов времени это действительно складывается. Например, если бы вы позволили своим ногтям расти 100 миллионов лет, их длина составила бы около 4000 километров!

Обучающие примеры

• Соединения в аналоге кукурузного крахмала
Высушенная смесь кукурузного крахмала и воды обеспечивает интерактивное введение в суставы и наборы суставов. Учащиеся интерпретируют относительный возраст, изучают углы пересечения, используют текстуры поверхности для определения направления распространения и оценивают роль дефектов в возникновении соединений.
• Основы перелома: дрянной аналог
В этом упражнении учащиеся делают небольшие надрезы (зародыши трещин) в продуктах из плавленого сыра, а затем прикладывают нагрузку перпендикулярно или параллельно надрезам, чтобы увидеть, как растут трещины. Удивительно (или нет, в зависимости от ваших предыдущих мыслей о сыре), продукты из плавленого сыра ломаются почти так же, как и однородные камни.
• Развитие систем нормальных разломов при прогрессирующей деформации
Это упражнение основано на фильмах QuickTime и цветных цифровых фотографиях, полученных в результате экспериментов в песочнице, которые производят нормальные ошибки в различных граничных условиях после экспериментов, разработанных Кеном Макклеем. Студенты просматривают специально отредактированные фильмы, чтобы получить представление об эволюции систем нормальных отказов. Затем они исследуют формирование и эволюцию системы разломов для конкретной структурной установки, отслеживая и обозначая отдельные разломы на наборе фотографий, сделанных через равные промежутки времени в ходе эксперимента. Это упражнение помогает учащимся осознать возникновение, распространение, вращение и инактивацию неисправности во время прогрессирующей деформации.
• Анализ трещин на тротуарах
Используя трещины на тротуарах в качестве аналога природных обнажений, учащиеся учатся проводить систематические наблюдения, измерять ориентацию и расположение трещин, обрабатывать и анализировать данные, а также решать некоторые кинематические и динамические вопросы, касающиеся происхождения и значения трещин.

Ресурсы

• Преподавание структурной геологии в XXI веке
Этот сайт содержит множество ресурсов для преподавателей, преподающих структурную геологию на бакалавриате. Вы найдете ссылки на мероприятия и задания, Интернет и компьютерные ресурсы, полезные статьи и карты, презентации летнего семинара 2004 г. по преподаванию структурной геологии, рабочие группы и дискуссионный форум, а также множество творческих идей для преподавания структурной геологии.
• 3D-визуализация деформации конструкции
GeoBlocks 3D, созданный Стивом Рейнольдсом, содержит интерактивные фильмы QuickTime Virtual Reality (QTVR), исследующие трехмерную природу геологии, в частности геологические структуры внутри блоков. Вы можете вращать блоки, делать их частично прозрачными, чтобы увидеть их внутреннюю структуру, прорезать или разъедать их, смещать разломы и многое другое.
• Структурная геология горных пород и регионов (вводная глава)
Этот учебник Дэвиса и Рейнольдса является наиболее широко используемым учебником по структурной геологии согласно недавнему обзору. Вводная глава может быть полезна преподавателям при размышлениях о том, как преподавать этот раздел вводного занятия, поскольку в ней рассматриваются три основных способа изучения деформаций геологами-строителями: геометрический анализ, кинематический анализ и динамический анализ.
• Веб-страница Стива Рейнольдса
Эта страница содержит множество инструментов визуализации и других ресурсов, разработанных и собранных Стивом Рейнольдсом, профессором геологии Университета штата Аризона.
• Ресурсы курса структурной геологии в Интернете
Каталог курсов с онлайн-ресурсами или веб-страницами

Деформация породы

Деформация породы

ЭЭНС 1110	Физическая геология
Университет Тулейна	Проф. Стивен А. Нельсон
Деформация Рок

 

 

Гора Эверест — высочайшая вершина Земли, высота которой составляет 29 028 футов над уровнем моря. Камень на вершине пика представляет собой морской известняк, отложившийся на морском дне около 450 миллионов лет назад! Это удивительный факт, который вызывает вопрос — как этот камень попал туда? В этой дискуссии мы постараемся ответить на этот вопрос. Темы, которые мы рассмотрим, включают: Обзор напряжения и деформации Хрупкая деформация – Разломы и соединения Пластичная деформация – Складки Горностроительные процессы Напряжение и деформация Мы начнем наше обсуждение с краткого обзора концепций стресса и деформации. Напомним, что напряжение – это сила, действующая на материал, вызывающая деформацию. Напряжение — это сила, приложенная к площади, и, следовательно, оно измеряется в единицах Сила/площадь (например, фунт/дюйм). 2 ). Давление – это напряжение, при котором силы действуют одинаково со всех сторон.

Если напряжение не одинаково со всех сторон, то мы говорим, что напряжение дифференциальное напряжение. Возникают три вида дифференциального напряжения. Напряжение растяжения (или напряжение растяжения) , при котором горная порода растягивается; Напряжение сжатия , которое сжимает горную породу; и Напряжение сдвига , что приводит к проскальзыванию и смещению.

Когда горные породы деформируются, говорят, что они деформируются . Штамм — это изменение размера, формы или объема материала. Здесь мы несколько модифицируем это определение, чтобы сказать, что деформация также включает в себя любое движение материала, включая перемещение и наклон. Стадии Деформация Когда порода подвергается возрастающей нагрузке, она проходит через 3 последовательные стадии деформация.
Упругая деформация — где деформация обратима.   Вязкая деформация — где деформация необратима.   Разрушение — необратимая деформация, при которой происходит разрушение материала .

Мы можем разделить материалы на два класса, которые зависят от их относительного поведения при стресс. Хрупкие материалы имеют небольшую или большую область упругого поведения, но только небольшую область пластичного поведения до разрушения. Пластичные материалы имеют небольшую область упругого поведения и большую область вязкого поведения. поведение до того, как они сломаются.

Поведение материала зависит от нескольких факторов. Среди них: Температура — При высокой температуре молекулы и их связи могут растягиваться и двигаться, таким образом материалы будут вести себя более пластично. При низкой температуре материалы становятся хрупкими. Всестороннее давление — при высоком всестороннем давлении материалы менее подвержены разрушению. потому что давление окружающей среды имеет тенденцию препятствовать образованию трещин. В низкое ограничивающее напряжение, материал становится хрупким и имеет тенденцию к более быстрому разрушению. Скорость деформации — При высоких скоростях деформации материал склонен к разрушению. При низких скоростях деформации более время, доступное для движения отдельных атомов, и, следовательно, пластичное поведение избранный Состав — Некоторые минералы, такие как кварц, оливин и полевые шпаты, очень хрупкие. Другие, такие как глинистые минералы, слюда и кальцит, более пластичны. типы химической связи, удерживающие их вместе. Таким образом, минералогический состав порода будет фактором, определяющим деформационное поведение породы. Другая аспектом является наличие или отсутствие воды. Вода ослабляет химические связи и образует пленки вокруг минеральных зерен, по которым может происходить скольжение. Таким образом, мокрый камень стремится вести себя пластично, в то время как сухие породы склонны вести себя хрупко.

Хрупкопластические свойства литосферы
Все мы знаем, что горные породы вблизи поверхности Земли ведут себя хрупко. Горные породы земной коры состоят из таких минералов, как кварц и полевой шпат, обладающих высокой прочностью. особенно при низком давлении и температуре. По мере того, как мы углубляемся в Землю, сила этих пород вначале увеличивается.
На глубине около 15 км достигаем точки, называемой хрупкопластическая переходная зона. Ниже этой точки прочность горных пород снижается, поскольку трещины закрываются, а температура повышается, в результате чего породы ведут себя податливый способ. В основании коры тип породы меняется на перидотит, богатый в оливине. Оливин прочнее минералов, из которых состоит большинство горных пород земной коры, поэтому верхняя часть мантии снова сильна. Но так же, как и в земной коре, увеличение со временем преобладает температура и на глубине около 40 км хрупко-пластичный переходная зона в мантии. Ниже этой точки породы ведут себя все более податливый способ.

Текущая деформация Только в нескольких случаях деформация горных пород происходит со скоростью, наблюдаемой на человеческие шкалы времени. Резкие деформации по разломам, обычно связанные с землетрясениями. происходит в течение минут или секунд. Постепенно деформация вдоль разломов или в областях подъема или опускания может быть измерена в течение периодов месяцев до лет с чувствительными измерительными приборами. Свидетельство прошлой деформации Свидетельства деформации, имевшей место в прошлом, хорошо видны в земной коре. горные породы. Например, осадочные пласты и потоки лавы обычно следуют закону первоначального горизонтальность. Таким образом, когда мы видим такие слои наклонными, а не горизонтальными, это свидетельствует о эпизод деформации.   Поскольку многие геологические объекты плоские по своей природе, мы можем однозначно определить ориентацию плоская особенность, нам сначала нужно определить два термина — простирание и падение.

Для наклонной плоскости удар является направлением по компасу любого горизонтальная линия на плоскости. Падение — это угол между горизонталью плоскость и наклонная плоскость, измеренная перпендикулярно направлению удара. При записи измерений простирания и падения на геологической карте используется символ, имеющий длинная линия, ориентированная параллельно направлению удара по компасу. Короткая галочка есть помещается в центре линии со стороны падения наклонной плоскости, а угол падения записывается рядом с символом простирания и падения, как показано выше. Для кроватей с 90 0 падение (вертикальное) короткая линия пересекает линию простирания, а для пластов без провала (по горизонтали) используется круг с крестом внутри, как показано ниже.

Для линейных конструкций используется аналогичный метод, удар или пеленг является направлением компаса, а угол, который линия образует с горизонтальной поверхностью, называется углом погружения.

Разрушение хрупких горных пород Как мы обсуждали ранее, хрупкие горные породы имеют тенденцию к разрушению, когда подвергаются достаточно высокому напряжению. Такое растрескивание, хотя и приводит к образованию трещин неправильной формы в породе, иногда дает плоские черты, свидетельствующие о напряжениях, действующих во время образования трещин. Могут возникать два основных типа более или менее плоских трещин: суставы и разломы. Соединения Как мы узнали из нашего обсуждения физического выветривания, швы — это трещины в горной породе, которые не показывают проскальзывания или смещения вдоль трещины. Суставы обычно представляют собой плоские элементы, поэтому их ориентацию можно описать как простирание и падение. Они образуются в результате растягивающих напряжений, действующих на хрупкую горную породу. Такие напряжения могут быть вызваны охлаждением породы (объем уменьшается при понижении температуры) или снижением давления, когда порода разрушается выше, что приводит к удалению веса. Швы обеспечивают пути для воды и, таким образом, пути для химического воздействия выветривания на горные породы. Если новые минералы осаждаются из воды, протекающей в суставах, это образует жилу. Многие жилы, наблюдаемые в горных породах, в основном состоят из кварца или кальцита, но могут содержать и редкие минералы, такие как золото и серебро. Эти аспекты будут рассмотрены более подробно, когда через пару недель мы поговорим о ценных полезных ископаемых из земли. Поскольку трещины обеспечивают доступ воды к породе, скорость выветривания и/или эрозии обычно выше вдоль трещин, и это может привести к дифференцированной эрозии. С инженерной точки зрения соединения являются важными для понимания структурами. Поскольку они являются слабыми зонами, их присутствие имеет решающее значение при строительстве чего угодно, от плотин до автомагистралей. Для плотин вода может просачиваться через стыки, что приводит к разрушению плотины. На автомагистралях стыки могут отделяться и вызывать камнепады и оползни. Неисправности Разломы возникают при разрушении хрупких пород и наличии смещение вдоль излома. Когда смещение небольшое, смещение можно легко измеряется, но иногда смещение настолько велико, что его трудно измерить. Типы неисправностей Как мы выяснили при обсуждении землетрясений, разломы можно разделить на несколько различных типов в зависимости от направления относительное смещение. Поскольку разломы представляют собой плоские образования, концепция простирания и падения также применимо, и, таким образом, можно измерить простирание и падение плоскости разлома. Одно подразделение разломов находится между сбросо-сдвиговыми разломами, где смещение измеряется по падению направление разлома и сдвиговые разломы, где смещение горизонтально, параллельно простиранию разлома. Напомним следующие виды неисправностей: Сдвиговые разломы. Сдвиговые разломы — это разломы, которые имеют наклонную плоскость разлома и вдоль относительное смещение или смещение которого произошло по направлению падения. Обратите внимание, что глядя на смещение любого разлома, мы не знаем, какая сторона на самом деле сдвинулась и была ли обе стороны двигались, все, что мы можем определить, это относительное направление движения. Нормальные разломы — это разломы, возникающие в результате горизонтальных растягивающих напряжений в хрупкие скалы и куда сдвинулся блок висячей стены меньше относительно блок подножия.

Horsts & Grabens — Из-за напряжения растяжения, ответственного за нормальное разломы, они часто возникают сериями, при этом соседние разломы падают в противоположных направлениях. В таком случае опущенные блоки образуют грабены и поднятые блоки форма хорст . В районах, где напряжение растяжения недавно повлияло на земной коры, грабены могут образовывать рифтовые долины а поднятые горстовые блоки могут образуют линейные горные хребты. Восточноафриканская рифтовая долина является примером области, где континентальное расширение создало такой раскол. Провинция бассейна и хребта западной США (Невада, Юта и Айдахо) также являются территорией, которая недавно подверглась расширение. В бассейне и хребте бассейны представляют собой удлиненные грабены, которые теперь образуют долины, а хребты представляют собой приподнятые горстовые блоки.

Полуграбенс — нормальный разлом с изогнутой плоскостью разлома по падению. уменьшение с глубиной может привести к вращению опущенного блока. В таком случае образуется полуграбен, названный так потому, что он ограничен только одним разломом, а не два, которые образуют нормальный грабен.

Взбросы — разломы, возникающие в результате горизонтального сжатия напряжения в хрупких породах, где висячий блок переместился на до относительно блок подножия.

A Надвиг является частным случаем взброса, когда падение неисправность меньше 45 o . Надвиги могут иметь значительные смещения, измеряется сотнями километров и может привести к тому, что более старые пласты перекроют более молодые пласты.

Сдвиговые разломы — это разломы, в которых произошло относительное движение по разлому. размещать в горизонтальном направлении. Такие разломы возникают в результате касательных напряжений, действующих в корка. Сдвиговые разломы могут быть двух разновидностей, в зависимости от направления смещения. Наблюдателю, стоящему с одной стороны разлома и смотрящему поперек разлома, если блок на другой стороне сдвинулся влево, мы говорим, что ошибка левосторонний сдвиг . Если блок на другой стороне сдвинулся вправо, мы говорим что разлом является правосторонним сдвигом . Знаменитый Сан-Андреас. Разлом в Калифорнии является примером правостороннего сдвигового разлома. Перемещения на разлом Сан-Андреас оценивается в более чем 600 км.

Свидетельство движения по неисправностям Поскольку движение по разлому связано со скольжением горных пород друг относительно друга, в области плоскости разлома могут остаться следы движения. Разломные брекчии представляют собой раскрошенные породы, состоящие из угловатых обломков, образовались в результате измельчения и дробления движения по разлому. Когда порода разбита на частицы размером с глину или ил в результате проскальзывания по разлому, это называется 9.0003 пробоина . Стороны скольжения — это царапины, оставленные на плоскости разлома как единое целое. блок перемещается относительно другого. Стороны скольжения можно использовать для определения направления и ощущение движения на разломе. Милонит — Вдоль некоторых разломов породы раскалываются или вытягиваются пластической деформацией вдоль разлома. Это приводит к типу локализованного метаморфизма, называемому динамическим метаморфизмом (также называемым катакластическим метаморфизмом). Образующаяся порода представляет собой мелкозернистую метаморфическую породу, демонстрирующую признаки сдвига, называемую милонитом. Разломы, демонстрирующие такой пластичный сдвиг, называются 9.0003 зоны сдвига .
Деформация пластичных горных пород Когда горные породы пластично деформируются, вместо того, чтобы раскалываться с образованием разломов или трещин, они могут изгибаться или складываться, и получившиеся структуры называются складками . Складки возникают в результате напряжения сжатия или напряжения сдвига, действующие в течение значительного времени. Поскольку скорость деформации низкая и/или температура высокая, породы, которые мы обычно считаем хрупкими, могут вести себя пластично, что приводит к таким складки.   Геометрия складок — Складки описываются их формой и ориентацией. Стороны складки называются конечности . Конечности пересекаются в самой узкой части сгиб, называемый петлей . Линия, соединяющая все точки шарнира, называется ось сгиба . Воображаемая плоскость, которая включает в себя ось складки и делит складку как симметрично, насколько это возможно, называется аксиальная плоскость фальц.
Мы различаем несколько видов складок.
Моноклины — простейшие типы складок. Моноклинали возникают, когда горизонтальные пласты изгибаются вверх так, что два крыла складки остаются горизонтальными.

Антиклинали представляют собой складки, где первоначально горизонтальные пласты был сложен вверх, и два конца складки отклоняются от шарнира складки.

Синклинали представляют собой складки, где первоначально горизонтальные пласты были загнуты вниз, а два конца сгиба погружаются внутрь к шарниру складка. Синклинали и антиклинали обычно встречаются вместе, так что крыло синклинали также является крылом антиклинали.

На схемах выше оси сгиба горизонтальны, но если ось сгиба не горизонтальна, сгиб называется врезным сгибом и угол, который ось сгиба образует с горизонтальной линией, называется врезанием складка.

Заметим, что если погружная складка пересекает горизонтальную поверхность, мы увидим рисунок сгиба на поверхности (см. также рисунки 11.15д в вашем тексте.

Купола и Бассейны образуются в результате вертикального движения земной коры. Купола выглядят как перевернутая чаша и являются результатом вздутия земной коры. Бассейны выглядят как чаша и возникают в результате опускания (см. рис. 11.14 в вашем тексте).

Складки описываются степенью складчатости. ан открытая складка имеет большой угол между конечностями, плотная складка имеет небольшой угол между конечностями. Дальнейшая классификация складок включает: Если два края складки отклоняются от оси на один и тот же угол, складка считается симметричной складкой . Если конечности наклонены под разными углами, складки называются асимметричными складками . Если сжимающие напряжения, вызывающие складчатость, интенсивны, складка может закрыться и имеют конечности, которые параллельны друг другу. Такая складка называется изоклинальная складка (изо означает одинаковую, а клин означает угол, поэтому изоклинальность означает, что конечности имеют тот же угол). Обратите внимание, что изоклинальная складка, изображенная на диаграмме ниже, также является симметричной. складывать. Если складчатость настолько интенсивна, что слои на одном плече складки становятся почти перевернутая складка называется перевернутой складкой . Перевернутая складка с почти горизонтальной осевой плоскостью называется лежачий сложить . Складка, не имеющая кривизны в шарнире и прямолинейные ветви, образующие зигзаг узор называется шеврон складка .

 

 

Складки и рельеф Так как разные камни имеют разные устойчивость к эрозии и выветриванию, эрозия складчатых участков может привести к рельефу что отражает складывание. Устойчивые слои будут образовывать гребни, имеющие ту же форму, что и складки, в то время как менее стойкие слои будут образовывать долины (см. рисунок 11.14 в вашем тексте).   Как складывается форма Складки развиваются двумя способами: Изгибные складки образуются при сдвиге слоев при изгибе слоистых пород. Это приводит к тому, что слои сохраняют свою толщину, когда они изгибаются и скользят друг по другу. Обычно они образуются из-за сжимающих напряжений, действующих с обеих сторон. Складки потока образуются, когда горные породы очень пластичны и текут подобно жидкости. Разные части складки вытягиваются этим потоком в разной степени, в результате чего слои местами становятся тоньше, а местами утолщаются. Течение приводит к напряжениям сдвига, которые размывают слои.

Складки также могут образовываться в связи с разломами других частей тела породы. В этом случае более пластичные породы изгибаются, чтобы соответствовать движению по разлому.

Кроме того, поскольку даже пластичные породы могут в конечном счете разрушаться под действием высокого напряжения, породы могут складываться до определенного момента, затем разрушается, образуя разлом.
Складки и метаморфическая слоистость Как мы видели в нашем обсуждении метаморфических пород, расслоенность представляет собой плоскую ткань, которая развивается в горных породах, подверженных сжимающему напряжению во время метаморфизма. Он может присутствовать в виде уплощенных или удлиненных зерен, при этом уплощение происходит перпендикулярно направлению сжимающего напряжения. Это также является результатом переориентации, рекристаллизации или роста пластовых силикатных минералов, так что их пласты становятся ориентированными перпендикулярно направлению напряжения сжатия. Таким образом, мы обычно видим слоение, параллельное осевой плоскости складки. Сдвиг породы во время метаморфизма также может вытягивать зерна в направлении сдвига.

Горы и процессы горообразования Один из самых впечатляющих результатов деформации, действующей в земной коре Земля представляет собой формирование горных хребтов. Горы часто образуют вытянутые линейные пояса. Они образуются в результате взаимодействия тектонических плит в процессе, называемом горообразованием.   Горообразование (горообразование) включает Структурная деформация. Ошибка. Складной. Магматические процессы. Метаморфизм. Оледенение. Эрозия. Осаждение Конструктивные процессы, такие как деформация, складчатость, разломы, магматические процессы и осадконакопление, приводят к образованию гор; разрушительные процессы, такие как эрозия и оледенение, снова разрушают их. Горы рождаются и имеют конечную продолжительность жизни. Молодые горы высокие, крутые, растут вверх. Средневозрастные горы изрезаны эрозией. Старые горы сильно разрушены эрозией и часто погребены под землей. Древние орогенные пояса находятся во внутренних районах континентов, в настоящее время далеко от границ плит, но дают информацию о древних тектонических процессах. Поскольку орогенная континентальная кора обычно имеет низкую плотность и, следовательно, слишком плавучая для субдукции, если она избегает эрозии, она обычно сохраняется.

Поднятие и изостазия Тот факт, что морские известняки залегают на вершине горы Эверест, указывает на то, что деформация может вызывать значительные вертикальные перемещения земной коры. Такое вертикальное движение земной коры называется поднятием . Поднятие вызвано деформацией, которая также включает утолщение коры с низкой плотностью и, поскольку кора «плавает» на мантии с более высокой плотностью, включает другой процесс, который контролирует высоту гор. Открытие этого процесса и его последствий связано с измерениями гравитации. Гравитация измеряется с помощью устройства, известного как гравиметр. Гравиметр может измерять разница в притяжении составляет всего 1 часть на 100 миллионов. Измерения гравитация может обнаруживать области, где есть недостаток или избыток массы под поверхностью земли. Эти недостатки или излишки массы называются гравитационными аномалиями . Положительная гравитационная аномалия указывает на то, что из-под области выходит избыток массы. Отрицательная гравитационная аномалия указывает на то, что под областью меньше массы. Отрицательные аномалии существуют под горными хребтами и отражают топографию и земную кору. толщина, определенная сейсмическими исследованиями. Таким образом, континенты с низкой плотностью кажутся плавающие в мантии более высокой плотности.   Выступы земной коры в мантию называются корнями земной коры. Нормальная мощность земной коры, измеренная от поверхности до Мохо, составляет от 35 до 40 км. Но под горными поясами обычны мощности земной коры 50—70 км. В общем, чем выше горы, тем толще земная кора. Причинами этого являются основные i состасы . Принцип можно продемонстрировать, положив в ванну или раковину деревянные блоки разного размера с низкой плотностью. Большие блоки будут плавать выше и простираться на более глубокие уровни в воде и имитировать то, как континенты плавают на мантии (см. рис. 11.26 в вашем тексте). Однако следует иметь в виду, что плавает не только кора, но и вся литосфера. Таким образом, литосферная мантия под континентами также простирается на более глубокие уровни и толще под горными хребтами, чем обычно. Поскольку литосфера плавает в астеносфере, которая более пластична, чем хрупкая литосфера, мягкая астеносфера может течь, чтобы компенсировать любое изменение толщины земной коры, вызванное эрозией или деформацией. Принцип изостазии утверждает, что существует плавучее равновесие между породы с низкой плотностью и породы с высокой плотностью. то есть породы земной коры с низкой плотностью плавают на более высоких плотность мантийных пород. Высота, на которой плавают породы с низкой плотностью, зависит от толща малоплотных пород. Континенты стоят высоко, потому что состоят из низких плотные породы (гранитный состав). Океанические бассейны стоят низко, потому что они состоят из базальты и габброиды повышенной плотности. Изостазию лучше всего иллюстрируют последствия оледенения. Во время ледникового периода породы земной коры покрытые льдом, вдавливаются под тяжестью вышележащего льда. Когда лед тает, области, ранее покрытые льдом, поднимаются. Горы растут только до тех пор, пока есть силы, вызывающие подъем. Когда горы поднимаются, они разрушаются. Первоначально эрозия заставит горы подняться выше в результате изостатической компенсации. Но, в конце концов, вес горы начинает сдавливать нижнюю часть коры и субконтинентальную литосферу до уровней, на которых они начинают нагреваться и становиться более пластичными. Затем эта более горячая литосфера начнет течь наружу от лишнего веса, и вышеперечисленное начнет разрушаться. Более горячие породы могут в конечном итоге частично расплавиться, что приведет к магматическим интрузиям, когда магма переместится на более высокие уровни, или вся более горячая нижняя кора может начать подниматься из-за их более низкой плотности. Эти процессы в сочетании с эрозией на поверхности приводят к эксгумации , в результате чего породы из глубоких слоев земной коры в конечном итоге обнажаются на поверхности.

Причины горообразования Есть три основные причины горообразования. Конвергенция на сходящихся границах плит. Континентальные столкновения. Рифтинг Границы конвергентных плит Когда океаническая литосфера погружается под континентальную литосферу, магмы, образующиеся над зоной субдукции, поднимаются, внедряются и извергаются, образуя вулканические горы . Сжимающие напряжения, возникающие между желобом и вулканической дугой, создают складчато-надвиговые горные пояса, и аналогичное сжатие за дугой создают складчато-надвиговый пояс, в результате чего образуются горы. Таким образом образовались горы на окраинах западной части Северной и Южной Америки, такие как Анды и Каскадный хребет. Островные дуги у берегов континентов могут быть сдвинуты к континенту. Из-за своей низкой плотности они не субдуцируют, а вместо этого срастаются с краем континента. Таким образом образовались горные хребты вдоль западного побережья Северной Америки (см. рис. 11.20 в вашем тексте). Континентальные столкновения Тектоника плит может привести к столкновению блоков континентальной коры. Когда это происходит, породы между двумя континентальными блоками становятся складчатыми и разломными. под действием сжимающих напряжений выталкиваются вверх, образуя складчато-надвиговые горы . Гималаи (в настоящее время самые высокие на Земле) относятся к горам этого типа и были образовалась в результате столкновения Индийской плиты с Евразийской плитой. Точно так же Аппалачи Северной Америки и Альпы Европы были образованы такими процессы. Рифтинг Континентальный рифтинг возникает там, где континентальная кора подвергается деформации растяжения. Это приводит к истончению литосферы и подъему астеносферы, что приводит к поднятию. Хрупкая литосфера отвечает образованием нормальных разломов, где блоки континентальной литосферы поднимаются, образуя грабены или полуграбены. Поднятые блоки относятся к разломно-блоковым горам . Таким образом образовалась провинция бассейна и хребта на западе Соединенных Штатов, включая Сьерра-Неваду на ее западной окраине и Гранд-Титон в Вайоминге..

Кратоны и орогены Континенты могут быть делится на два вида структурных единиц Кратоны образуют ядра континентов. Это части континентальной земная кора, достигшая изостатической и тектонической устойчивости и существенно остывшая с момента своего образования. Они образовались и были деформировались более миллиарда лет назад и являются древнейшими частями континентов. Они представляют собой глубокие корни бывших гор и состоят из метаморфических и плутонических магматических пород, все из которых демонстрируют обширные признаки деформации. Орогены представляют собой широкие вытянутые пояса деформированных пород, опоясывающие кратоны. Они, по-видимому, являются эродированными корнями бывших горных поясов, образованных континент — столкновения континентов. Только самые молодые из этих орогенов до сих пор образуют горы. диапазоны (см. рис. 13.10) в вашем тексте). Наблюдение, что орогены, как правило, моложе по направлению к внешней стороне континент предполагает, что континенты были построены в результате столкновений плит, которые добавили более молодой материал к внешним краям континентов, и является еще одним свидетельством того, что тектоника плит существовала по крайней мере последние 2 миллиарда лет.

Пример Аппалачей   Аппалачский горный хребет, простирающийся от северной Алабамы до Новой Шотландии, имеет историю, насчитывающую около 1 миллиарда лет. Эта история будет обсуждаться в классе и описана в разделе 11.8 вашего учебника. Вопросы по этому материалу, которые можно задать на экзамене.   Определите следующее: (а) брекчия разломов, (б) поверхности скольжения, (в) милонит, (г) ось складки, (д) ​​осевая плоскость, (е) погружающаяся складка, (ж) горообразование, (з) изостазия. Объясните словами или рисунками основные аспекты следующих особенностей: (а) сброс, (б) взброс, (в) надвиг, (г) горсты и грабены, (д) ​​полуграбены. Начертите поперечные сечения антиклинали и синклинали и обозначьте шарнир складки, ветви складки, ось складки и осевую плоскость каждой из них. В чем разница между изгибной складкой и складкой потока? Могут ли ошибки вызывать складки или складки вызывать ошибки? Объяснять. В каких условиях образуются горы и какие горы образуются в каждом из них? Какие процессы происходят при эксгумации и каков конечный результат эксгумации? Объясните, как изменяется толщина земной коры и откуда мы это знаем? Почему метаморфическая сланцеватость часто параллельна осевым плоскостям складок? Для каждого из следующих типов горных хребтов приведите несколько примеров: (а) складчато-надвиговые, (б) глыбово-разломные, (в) вулканические Вернуться на страницу EENS 1110

7.3: Напряжение в земной коре

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

2548

ВВЕДЕНИЕ

Огромные плиты литосферы неравномерно движутся по сферической поверхности планеты, что приводит к землетрясениям. В этой главе рассматриваются два типа геологической активности, возникающей из-за тектоники плит: горообразование и землетрясения. Сначала рассмотрим, что может произойти с горными породами при воздействии на них напряжения.

ПРИЧИНЫ И ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжение – это сила, прикладываемая к объекту. В геологии напряжение — это сила, приложенная к скале на единицу площади. На материалы действуют четыре вида напряжений.

Рисунок 1. Напряжение вызвало разрушение этих пород.

• Глубоко зарытый камень проталкивается вниз под весом всего материала над ним. Поскольку камень не может двигаться, он не может деформироваться. Это называется ограничивающим напряжением .
• Сжатие сжимает камни вместе, вызывая их складчатость или трещины (ломки) (рис. 1). Сжатие является наиболее распространенным напряжением на сходящихся границах плит.
• Разорванные камни находятся под натяжением . Камни под напряжением удлиняются или разрушаются. Растяжение является основным видом напряжения на расходящихся границах пластин.
• Когда силы параллельны, но движутся в противоположных направлениях, напряжение называется сдвигом (рис. 2). Напряжение сдвига является наиболее распространенным напряжением на границах трансформных плит.

Когда напряжение вызывает изменение формы материала, он подвергается деформации или деформации . Деформированные породы распространены в геологически активных районах.

Рис. 2. Сдвиг в горных породах. Белая кварцевая жила удлинилась за счет сдвига.

Реакция породы на напряжение зависит от типа породы, окружающей температуры и давления, в которых находится порода, продолжительности времени, в течение которого порода находится под напряжением, и типа напряжения.

Камни имеют три возможных реакции на увеличение напряжения (показаны на рисунке 3):

• упругая деформация : камень возвращается к своей первоначальной форме после снятия напряжения.
• пластическая деформация : порода не возвращается к своей первоначальной форме после снятия напряжения.
• перелом : скала ломается.

Рис. 3. С ростом напряжения горная порода испытывает: (1) упругую деформацию, (2) пластическую деформацию, (3) разрушение.

Как вы думаете, при каких условиях скала с большей вероятностью расколется? Скорее всего, он сломается глубоко в земной коре или на поверхности? Что, если приложенное напряжение будет резким, а не постепенным?

• На поверхности Земли горные породы обычно довольно быстро разрушаются, но глубже в земной коре, где температура и давление выше, горные породы более склонны к пластической деформации.
• Внезапный стресс, например удар молотком, с большей вероятностью приведет к разрушению камня. Напряжение, приложенное с течением времени, часто приводит к пластической деформации.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

Осадочные породы важны для расшифровки геологической истории региона, поскольку они подчиняются определенным правилам.

1. Осадочные породы образованы самыми старыми слоями на дне и самыми молодыми наверху.
2. Отложения откладываются горизонтально, поэтому слои осадочных пород изначально горизонтальны, как и некоторые вулканические породы, такие как пеплопады.
3. Негоризонтальные слои осадочных пород деформируются.

Вы можете проследить деформацию камня, увидев, как он отличается от своего первоначального горизонтального положения, самого старого на дне (рис. 4а). Эта деформация создает геологические структуры, такие как складки, трещины и разломы, которые вызваны напряжениями (рис. 4b). Используя правила, перечисленные выше, попытайтесь выяснить геологическую историю нижележащей геологической колонки.

Рис. 4. (a) В Гранд-Каньоне слои породы обнажаются, как слоеный пирог. Каждый слой состоит из отложений, отложившихся в определенной среде — возможно, на дне озера, мелководье или песчаной дюне. (b) В этой геологической колонке Гранд-Каньона осадочные породы колонки «Слоистые палеозойские породы» (слои с 1 по 11) все еще горизонтальны. Скалы супергруппы Гранд-Каньона (слои с 12 по 15) наклонены. Скалы фундамента Вишну не являются осадочными (породы с 16 по 18). Самые старые слои находятся внизу, а самые молодые — вверху.

Складки

Породы, пластически деформирующиеся под действием сжимающих напряжений, сминаются в складки (рис. 5). Они не возвращаются к своей первоначальной форме. Если скалы испытывают большее напряжение, они могут подвергаться большему складчатости или даже разрушению.

Рис. 5. Снег подчеркивает складку, обнаженную на этих скалах в каньоне Прово, штат Юта.

Видны три типа складок.

• Моноклиналь: Моноклиналь представляет собой простой изгиб слоев горной породы, так что они перестают быть горизонтальными (см. пример на рис. 6).
  
  Рис. 6. В Национальном монументе Колорадо камни моноклинально погружаются к земле.
• Антиклиналь: Антиклиналь представляет собой складку, изгибающуюся вверх. Скалы падают от центра складки (рис. 7). Самые старые породы находятся в центре антиклинали, а самые молодые накинуты на них.
  
  Рис. 7. (а) Схема антиклинали. (б) Антиклиналь, обнажившаяся в выемке дороги в Нью-Джерси.

Когда скалы изгибаются вверх, образуя круглую структуру, такая структура называется купол. Если вершина купола срезана, где находятся самые старые камни?

• Синклиналь: Синклиналь — это складка, изгибающаяся вниз. Самые молодые камни находятся в центре, а самые старые — снаружи (рис. 8).
  

Когда скалы изгибаются вниз, образуя круглую структуру, такая структура называется бассейном (рис. 9). Если породы обнажены на поверхности, то где находятся самые древние породы?

Рисунок 9. Бассейны могут быть огромными. Это геологическая карта Мичиганского бассейна, центр которого находится в штате Мичиган, но который простирается на четыре других штата и канадскую провинцию.

Разломы

Скала при достаточном напряжении разрушается. Если с обеих сторон перелома нет движения, перелом называется суставом , как показано на (рис. 10).

Рис. 10. Гранитные породы в национальном парке Джошуа-Три с горизонтальной и вертикальной трещиноватостью. Эти соединения образовались, когда ограничивающее напряжение было снято с гранита.

Если блоки горных пород на одной или обеих сторонах трещины смещаются, трещина называется разломом (рис. 11). Внезапные движения вдоль разломов приводят к внезапному разрушению и перемещению горных пород. Высвобожденная энергия представляет собой землетрясение.

Рис. 11. Разломы легко распознать, поскольку они пересекают пластовые породы.

Скольжение — расстояние, на которое горные породы перемещаются по разлому. Скольжение может быть вверх или вниз по плоскости разлома. Скольжение является относительным, потому что обычно невозможно узнать, сдвинулись ли обе стороны или только одна. Разломы залегают под углом к ​​горизонтальной поверхности Земли. Этот угол называется разломом провал. Провал определяет, к какому из двух основных типов относится неисправность. Если падение разлома наклонено относительно горизонтали, то разлом является падающим сбросом (рисунок 12). Различают два типа наклонно-сдвиговых разломов. В сбросах висячий борт опускается относительно подошвенного борта. В взбросах подошвенный борт опускается относительно висячего бока.

Рисунок 12. На этой диаграмме показаны два типа сбросов с наклоном и сдвигом: нормальные разломы и взбросы. Представьте, что майнеры добывают ресурс по разлому. На подвесной стене шахтеры вешали свои фонари. Стена для ног — это то место, где они могли бы пройти.

Вот анимация обычной неисправности.

Надвиг представляет собой тип взброса, в котором угол плоскости разлома почти горизонтален. Камни могут скользить на многие мили по надвигам ( Рисунок 13 ).

Рис. 13. В Чиф-Маунтин в Монтане верхние породы надвига Льюиса более чем на 1 миллиард лет старше нижних пород. Как это могло случиться?

Вот анимация надвига.

Обычные ошибки могут быть значительными. Они несут ответственность за поднятие горных хребтов в регионах, испытывающих напряжения растяжения (рис. 14).

Рис. 14. Хребет Тетон в Вайоминге поднялся вдоль нормального разлома.

Сдвиг представляет собой наклонно-сдвиговый разлом, в котором падение плоскости разлома является вертикальным. Сдвиговые разломы возникают в результате касательных напряжений (рис. 15).

Рисунок 15. Представьте, что вы стоите одной ногой по обе стороны от сдвигового разлома. Один блок движется к вам. Если этот блок смещается к вашей правой ноге, разлом является правосторонним сдвигом; если этот блок движется к вашей левой ноге, ошибка является левосторонним сдвигом.

Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — самый известный сдвиговый разлом в мире. Это правосторонний сдвиг (рис. 16).

Рис. 16. Сан-Андреас — массивный трансформный разлом.

Вот анимация сдвигового разлома.

Люди иногда говорят, что Калифорния когда-нибудь упадет в океан, но это неправда. Эта анимация показывает движение Сан-Андреас в будущее.

НАПРЯЖЕНИЕ И СТРОЕНИЕ ГОР

Две сходящиеся континентальные плиты сталкиваются вверх, образуя горные хребты (рис. 17). Стресс от этого 9Поднятие 0004 вызывает складки, взбросы и надвиги, которые позволяют земной коре подниматься вверх.

Рис. 17. (а) Самая высокая горная цепь мира, Гималаи, растет в результате столкновения Индийской и Евразийской плит. (б) Смятие Индийской и Евразийской плит континентальной коры создает Гималаи.

Субдукция океанической литосферы на границах конвергентных плит также образует горные хребты (рис. 18).

Рисунок 18. Анды представляют собой цепь континентальных дуговых вулканов, которые формируются по мере того, как плита Наска погружается под Южно-Американскую плиту.

Когда напряжения растяжения растягивают кору, она распадается на блоки, которые скользят вверх и вниз по нормальным разломам. В результате чередуются горы и долины, известные как бассейн и хребет (рис. 19).

Рис. 19. (a) В бассейне и хребте некоторые блоки поднимаются, образуя хребты, известные как горсты, а некоторые опускаются, образуя бассейны, известные как грабены. (б) Горы в Неваде имеют классическую форму котловины и хребта.

Это очень быстрая анимация движения блоков в бассейне и диапазоне.

РЕЗЮМЕ УРОКА

• Напряжение — это сила, приложенная к скале, которая может вызвать деформацию. Для трех типов границ плит характерны три основных типа напряжений: сжатие на сходящихся границах, растяжение на расходящихся границах и сдвиг на трансформных границах.
• Там, где горные породы пластически деформируются, они имеют тенденцию складываться. Хрупкая деформация приводит к трещинам и разломам.
• Существует два основных типа разломов: сдвиговые (плоскость разлома наклонена к горизонтали) и сдвиговые (плоскость разлома перпендикулярна горизонтали).
• Самые большие горы в мире растут на границах конвергентных плит, в основном за счет надвигов и складчатости.

ВОПРОСЫ ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ

• Какой навык помогает вам развить этот контент?
• Какие ключевые темы рассматриваются в этом контенте?
• Как содержимое этого раздела может помочь вам продемонстрировать владение конкретным навыком?
• Какие у вас есть вопросы по этому контенту?

Авторы и авторство

---

7.3: Stress in Earth’s Corst распространяется под лицензией CC BY 4.0, автор, ремикс и/или куратор LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

13.1 Напряжение и деформация – физическая геология, издание First University of Saskatchewan

Столкновения плит и накопленный вес вышележащих пород воздействуют на породы на глубине. В то время как размер силы важен, также имеет значение, распределена ли сила по обширной области или сильно сосредоточена на небольшой области. Одна и та же сила будет иметь больший эффект при действии на небольшую площадь, чем при действии на большую площадь. Если вы когда-либо использовали снегоступы, чтобы пройти по сугробу, не провалившись в него, вы воспользовались эффектом распределения силы (на вашу массу действует сила тяжести) на более широкую область (площадь ваших снегоступов, а не подошвы ваших ног). сапоги). Напряжение скорректировано с учетом площади, на которую оно распространяется. Деформация — это изменение формы, которое происходит, когда горные породы деформируются под действием напряжения.

Напряжения делятся на две категории: нормальное напряжение действует под прямым углом к ​​поверхности, а касательное напряжение действует параллельно поверхности (рис. 13.2). Нормальные напряжения подразделяются на сжатия , когда напряжения сжимают горную породу, и растяжения , когда напряжения растягивают ее. Горные породы подвергаются сжатию в областях, где сталкиваются плиты или где они погребены под другими породами. Скалы испытывают напряжение там, где происходит расхождение, например, когда континент начинает процесс рифтогенеза. Напряжение сдвига характерно для трансформных границ плит, где плиты движутся бок о бок.

Рисунок 13.2 На горные породы может воздействовать нормальное напряжение (сжатие и растяжение) или напряжение сдвига. Источник: Karla Panchuk (2016) CC BY 4.0

Хотя на рис. 13.2 показан только один набор стрелок напряжений для каждого сценария, горные породы в пределах Земли подвержены напряжениям со всех направлений. Относительная величина напряжений в разных направлениях будет определять реакцию породы. Представьте, что глубоко залегающая скала растягивается, когда континент распадается на части (рис. 13.3). Он также сжимается весом вышележащих отложений и горных пород, но напряжение от сжатия относительно невелико по сравнению с напряжением от рифтогенеза. Чистый эффект напряжения, действующего на породу, будет определяться в большей степени растяжением от рифтогенеза, чем сжатием от вышележащих пород.

Рисунок 13.3 Слой горных пород (темно-коричневый) сжат под весом горных пород выше и растянут рифтогенезом. Размеры стрелок указывают относительные величины напряжений. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY 4.0

Горные породы испытывают напряжения со всех сторон, но напряжения можно разбить по трем направлениям, как на графике с осями x, y и z. На диаграммах, показывающих эти три направления, размеры стрелок, представляющих каждое направление, будут указывать относительную величину напряжений, как это показано на рис. 13.3. Подобный анализ напряжения значительно упрощает описание напряжений, действующих на горную породу, и понимание их суммарного эффекта.

Реакция породы на нагрузку зависит от многих факторов. «Как» — это не просто вопрос того, насколько сильному напряжению подвергнется горная порода, но и типу деформации. Деформация постоянная или временная? Камень ломается или деформируется, не ломаясь?

Упругая деформация

Эластическая деформация является обратимой деформацией. Вы можете думать об эластичном напряжении как о том, что происходит с эластичным поясом ваших любимых спортивных штанов, когда вы их надеваете. Резинка растягивается, чтобы вы могли надеть штаны, а когда вы в них, она сжимается, чтобы они не упали. Когда вы снова снимаете штаны, резинка принимает свою первоначальную форму. Точно так же горные породы, подвергающиеся упругому напряжению, возвращаются к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Камни, возвращающиеся к своей первоначальной форме, подвергаются упругий отскок . Упругий отскок горных пород в больших масштабах может иметь серьезные последствия, потому что высвобождаемая энергия заставляет Землю вибрировать. Мы воспринимаем эти вибрации как землетрясения.

Пластиковый штамм

Если приложено достаточное напряжение, изменения, которые материал претерпевает, чтобы приспособиться к напряжению, оставят его необратимо деформированным. Когда напряжение снимается, материал не возвращается к своей первоначальной форме. Остаточная деформация называется пластической деформацией 9.0005 .

Ковкий или хрупкий?

Пластичная деформация относится к деформации, которая происходит при течении или растяжении. Мраморный монумент на рис. 13.4 претерпевает пластическую деформацию, прогибаясь под собственным весом.

Рис. 13.4 Мраморный монумент в Вестминстер-холле и кладбище в Балтиморе, штат Мэриленд. Горизонтальная поверхность испытывает медленную пластическую деформацию, провисая под собственным весом. Рядом похоронен писатель Эдгар Аллан По. Источник: Ray Pennisi (2007) CC BY-NC 2.0 исходный код

Когда материал разрушается, он подвергается хрупкой деформации (рис. 13.5). Каменные цилиндры на рис. 13.5 — часть эксперимента по проверке прочности камня. Цилиндр справа выглядел так же, как цилиндр слева, до того, как он был сжат с усилием, приложенным к верхней и нижней части. Для измерения величины деформации вдоль и поперек цилиндров были приклеены тензометрические датчики.

Рисунок 13.5 Цилиндры из камня, используемые для испытания прочности камня при сжатии. Цилиндр слева оснащен тензодатчиками для измерения степени деформации. Цилиндр справа подвергся хрупкой деформации после сжатия. Источник: Карла Панчук (2016) CC BY 4.0

Материал может подвергаться более чем одному виду деформации при приложении напряжения. Бочкообразный цилиндр калия на рис. 13.6 (справа) изначально выглядел так же, как цилиндр слева. Цилиндр был сжат с приложением напряжения сверху и снизу. Первоначально он подвергался пластической деформации и утолщался в середине, создавая бочкообразную форму. Но по мере увеличения нагрузки цилиндр в конечном итоге подвергся хрупкой деформации, что привело к трещине посередине.

Рисунок 13.6 Цилиндры поташа до и после деформации. Поташ претерпел пластическую деформацию, прежде чем окончательно разрушился. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY 4.0

Горная порода не ограничивается исключительно хрупкой деформацией или исключительно пластичной деформацией. Даже деформированная порода на рис. 13.5, которая явно подверглась хрупкой деформации, имеет небольшую кривизну с правой стороны, ближе к вершине. Это указывает на то, что перед хрупким разрушением произошла небольшая пластическая деформация.

Для данной породы деформация будет различной в зависимости от величины приложенного напряжения. До определенного момента камни подвергаются упругой деформации и возвращаются к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Если приложить большее напряжение, порода может деформироваться пластичным образом. При дальнейшем увеличении напряжения порода может разрушиться. Величина напряжения, необходимая в каждом случае, будет зависеть от типа породы, а также от таких условий, как давление и температура.

Состав

В целом осадочные породы с большей вероятностью будут подвергаться пластической деформации, чем изверженные или метаморфические породы при тех же условиях. Камни внутри каждой группы также будут деформироваться по-разному.

Структуры Boudinage (рис. 13.7) подчеркивают влияние состава на деформацию горных пород. Эти структуры возникают, когда более прочная порода, более склонная к хрупкой деформации, окружена более слабыми породами, склонными к пластической деформации. Более прочная порода расколется на сегменты, называемые 9.0004 boudins , и более слабая порода потечет в промежутки между ними. На рис. 13.7 (вверху) белый слой достиг стадии отщипывания непосредственно перед разделением на сегменты. Окружающий черный слой заполнил щель, в которой происходило сжатие. Примечательно, что сам белый слой содержит темный слой, фрагментированный на будины. Не все будины разбиваются на блочные сегменты. Некоторые демонстрируют более пластичную деформацию (рис. 13.7, внизу).

Рисунок 13.7 Два примера структуры будинажа. Верх — белый слой откололся на сегменты, а окружающие его черные слои затекли в зазор, образующийся между сегментами. Внутри белого слоя находится более тонкий черный слой, который также разбит на сегменты. Внизу — будины, демонстрирующие пластическую деформацию. Источник: Top-Marek Cichanski (2012) CC BY-NC 2.0 источник просмотра. Внизу – Джойс Макбет (без даты) CC BY 4.0 

Температура и давление

При более высоких температурах и более высоком всестороннем давлении горные породы с большей вероятностью будут подвергаться пластической деформации. Всестороннее давление — это напряжение, которое материал испытывает равномерно со всех сторон в результате веса материала над ним и вокруг него. Давление, которое дайвер ощущает глубоко в океане, ограничивает давление из-за веса воды над дайвером и вокруг него. Этот вид ограничивающего давления называется гидростатическое давление . Внутри Земли ограничивающее давление возникает из-за веса вышележащих горных пород. Всестороннее давление из-за веса горных пород называется литостатическим давлением.

Горные породы на рисунках 13.5 и 13.6 испытали ограничивающее давление атмосферы и температуру, комфортную для людей, работающих в лаборатории. В этих условиях породы в конечном итоге подверглись хрупкому разрушению при сжатии в лаборатории. Глубоко внутри земной коры температура и ограничивающее давление намного выше. Достаточно глубоко внутри земной коры оба образца подверглись бы только пластической деформации, если бы было приложено такое же напряжение, как в эксперименте. Глубина, на которой температура и всестороннее давление достаточно высоки, чтобы горные породы перешли от хрупкой деформации к пластической деформации, называется зона хрупкопластического перехода .

Хрупко-пластичная переходная зона находится на глубине примерно от 10 до 30 км, что соответствует температурам около 300 ºC и выше. Глубина, на которой температура достигает 300 ºC в любом конкретном месте, будет зависеть от теплового потока в этом месте. В континентальной коре породы при температуре 300 ºC лежат глубже, чем в океанической коре. Изменение давления с глубиной также неодинаково в зависимости от массы и плотности горных пород. Если глубины измеряются относительно уровня моря, давление на высоте 10 км, измеренное под высоким горным поясом, будет больше, чем давление на высоте 10 км, измеренное в пределах океанической коры.

Эксперименты, подобные тем, что показаны на рисунках 13.5 и 13.6, можно использовать для определения того, где будет находиться переходная зона хрупкости-пластичности для определенного типа породы. Экспериментаторы прикладывают нагрузку к образцу породы в диапазоне температур и ограничивающих давлений. Они отмечают условия, при которых горная порода разрушается или деформируется пластичным образом, и наносят их на график (рис. 13.8). Результаты на рис. 13.8 получены в результате экспериментов с известняком. Вертикальная ось — давление. Чем больше давление, тем глубже должна быть порода внутри Земли, чтобы испытать это давление. Белая линия представляет собой зону хрупко-вязкого перехода. Над белой линией указаны значения давления и температуры, при которых известняк будет разрушаться. Ниже белой линии в желтовато-коричневой области указаны значения давления и температуры, при которых известняк деформируется при течении. Обратите внимание, что чем выше температура, тем меньшее ограничивающее давление требуется для пластической деформации.

Рисунок 13.8 Результаты экспериментов с известняком при растяжении (слева) и сжатии (справа). Источник: Карла Панчук (2018 г.) CC BY 4.0 изменено по материалам Heard (1960 г.)

Как применяется стресс

Эксперименты с известняком проводились с применением напряжения в виде растяжения (рис. 13.8 слева) и повторного приложения напряжения в виде сжатия (справа). Когда применялось растяжение, температура и ограничивающее давление должны были быть намного выше, прежде чем произошла пластическая деформация. При сжатии возможна пластическая деформация при гораздо меньшем всестороннем давлении и при более низких температурах.

Скорость деформации , скорость, с которой происходит деформация, также имеет значение. Если напряжение прикладывается со скоростью, вызывающей быструю деформацию, скала с большей вероятностью разрушится, чем если бы деформация происходила медленно. Мраморная плита на рис. 13.4 — хороший тому пример. Он скорее провис, чем сломался, потому что скорость деформации была очень низкой, миллиметры за десятилетие.

Жидкости

Когда горные породы находятся под давлением, жидкости, захваченные в поровых пространства пород – промежутки между зернами – также находятся под давлением. Более высокое всестороннее давление требуется для того, чтобы деформация была пластичной, а не хрупкой, но давление флюидов, называемое поровым давлением , сопротивляется всестороннему давлению. В результате эффективное ограничивающее давление ниже, чем оно было бы без флюидов. В зависимости от величины порового давления и того, насколько близко горная порода находится к переходной зоне хрупкости-пластичности, поровое давление может вызвать хрупкое разрушение породы, которая в противном случае подверглась бы пластической деформации.

При воздействии на горные породы напряжения может образоваться множество различных геологических структур. Структуры образуются в результате разрушения, наклона, складывания, растяжения и сжатия (рис. 13.9). Некоторые структуры, такие как трещины, образующие базальтовые колонны (рис. 13.9, вверху слева), возникают, когда горные породы сжимаются из-за охлаждения, но другие являются следствием тектонических сил плит. Типы образующихся структур зависят от тектонических условий плит и других геологических условий, что делает их ценными инструментами для понимания того, что произошло с горными породами. В следующих разделах рассматриваются различные виды формирующихся структур и информация, которую мы можем собрать из этих структур, чтобы больше узнать о тектонической среде и региональной геологии.

Рисунок 13.9 Конструкции в результате деформации. Вверху слева — трещины в базальте недалеко от Уистлера, Британская Колумбия. Вверху справа — наклон осадочной породы недалеко от Эксшоу, Альберта. Внизу слева — растянутый известняк (светло-серый) и кремень (темно-серый) с острова Квадра, Британская Колумбия. Внизу справа — разломный сланец возле Кэш-Крик, Британская Колумбия. Породы над разломом сместились вверх относительно тех, что ниже. Источник: Карла Панчук (2018 г.) CC BY 4.0. Фотографии Стивена Эрла (2015) CC BY 4.0 источник просмотра

Каталожные номера

Херд, ХК (1960). Переход от хрупкого разрушения к вязкому течению в золенхофенском известняке в зависимости от температуры, всестороннего давления и внутритканевого давления жидкости. В Д. Григгс и Д. Хандин (редакторы), Rock Deformation (A Symposium): Memoir Геологического общества Америки 79 (стр. 193-226). https://doi.org/10.1130/MEM79

12.3 Напряжение, деформация и модуль упругости — University Physics Volume 1

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснять понятия напряжения и деформации при описании упругих деформаций материалов
• Описывать виды упругой деформации предметов и материалов

Модель твердого тела представляет собой идеализированный пример объекта, не деформирующегося под действием внешних сил. Это очень полезно при анализе механических систем, ведь многие физические объекты действительно в значительной степени жесткие. В какой степени объект может быть , воспринимаемый как жесткий, зависит от физических свойств материала, из которого он изготовлен. Например, шарик для пинг-понга, сделанный из пластмассы, является хрупким, а теннисный мячик, сделанный из резины, упругим при воздействии сжимающих сил. Однако при других обстоятельствах и мячик для пинг-понга, и мячик для тенниса могут хорошо отскакивать как твердые тела. Точно так же тот, кто проектирует протезы конечностей, может приблизиться к механике человеческих конечностей, моделируя их как твердые тела; однако фактическое сочетание костей и тканей представляет собой эластичную среду.

В оставшейся части этой главы мы перейдем от рассмотрения сил, влияющих на движение объекта, к тем, которые влияют на форму объекта. Изменение формы из-за приложения силы известно как деформация. Известно, что даже очень малые силы вызывают некоторую деформацию. Деформации подвергаются предметы или физические среды под действием внешних сил, например, это может быть раздавливание, сдавливание, разрывание, скручивание, разрезание или растяжение предметов. На языке физики два термина описывают силы, действующие на объекты, подвергающиеся деформации: стресс и штамм .

Напряжение – это величина, описывающая величину сил, вызывающих деформацию. Напряжение обычно определяется как силы на единицу площади . Когда силы притягивают объект и вызывают его удлинение, как растяжение эластичной ленты, мы называем такое напряжение растягивающим напряжением. Когда силы вызывают сжатие объекта, мы называем это сжимающим напряжением. Когда объект сжимается со всех сторон, как подводная лодка в глубинах океана, мы называем этот вид напряжения объемным напряжением (или объемным напряжением). В других ситуациях действующие силы могут быть ни растягивающими, ни сжимающими, но при этом вызывать заметную деформацию. Например, предположим, что вы крепко держите книгу между ладонями, затем одной рукой вы нажимаете и тянете переднюю обложку от себя, а другой рукой нажимаете и тянете заднюю обложку к себе. ты. В таком случае, когда деформирующие силы действуют по касательной к поверхности объекта, мы называем их «сдвиговыми» силами, а напряжение, которое они вызывают, называется напряжением сдвига.

Единицей напряжения в СИ является паскаль (Па). Когда сила в один ньютон давит на единицу площади поверхности в один квадратный метр, результирующее напряжение равно одному паскалю:

один паскаль=1,0Па=1,0Н1,0м2.один паскаль=1,0Па=1,0Н1,0м2.

В имперской системе единиц единицей напряжения является «фунт на квадратный дюйм», что означает «фунт на квадратный дюйм» (фунт/дюйм2). (фунт/дюйм2). Другой единицей, которая часто используется для объемного напряжения, является атм (атмосфера). Коэффициенты пересчета:

1psi=6895Paand1Pa=1,450×10−4psi1atm=1,013×105Pa=14,7psi.1psi=6895Па и 1Па=1,450×10-4 фунт/кв. дюйм1 атм=1,013×105Па=14,7 фунт/кв. дюйм.

Объект или среда под напряжением деформируются. Величина, описывающая эту деформацию, называется деформацией. Деформация задается как частичное изменение либо длины (при растягивающем напряжении), либо объема (при объемном напряжении), либо геометрии (при сдвиговом напряжении). Следовательно, деформация является безразмерным числом. Деформация при растягивающем напряжении называется деформацией растяжения, деформация при объемном напряжении называется объемной деформацией (или объемной деформацией), а деформация, вызванная напряжением сдвига, называется деформацией сдвига.

Чем больше напряжение, тем больше деформация; однако связь между деформацией и напряжением не обязательно должна быть линейной. Только когда напряжение достаточно низкое, вызываемая им деформация прямо пропорциональна величине напряжения. Константа пропорциональности в этом отношении называется модулем упругости. В линейном пределе низких значений напряжения общее соотношение между напряжением и деформацией составляет

напряжение=(модуль упругости)×деформация. напряжение=(модуль упругости)×деформация.

12.33

Как видно из размерного анализа этого отношения, модуль упругости имеет ту же физическую единицу, что и напряжение, поскольку деформация безразмерна.

Из уравнения 12.33 также видно, что, когда объект характеризуется большим значением модуля упругости, влияние напряжения невелико. С другой стороны, небольшой модуль упругости означает, что напряжение вызывает большую деформацию и заметную деформацию. Например, нагрузка на резиновую ленту вызывает большую деформацию (деформацию), чем такая же нагрузка на стальную ленту тех же размеров, потому что модуль упругости резины на два порядка меньше, чем модуль упругости стали.

Модуль упругости при растяжении называется модулем Юнга; то, что для объемного напряжения называется объемным модулем; а то, что касается напряжения сдвига, называется модулем сдвига. Обратите внимание, что соотношение между напряжением и деформацией представляет собой наблюдаемых соотношений, измеренных в лаборатории. Модули упругости для различных материалов измеряются в различных физических условиях, таких как переменная температура, и собираются в таблицах технических данных для справки (таблица 12.1). Эти таблицы являются ценным справочным материалом для промышленности и всех, кто занимается проектированием или строительством. В следующем разделе мы обсудим отношения деформации к напряжению за пределами линейного предела, представленного уравнением 12.33, во всем диапазоне значений напряжения до точки разрушения. В оставшейся части этого раздела мы изучаем линейный предел, выраженный уравнением 12.33.

Материал	Модуль Юнга × 1010 Па × 1010 Па	Объемный модуль ×1010 Па × 1010 Па	Модуль сдвига ×1010 Па × 1010 Па
Алюминий	7,0	7,5	2,5
Кость (растяжение)	1,6	0,8	8,0
Кость (компрессия)	0,9
Латунь	9,0	6,0	3,5
Кирпич	1,5
Бетон	2,0
Медь	11,0	14,0	4,4
Краун	6,0	5,0	2,5
Гранит	4,5	4,5	2,0
Волосы (человеческие)	1,0
Твердая древесина	1,5		1,0
Железо	21,0	16,0	7,7
Свинец	1,6	4. 1	0,6
Мрамор	6,0	7,0	2,0
Никель	21,0	17,0	7,8
Полистирол	3,0
Шелк	6,0
Паутинная резьба	3,0
Сталь	20,0	16,0	7,5
Ацетон		0,07
Этанол		0,09
Глицерин		0,45
Меркурий		2,5
Вода		0,22

Стол 12. 1 Приблизительные модули упругости для выбранных материалов

Напряжение растяжения или сжатия, деформация и модуль Юнга

Растяжение или сжатие возникает, когда две антипараллельные силы одинаковой величины действуют на объект только в одном из его измерений таким образом, что объект не движется. Один из способов представить такую ​​ситуацию показан на рис. 12.18. Отрезок стержня либо растягивается, либо сжимается парой сил, действующих по его длине и перпендикулярно поперечному сечению. Суммарный эффект таких сил заключается в том, что стержень изменяет свою длину с первоначальной длины L0L0, которая была у него до появления сил, на новую длину L что имеет под действием сил. Это изменение длины ΔL=L−L0ΔL=L−L0 может быть либо удлинением (когда L больше исходной длины L0)L0), либо сокращением (когда L меньше исходной длины L0).L0). . Растягивающее напряжение и деформация возникают, когда силы растягивают объект, вызывая его удлинение, а изменение длины ΔLΔL положительно. Напряжение сжатия и деформация возникают, когда силы сжимают объект, вызывая его укорочение, а изменение длины ΔLΔL отрицательно.

В любой из этих ситуаций мы определяем напряжение как отношение деформирующей силы F⊥F⊥ к площади поперечного сечения A деформируемого объекта. Символ F⊥F⊥, который мы оставляем за деформирующей силой, означает, что эта сила действует перпендикулярно поперечному сечению объекта. Силы, действующие параллельно поперечному сечению, не изменяют длину объекта. Определение растягивающего напряжения

растягивающее напряжение = F⊥A. растягивающее напряжение = F⊥A.

12.34

Деформация при растяжении является мерой деформации объекта под действием растягивающего напряжения и определяется как частичное изменение длины объекта, когда объект испытывает растягивающее напряжение

деформация при растяжении = ΔLL0. деформация при растяжении = ΔLL0.

12,35

Напряжение сжатия и деформация определяются по тем же формулам, уравнение 12.34 и уравнение 12.35, соответственно. Единственное отличие от ситуации растяжения заключается в том, что для сжимающего напряжения и деформации мы берем абсолютные значения правых частей в уравнениях 12.34 и 12.35.

Рисунок 12.18 Когда объект находится в состоянии растяжения или сжатия, результирующая сила, действующая на него, равна нулю, но объект деформируется, изменяя свою первоначальную длину L0.L0. (а) Натяжение: стержень удлиняется на ΔL.ΔL. (b) Сжатие: стержень сжимается на ΔL.ΔL. В обоих случаях деформирующая сила действует по длине стержня и перпендикулярно его поперечному сечению. В линейном диапазоне малых напряжений площадь поперечного сечения стержня не изменяется.

Модуль Юнга Y — модуль упругости, когда деформация вызвана напряжением растяжения или сжатия, и определяется уравнением 12.33. Разделив это уравнение на деформацию растяжения, получим выражение для модуля Юнга:

Y=напряжение при растяжении, деформация при растяжении=F⊥/AΔL/L0=F⊥AL0ΔL. Y=напряжение при растяжении, деформация при растяжении=F⊥/AΔL/L0=F⊥AL0ΔL.

12,36

Пример 12,7

Напряжение сжатия в колонне

Скульптура массой 10 000 Н опирается на горизонтальную поверхность на вершине вертикальной колонны высотой 6,0 м. Рис. 12.19.. Площадь поперечного сечения столба составляет 0,20 м20,20 м2, он изготовлен из гранита с массовой плотностью 2700 кг/м3.2700 кг/м3. Найти напряжение сжатия в поперечном сечении, расположенном на 3,0 м ниже вершины целика, и величину деформации сжатия верхнего 3,0-метрового участка целика.

Рисунок 12.19 Колонна Нельсона на Трафальгарской площади в Лондоне, Англия. (кредит: модификация работы Кристиана Бортеса)

Стратегия

Сначала найдем вес верхней части столба длиной 3,0 м. Нормальная сила, действующая на поперечное сечение, расположенное на расстоянии 3,0 м от вершины, представляет собой сумму веса столба и веса скульптуры. Получив нормальную силу, мы используем уравнение 12.34, чтобы найти напряжение. Чтобы найти деформацию сжатия, мы находим значение модуля Юнга для гранита в таблице 12.1 и инвертируем уравнение 12.36.

Решение

Объем сегмента столба высотой h=3,0мh=3,0м и площадью поперечного сечения А=0,20м2А=0,20м2 составляет

V=А·ч=(0,20 м2)(3,0 м)=0,60 м3.V=А·ч=(0,20 м2)(3,0 м)=0,60 м3.

При плотности гранита ρ=2,7×103кг/м3,ρ=2,7×103кг/м3 масса сегмента столба

м=ρV=(2,7×103кг/м3)(0,60м3)=1,60× 103кг.м=ρV=(2,7×103кг/м3)(0,60м3)=1,60×103кг.

Вес сегмента стойки составляет

0,80 м/с2)=1,568×104 Н.

Вес скульптуры ws=1,0×104 Н, ws=1,0×104 Н, поэтому нормальная сила на поверхности поперечного сечения, расположенной на 3,0 м ниже скульптуры, равна

F⊥=wp+ws=(1,568+1,0 )×104Н=2,568×104Н.F⊥=wp+ws=(1,568+1,0)×104Н=2,568×104Н.

Следовательно, напряжение равно

Модуль Юнга для гранита Y=4,5×1010Па=4,5×107кПа. Y=4,5×1010Па=4,5×107кПа. Следовательно, деформация сжатия в этом положении равна

деформация=напряжение Y=128,4 кПа4,5×107 кПа=2,85×10-6. деформация=напряжениеY=128,4 кПа4,5×107 кПа=2,85×10-6.

Значение

Обратите внимание, что нормальная сила, действующая на площадь поперечного сечения столба, не постоянна по его длине, а изменяется от наименьшего значения вверху до наибольшего значения внизу столба. Таким образом, если столб имеет одинаковую площадь поперечного сечения по всей длине, наибольшее напряжение приходится на его основание.

Проверьте свое понимание 12,9

Найдите сжимающее напряжение и деформацию в основании колонны Нельсона.

Пример 12,8

Растягивание стержня

Стальной стержень длиной 2,0 м имеет площадь поперечного сечения 0,30см2.0,30см2. Штанга представляет собой часть вертикальной опоры, удерживающей тяжелую 550-килограммовую платформу, прикрепленную к нижнему концу штанги. Чему равно растягивающее напряжение в стержне и удлинение стержня под действием напряжения без учета веса стержня?

Стратегия

Сначала вычислим растягивающее напряжение в стержне под действием веса платформы в соответствии с уравнением 12.34. Затем мы инвертируем уравнение 12.36, чтобы найти удлинение стержня, используя L0 = 2,0 м. L0 = 2,0 м. Из Таблицы 12.1 модуль Юнга для стали равен Y=2,0×1011 Па. Y=2,0×1011 Па.

Раствор

Подстановка числовых значений в уравнения дает нам

F⊥A=(550 кг)(9,8 м/с2)3,0×10-5м2=1,8×108ПаΔL=F⊥AL0Y=(1,8×108Па)2,0м2,0×1011Па=1,8×10-3м=1,8 мм. F⊥A=(550 кг)(9,8 м/с2)3,0×10-5м2=1,8×108ПаΔL=F⊥AL0Y=(1,8×108Па)2,0м2,0×1011Па=1,8×10-3м=1,8 мм.

Значение

Как и в примере с колонной, растягивающее напряжение в этом примере неравномерно по длине стержня. Однако, в отличие от предыдущего примера, если принять во внимание вес стержня, напряжение в стержне наибольшее в верхней части и наименьшее в нижней части стержня, к которому прикреплено оборудование.

Проверьте свое понимание 12.10

Проволока длиной 2,0 м растягивается на 1,0 мм под нагрузкой. Чему равна деформация растяжения в проволоке?

Объекты часто могут одновременно испытывать как сжимающее, так и растягивающее напряжение. Рисунок 12.20. Одним из примеров является длинная полка, загруженная тяжелыми книгами, которая провисает между торцевыми опорами под весом книг. Верхняя поверхность полки находится в сжимающем напряжении, а нижняя поверхность полки в растягивающем напряжении. Точно так же длинные и тяжелые балки прогибаются под собственным весом. В современном строительстве такие деформации изгиба могут быть практически устранены при использовании двутавровых балок. Рис. 12.21.

Рисунок 12.20 (а) Объект, наклоняющийся вниз, испытывает растягивающее напряжение (растяжение) в верхней части и сжимающее напряжение (сжатие) в нижней части. (b) Элитные тяжелоатлеты часто временно сгибают железные стержни во время подъема, как, например, на Олимпийских играх 2012 года. (кредит b: модификация работы Александра Кочерженко)

Рисунок 12.21 Стальные двутавровые балки используются в строительстве для уменьшения деформации изгиба. (кредит: модификация работы «Европейского округа инженерного корпуса армии США»/Flickr)

Интерактивный

Тяжелый ящик стоит на столе, поддерживаемом тремя колоннами. Просмотрите эту демонстрацию, чтобы переместить блок, чтобы увидеть, как влияет сжатие (или растяжение) в столбцах, когда блок меняет свое положение.

Объемное напряжение, деформация и модуль

Когда вы ныряете в воду, вы чувствуете силу, давящую на каждую часть вашего тела со всех сторон. То, что вы испытываете, — это массовый стресс, или, другими словами, давление. Объемное напряжение всегда имеет тенденцию к уменьшению объема, ограниченного поверхностью погруженного объекта. Силы этого «выдавливания» всегда перпендикулярны погруженной поверхности Рис. 12.22. Действие этих сил заключается в уменьшении объема затопленного объекта на величину ΔVΔV по сравнению с объемом V0V0 объекта при отсутствии объемного напряжения. Этот вид деформации называется объемной деформацией и описывается изменением объема по отношению к первоначальному объему:

объемная деформация = ΔVV0. объемная деформация = ΔVV0.

12.37

Рисунок 12.22 Объект при увеличении объемного напряжения всегда испытывает уменьшение своего объема. Со всех сторон действуют равные силы, перпендикулярные поверхности. Действие этих сил заключается в уменьшении объема на величину ΔVΔV по сравнению с первоначальным объемом V0.V0.

Объемная деформация является результатом объемного напряжения, представляющего собой силу F⊥F⊥, перпендикулярную поверхности, которая давит на единицу площади поверхности A подводного объекта. Этот вид физической величины, или давление p , определяется как

давление=p≡F⊥A.давление=p≡F⊥A.

12.38

Более подробно давление в жидкостях мы изучим в механике жидкости. Важной характеристикой давления является то, что оно является скалярной величиной и не имеет определенного направления; то есть давление действует одинаково во всех возможных направлениях. Когда вы погружаете руку в воду, вы чувствуете такое же давление, действующее на верхнюю поверхность руки, как и на нижнюю поверхность, или на боковую поверхность, или на поверхность кожи между пальцами. В этом случае вы ощущаете увеличение давления ΔpΔp по сравнению с тем, что вы привыкли ощущать, когда ваша рука не погружена в воду. То, что вы чувствуете, когда ваша рука не погружена в воду, — это нормальное давление p0p0 в одну атмосферу, которое служит точкой отсчета. Объемное напряжение представляет собой увеличение давления, или Δp, Δp, по сравнению с нормальным уровнем, p0.p0.

Когда объемное напряжение увеличивается, объемная деформация увеличивается в соответствии с уравнением 12.33. Константа пропорциональности в этом отношении называется объемным модулем, B или

.

B=объемное напряжениеобъемная деформация=-Δp∆V/V0=-∆pV0∆V.B=объемное напряжениеобъемная деформация=-∆p∆V/V0=-∆pV0∆V.

12.39

Знак минус, который появляется в уравнении 12.39, используется для согласованности, чтобы гарантировать, что B является положительной величиной. Обратите внимание, что знак минус (–)(–) необходим, так как увеличение ΔpΔp давления (положительная величина) всегда вызывает уменьшение ΔVΔV объема, а уменьшение объема является отрицательной величиной. Величина, обратная объемному модулю, называется сжимаемостью k, k или 9.0007

k=1B=-ΔV/V0Δp.k=1B=-ΔV/V0Δp.

12.40

Термин «сжимаемость» используется в отношении флюидов (газов и жидкостей). Сжимаемость описывает изменение объема жидкости на единицу увеличения давления. Жидкости, характеризующиеся большой сжимаемостью, относительно легко сжимаются. Например, сжимаемость воды составляет 4,64×10-5/атм, 4,64×10-5/атм, а сжимаемость ацетона составляет 1,45×10-4/атм, 1,45×10-4/атм. Это означает, что при повышении давления на 1,0 атм относительное уменьшение объема примерно в три раза больше для ацетона, чем для воды.

Пример 12,9

Гидравлический пресс

В гидравлическом прессе (рис. 12.23) объем масла объемом 250 литров подвергается повышению давления на 2300 фунтов на квадратный дюйм. Если сжимаемость масла 2,0×10-5/атм, 2,0×10-5/атм, найти объемную деформацию и абсолютное уменьшение объема масла при работе пресса.

Рисунок 12.23 В гидравлическом прессе, когда маленький поршень смещается вниз, давление масла передается через масло на большой поршень, заставляя большой поршень двигаться вверх. Небольшое усилие, приложенное к маленькому поршню, вызывает большую силу давления, которую большой поршень оказывает на предмет, который либо поднимается, либо сжимается. Устройство действует как механический рычаг.

Стратегия

Мы должны инвертировать уравнение 12. 40, чтобы найти объемную деформацию. Во-первых, мы конвертируем увеличение давления из psi в атм, Δp=2300psi=2300/14,7атм≈160атм, Δp=2300psi=2300/14,7атм≈160атм и идентифицируем V0=250L.V0=250L.

Раствор

Подставляя значения в уравнение, имеем

объемная деформация=ΔVV0=ΔpB=kΔp=(2,0×10−5/атм)(160 атм)=0,0032ответ:ΔV=0,0032V0=0,0032(250 л)=0,78 л.объемная деформация=ΔVV0=ΔpB=kΔp=( 2,0×10-5/атм)(160атм)=0,0032ответ: ΔV=0,0032V0=0,0032(250л)=0,78л.

Значение

Обратите внимание, что, поскольку сжимаемость воды в 2,32 раза больше, чем у масла, если бы рабочее тело в гидравлическом прессе этой задачи было заменено на воду, объемная деформация, а также изменение объема были бы в 2,32 раза больше.

Проверьте свое понимание 12.11

Если нормальная сила, действующая на каждую грань кубического куска стали объемом 1,0 м31,0 м3, изменится на 1,0×107 Н, 1,0×107 Н, найдите результирующее изменение объема куска стали.

Напряжение сдвига, деформация и модуль

Понятия касательного напряжения и деформации относятся только к твердым объектам или материалам. Здания и тектонические плиты являются примерами объектов, которые могут подвергаться напряжениям сдвига. В общем случае эти понятия неприменимы к жидкостям.

Деформация сдвига возникает, когда две антипараллельные силы одинаковой величины прикладываются по касательной к противоположным поверхностям твердого тела, не вызывая деформации в поперечном направлении к силовой линии, как в типичном примере напряжения сдвига, показанном на рис. 12.24. Сдвиговая деформация характеризуется постепенным смещением ΔxΔx слоев в направлении, касательном к действующим силам. Эта градация по ΔxΔx происходит в поперечном направлении на некотором расстоянии L0.L0. Деформация сдвига определяется отношением наибольшего смещения ΔxΔx к поперечному расстоянию L0L0

деформация сдвига = ΔxL0. деформация сдвига = ΔxL0.

12.41

Деформация сдвига вызвана напряжением сдвига. Касательное напряжение возникает из-за сил, которые действуют параллельно поверхности. Мы используем символ F∥F∥ для таких сил. Величина F∥F∥ на площадь поверхности A , где приложено усилие сдвига, является мерой напряжения сдвига

напряжение сдвига=F∥A. напряжение сдвига=F∥A.

12,42

Модуль сдвига является константой пропорциональности в уравнении 12.33 и определяется отношением напряжения к деформации. Модуль сдвига обычно обозначается С :

S=напряжение сдвига, деформация сдвига=F∥/A∆x/L0=F∥AL0∆x.S=напряжение сдвига, деформация сдвига=F∥/A∆x/L0=F∥AL0∆x.

12,43

Рисунок 12.24 Объект под напряжением сдвига: две антипараллельные силы равной величины приложены по касательной к противоположным параллельным поверхностям объекта. Контур штриховой линией изображает результирующую деформацию. Направление, поперечное действующим силам, не изменяется, и поперечная длина L0L0 не изменяется. Сдвиговая деформация характеризуется постепенным смещением ΔxΔx слоев в направлении, касательном к силам.

Пример 12.10

Старая книжная полка

Уборщица пытается передвинуть тяжелый старый книжный шкаф на ковровом покрытии, нажимая по касательной на поверхность самой верхней полки. Однако единственный заметный эффект от этого усилия аналогичен тому, что показан на рис. 12.24, и он исчезает, когда человек прекращает тужиться. Книжный шкаф имеет высоту 180,0 см и ширину 90,0 см с четырьмя полками глубиной 30,0 см, частично заполненными книгами. Общий вес книжного шкафа и книг равен 600,0 Н. Если человек приложил к верхней полке толчок силой 50,0 Н, который сместил верхнюю полку по горизонтали на 15,0 см относительно неподвижной нижней полки, найти модуль сдвига книжного шкафа.

Стратегия

Единственными фрагментами соответствующей информации являются физические размеры книжного шкафа, значение касательной силы и смещение, которое вызывает эта сила. Мы определяем F∥=50,0 Н, Δx=15,0 см, F∥=50,0 Н, Δx=15,0 см, L0=180,0 см, L0=180,0 см и A=(30,0 см)(90,0 см)=2700,0 см2,A =(30,0 см)(90,0 см)=2700,0 см2, и мы используем уравнение 12.43 для вычисления модуля сдвига.

Раствор

Подставляя числа в уравнения, получаем для модуля сдвига

S=F∥AL0Δx=50,0N2700,0см2180,0см.15,0см.=29Нсм2=29×104Нм2=209×103Па=2,222 кПа.S=F∥AL0Δx=50,0Н2700,0см2180,0см.15,0см.=29Нсм2 =29×104 Нм2=209×103Па=2,222 кПа.

Мы также можем найти касательное напряжение и деформацию, соответственно: Pa∆xL0=15,0см180,0см=112=0,083.

Значение

Если человек в этом примере сильно толкнет полку, может случиться так, что индуцированный сдвиг разрушит ее до груды мусора. Во многом тот же механизм сдвига отвечает за разрушение засыпанных землей плотин и дамб; и, вообще, для оползней.

Проверьте свое понимание 12.12

Объясните, почему понятия модуля Юнга и модуля сдвига неприменимы к жидкостям.

ДЕФОРМАЦИЯ ПОРОД

Деформация горных пород

Деформация горных пород

вернуться к содержанию всего курса…

Напряжение и деформация
Стадии деформации
Хрупко-вязкое Свойства литосферы
Происходящая деформация
Доказательства прежней деформации
Трещины хрупких пород
Нормальные разломы
Хорсты и Габены
Полуграбенсы
Взбросы
Взбросы
Сдвиговые разломы
Трансформационные разломы
Свидетельства движения по разломам
Складчатость пластичных горных пород
Моноклинали
Антиклинали
Синклинали
Геометрия складок
Классификация складок
Взаимосвязь Между складками и разломами
Складки и топография

см.

также деформацию изображения в геологических процессах..

адаптировано к HTML из конспектов лекций профессора Стивена А. Нельсона Тулейна. University

Горные породы Земли постоянно подвергаются воздействию сил, стремящихся чтобы их согнуть, скрутить или сломать. Когда скалы изгибаются, скручиваются или переломе мы говорим, что они деформируются (меняют форму или размер). Силы, которые вызывают деформацию горных пород, называются напряжениями (сила/единица площади). Таким образом, чтобы понять деформацию горных пород, мы должны сначала изучить эти силы или стрессы.

Стресс а также Штамм

Напряжение – это сила, приложенная к площади. Один из видов стресса, которым мы все являемся используется для равномерного напряжения, называемого давлением. Равномерное напряжение есть напряжение при этом силы действуют одинаково со всех сторон. На Земле давление от веса вышележащих пород является равномерным напряжением и равно иногда называют ограничивающим стрессом.
 

Если напряжение не одинаково со всех сторон, то говорят, что напряжение равно дифференциальное напряжение. Возникают три вида дифференциального напряжения.

• Напряжение растяжения (или напряжение растяжения), которое растягивает породу;
• Напряжение сжатия, сжимающее горную породу; и
• Напряжение сдвига, приводящее к проскальзыванию и смещению.

Говорят, что когда горные породы деформируются, они напрягаются. Штамм – это изменение размера, форму или объем материала.

Стадии деформации

Когда порода подвергается возрастающей нагрузке, она проходит через 3 последовательные этапы деформации.
 
 

• Упругая деформация — при которой деформация обратима.
• Вязкая деформация — при которой деформация необратима.
• Разрушение — необратимая деформация, при которой происходит разрушение материала.

Мы можем разделить материалы на два класса, которые зависят от их относительной поведение в условиях стресса.

• Хрупкие материалы имеют небольшую или большую область упругого поведения но только небольшая область пластичного поведения, прежде чем они разрушатся.
• Пластичные материалы имеют небольшую область упругого поведения и большая область пластичного поведения до разрушения.

Поведение материала зависит от нескольких факторов.
Среди них:

• Температура. При высокой температуре молекулы и их связи могут растягиваться и двигаться, поэтому материалы будут вести себя более пластично. При низкой температуре материалы становятся хрупкими.
• Всестороннее давление — при высоком всестороннем давлении материалы меньше может сломаться, потому что давление окружающей среды имеет тенденцию к препятствуют образованию трещин. При низком ограничивающем напряжении материал будет хрупким и быстрее сломается.
• Скорость деформации — При высоких скоростях деформации материал имеет тенденцию к разрушению. В низкие скорости деформации, больше времени доступно для перемещения отдельных атомов поэтому предпочтительнее пластичное поведение.
• Состав — Некоторые минералы, такие как кварц, оливин и полевые шпаты. очень ломкие.
  Другие, такие как глинистые минералы, слюда и кальцит, более пластичны. происходит из-за типов химической связи, которые удерживают их вместе.
  Таким образом, минералогический состав породы будет фактором определение деформационного поведения породы. Другой аспект наличие или отсутствие воды.
  Вода ослабляет химические связи и образует пленку вокруг минеральные зерна, по которым может происходить скольжение. Таким образом, мокрая скала имеет тенденцию вести себя пластично, в то время как сухие породы склонны вести себя хрупкая манера.

Хрупкопластичный Свойства литосферы

Все мы знаем, что горные породы у поверхности Земли ведут себя хрупко способ. Коровые породы состоят из минералов, таких как кварц и полевой шпат. которые имеют высокую прочность, особенно при низком давлении и температуре. В качестве мы углубляемся в землю, прочность этих пород первоначально увеличивается. На глубине около 15 км мы достигаем точки, называемой хрупко-пластичной. переходная зона. Ниже этой точки прочность горных пород снижается, поскольку трещины закрываются, а температура повышается, что делает породы вести себя податливо. В основании земной коры изменяется тип породы. до перидотита, богатого оливином. Оливин сильнее, чем минералы, входящие в состав большинства пород земной коры, поэтому верхняя часть мантии снова сильный. Но так же, как и в земной коре, повышение температуры со временем преобладает и на глубине около 40 км хрупко-пластичный переходная зона в мантии. Ниже этой точки породы ведут себя по-разному. более податливая манера

Текущая деформация

Лишь в отдельных случаях деформация горных пород происходит со скоростью, равной наблюдаемые в масштабах человеческого времени. Резкая деформация по разломам, обычно связанные с землетрясениями, вызванными разрушением горных пород, происходят на шкала времени минут или секунд. Постепенная деформация вдоль разломов или в области подъема или опускания могут быть измерены в течение периодов от нескольких месяцев до лет с чувствительными измерительными приборами.

Доказательство Бывшая Деформация

Доказательства деформации, которая произошла в прошлом, очень очевидны в коровые породы. Например, осадочные пласты и лавовые потоки обычно следовать закону исходной горизонтальности. Таким образом, когда мы видим такие слои наклонный, а не горизонтальный, свидетельствует об эпизоде ​​деформации. подарок. Чтобы однозначно определить ориентацию плоского элемента нам сначала нужно определить два термина — простирание и падение

Для наклонной плоскости ударом является компасное направление любой горизонтальная линия на плоскости. Падение – это угол между горизонталью плоскость и наклонная плоскость, измеренная перпендикулярно направлению простирание

При записи измерений простирания и падения на геологической карте символ используется длинная линия, ориентированная параллельно направлению компаса удар. Короткая галочка ставится в центре строки на сторону, в которую падает наклонная плоскость, и записывают угол падения рядом с символом удара и падения, как показано выше. Для кроватей с 900 падение (вертикальное) короткая линия пересекает линию удара, а для пластов без провала (по горизонтали) используется круг с крестом внутри, как показано на рисунке ниже.

Разрушение хрупких пород

• Разломы — Разломы возникают при разрушении хрупких пород и наличии смещение вдоль излома. Когда смещение небольшое, смещение можно легко измерить, но иногда смещение настолько велико что его трудно измерить. Типы Неисправности Неисправности можно разделить на несколько различных типов в зависимости от направления относительного смещения. Так как неисправности плоские элементы, также применяется концепция простирания и падения, и, таким образом, простирание и падение плоскости разлома могут быть измерены. Одно подразделение разломы находятся между сбросо-сдвиговыми разломами, где измеряется смещение вдоль направления падения разлома и сдвиговых разломов, где смещение горизонтальное, параллельное простиранию разлома.
• Сдвиговые разломы —
  Сдвиговые разломы — это разломы, которые имеют наклонную плоскость разлома и вдоль относительное смещение или смещение которого произошло по падению направление. Обратите внимание, что при рассмотрении смещения по любому разлому мы не знаем, какая сторона на самом деле двигалась или двигались обе стороны, все мы можно определить относительное чувство движения.
  Для любой наклонной плоскости разлома мы определяем блок над разломом как блок висячей стены и блок ниже разлома в качестве подошвы блокировать.

Нормальные неисправности —

Разломы, возникающие в результате горизонтальных растягивающих напряжений в хрупких горных породах. и где блок висячей стены сместился относительно основания блок

Horsts and Gabens —

Из-за напряжения растяжения, ответственного за нормальные разломы, они часто возникают сериями, при этом соседние разломы падают в противоположных направлениях. направления. В таком случае опущенные глыбы образуют грабены и поднятые блоки образуют горсты. В районах, где напряжения напряжения в последнее время воздействует на земную кору, грабены могут образовывать рифтовые долины и приподнятые горстовые блоки могут образовывать линейные горные хребты. Восточноафриканская рифтовая долина является примером области, где расширение континента создало такое раскол. Провинция бассейна и хребта на западе США (Невада, Юта и Айдахо) также является областью, которая недавно подверглась расширению земной коры. В бассейн и хребет, бассейны представляют собой удлиненные грабены, которые сейчас формируют долины, а хребты приподняты горстовыми глыбами

Полуграбенс —

Нормальный разлом, который имеет искривленную плоскость разлома с падением, уменьшающимся с depth может привести к вращению опущенного блока. В таком случае образуется полуграбен, названный так потому, что он ограничен только одним разлом вместо двух, образующих нормальный грабен.

Обратные неисправности —

Разломы, возникающие в результате горизонтальных сжимающих напряжений в хрупких скалы, где блок висячей стены сместился относительно подошвы блок

Ошибка тяги —

является частным случаем обратного разлома, когда падение разлома меньше чем 15о. Надвиги могут иметь значительные смещения, сотни километров и может привести к тому, что более старые слои перекроют более молодые слои.

Сдвиговые разломы —

разломы, в которых относительное движение по разлому произошло вдоль горизонтальное направление. Такие разломы возникают в результате касательных напряжений, действующих в корка. Сдвиговые разломы могут быть двух видов, в зависимости от смысла. смещения. Наблюдателю, стоящему по одну сторону разлома и глядя поперек разлома, если блок на другой стороне переместился в слева, мы говорим, что разлом является левосторонним сдвигом. Если блок на другой стороне сдвинулся вправо, мы говорим, что неисправность правосторонний сдвиг. Знаменитый разлом Сан-Андреас в Калифорния является примером правостороннего сдвигового разлома. Смещения по разлому Сан-Андреас оцениваются более чем в 600 км

Трансформные разломы

представляют собой особый класс сдвиговых разломов. Это границы плит по которому две пластины скользят друг относительно друга горизонтально. наиболее распространенный тип трансформных разломов возникает там, где океанические хребты компенсировать. Обратите внимание, что ошибка преобразования возникает только между двумя сегментами. хребта. Вне этой области нет относительного движения, потому что блоки движутся в одном направлении. Эти участки называются переломом. зоны. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии также является трансформным разломом.

Доказательства перемещения по Разломы

• Стороны скольжения — это царапины, оставленные на плоскости разлома как один блок перемещается относительно другого. Сликенсайды можно использовать для определить направление и направление движения по разлому.


• Разлом Брекчии представляют собой раскрошенные породы, состоящие из угловатых обломков. которые образовались в результате измельчения и дробления движения по вина.

Складчатость пластичных горных пород

Когда горные породы пластично деформируются, а не разрушаются с образованием разломы, они могут изгибаться или складываться, и образующиеся в результате структуры называются складки. Складки возникают в результате сжимающих напряжений, действующих на протяжении значительных время. Поскольку скорость деформации низкая, породы, которые мы обычно рассматриваем, хрупкий может вести себя пластичным образом, что приводит к таким складкам. Мы признать несколько другой виды складок.

Моноклин

являются простейшими типами складок. Моноклинали возникают, когда горизонтальные пласты загнуты вверх так, что два крыла складки остаются горизонтальными

Антиклинали

Антиклинали – это складки, в которых первоначально горизонтальные пласты были сложены вверх, и два конца сгиба отклонились от шарнира складки

Синклинали

Синклинали – это складки, в которых располагались первоначально горизонтальные пласты. сложена вниз, а два конца складки погружаются внутрь к шарниру сгиба. Синклинали и антиклинали обычно встречаются вместе, так что крыло синклинали также является крылом антиклинали.

Геометрия складок

Геометрия складок. Складки описываются их формой и ориентацией. стороны складки называются конечностями. Конечности пересекаются в самой узкой части складки, называемой шарниром. Линия, соединяющая все точки на шарнире называется осью сгиба. На диаграммах выше оси сгиба горизонтальна, но если ось сгиба не горизонтальна, складка называется врезной сгиб и угол, который ось сгиба образует с горизонталью линия называется погружением складки. Воображаемая плоскость, включающая оси складки и делит складку по возможности симметрично, называется осевая плоскость сгиба

 

Заметим, что если ныряющая складка пересекает горизонтальную поверхность, мы увидим рисунок складки на поверхности.

Классификация складок классифицировать по внешнему виду.

• Если обе ветви складки наклоняются от оси с одинаковой угла, складка называется симметричной.
• Если конечности наклонены под разными углами, говорят, что складки асимметричные складки.
• Если сжимающие напряжения, вызывающие складчатость, интенсивны, складка может смыкаться и иметь отгибы, параллельные друг другу. Такая складка называется изоклинальной складкой (изо означает одинаковую, а клин означает угол, поэтому изоклинальный означает, что конечности имеют одинаковый угол. Примечание изоклинальная складка, изображенная на диаграмме ниже, также является симметричной складывать.
• Если складчатость настолько интенсивна, что пласты на одном плече складки становится почти перевернутой, складка называется перевернутой складкой.
• Перевернутая складка с почти горизонтальной осевой плоскостью называется лежачей складкой.
• Складка, не имеющая искривления в шарнире и с прямыми концами которые образуют зигзагообразный узор, называется шевронной складкой

Взаимосвязь между складчатостью и разломами

Поскольку разные породы ведут себя по-разному при напряжении, мы ожидаем, что некоторые породы при одинаковом напряжении будут разрушаться или разрушаться, в то время как другие свернутся. Когда такие контрастные породы встречаются в одном и том же районе, такие как пластичные породы, лежащие над хрупкими породами, хрупкие породы могут разломы и пластичные породы могут изгибаться или складываться по разлому
Кроме того, поскольку даже пластичные породы могут в конечном итоге разрушиться под высоким напряжением, породы могут складываться до определенной точки, а затем разрушаться, образуя разлом.

 

Складки и рельеф

Поскольку разные горные породы обладают разной устойчивостью к эрозии и выветриванию, эрозия складчатых областей может привести к топографии, отражающей складной. Устойчивые слои будут образовывать гребни, имеющие ту же форму, что и складками, а менее устойчивые слои будут образовывать долины

Горные хребты — результат деформации земной коры

Один из самых впечатляющих результатов деформации, действующей внутри земной коры Земли является формирование горных хребтов. Горы берут свое начало три процесса, два из которых непосредственно связаны с деформацией. Таким образом, Есть три типа гор:

• Горы блоков разломов — Как следует из названия, горы блоков разломов возникают по вине. Как обсуждалось ранее, как нормальные, так и взбросы могут вызвать поднятие блоков пород земной коры. Горы Сьерра-Невада в Калифорнии и горы в бассейне и провинция Рейндж на западе США образовались в результате разломов процессов и, таким образом, представляют собой разломные глыбовые горы.
• Складчатые и надвиговые горы — большие сжимающие напряжения могут быть генерируются в земной коре тектоническими силами, вызывающими континентальные области земной коры столкнуться.