Коробление материалов и конструкций¶

Коробление — процесс деформирования материалов, заготовок, деталей или конструкций под действием внутренних напряжений, возникающих при неравномерном изменении влажности, температуры или пластических деформаций, приводящий к искажению их формы (изгибу, скручиванию, вспучиванию поверхности). В отличие от деформаций от внешней нагрузки, коробление вызывается внутренними причинами и проявляется даже при отсутствии внешних сил.

¶Причины возникновения

Основная причина коробления — неравномерное изменение объёма материала по сечению или площади. Наиболее типичные факторы:

• Влажностные деформации. Дерево, бумага, картон, текстиль, бетон и некоторые полимеры изменяют объём при набухании и усыхании. Если усушка или набухание происходят неравномерно (например, одна сторона детали сохнет быстрее другой), возникают внутренние напряжения, приводящие к изгибу.
• Температурные деформации. Неравномерный нагрев или охлаждение тела вызывает разность линейных расширений по объёму. При сварке металлоконструкций зоны с разной скоростью охлаждения дают остаточные напряжения, а конструкция может покоробиться.
• Пластические деформации. При гибке, штамповке, прокатке или правке металла деформированный слой стремится к упругому возврату, и заготовка изменяет форму.
• Структурные превращения. Фазовые переходы, кристаллизация, старение полимеров и усадка при отверждении бетона сопровождаются объёмными изменениями.

¶Коробление древесины

Дерево — наиболее подверженный короблению конструкционный материал, поскольку является гигроскопичным и анизотропным. Влажность древесины в окружающем воздухе устанавливается в равновесии с относительной влажностью среды; при снижении влажности ниже волокнонасыщенного состояния (около 30 %) начинается усыхание.

Различают несколько типов коробления деревянных изделий:

Причиной коробления древесины является неодинаковая усадка радиальных и тангенциальных направлений: тангенциальная усадка примерно вдвое превышает радиальную. Доска, высушенная с одной стороны быстрее другой, приобретает изгиб в сторону более сухой поверхности.

Для предотвращения коробления древесины применяют:

• правильную сушку с контролируемыми режимами ( камерная, вакуумная, СВЧ-сушка);
• ансамблирование — склеивание досок с взаимной компенсацией направления волокон;
• покрытие лакокрасочными материалами с обеих сторон изделия, замедляющее неравномерный обмен влагой;
• механическое крепление к каркасу, ограничивающее свободную деформацию.

¶Коробление металлов и сварных конструкций

При сварке коробление возникает из-за локального нагрева и последующего охлаждения металла. Сварной шов и прилегающая зона ужимаются, стягивая холодные участки конструкции. В тонколистовых конструкциях коробление проявляется в виде волнообразной деформации листа, в балочных элементах — в виде изгиба и скручивания.

Различают коробление:

• остаточное — вызванное неравномерными пластическими деформациями при сварке, штамповке, прокатке;
• упругое — исчезающее после снятия внешней причины;
• пластическое — необратимое изменение формы.

Способы борьбы: правка сварных конструкций (механическая, термическая, гидравлическая), выбор рациональной последовательности сварки швов, предварительный прогрев и обратный монтажный уход (направленный нагрев для компенсации деформаций).

¶Коробление полимеров и композитов

Полимерные материалы и композиты коробятся при неравномерном отверждении, старении, воздействии температуры или влаги. В стеклопластиковых и углепластиковых конструкциях коробление возникает при намотке, ламинировании или прессовании, если слои ориентированы несимметрично относительно срединной поверхности: при охлаждении разные слои ужимаются по-разному, и плита или оболочка самопроизвольно изгибается. Такой эффект учитывается при проектировании композитных панелей — применяют симметричное послойное распределение или вводят компенсирующие слои.

¶Коробление бумаги и картона

Бумага коробится при изменении влажности: волокна набухают и усыхают неравномерно в зависимости от ориентации. В полиграфии коробление бумаги проявляется при сушке оттисков, хранении готовой продукции и является одной из причин искажения геометрии листа. Для снижения коробления бумагу подвергают каландрированию, вводят в состав наполнители и клеевые добавки, ограничивают перепады влажности при хранении.

¶Применение эффекта коробления

В ряде технологий коробление используется намеренно. При сушке древесного шпона коробление компенсируют подбором шпона по направлению изгиба. В производстве гнутых деталей эффект упругого возврата учитывают при расчёте радиуса гибки. В некоторых конструкциях упругое коробление применяют как рабочий принцип — например, в биметаллических термостатах, где разность коэффициентов линейного расширения металлов приводит к изгибу пластины при изменении температуры.

¶См. также

• Усадка (материаловедение)
• Остаточные напряжения
• Сушка древесины
• Сварная деформация

¶Источники

• ГОСТ 21.501-2018. Правила выполнения рабочей документации архитектурных и конструктивных решений
• Козловский, В. А. Технология деревообрабатывающих производств
• Патон, Б. Е. Технология электрической сварки металлов и сплавов
• Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов
• Хинич, Я. А. Коробление и деформации при сварке