Глава 1

ПРИРОДА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

1.1. Понятия о пластической деформации

В твердых телах существуют достаточно большие силы взаимо­связи атомов, чтобы противостоять действию силы тяжести, и без воздействия внешних сил твердые тела сохраняют свою форму и размеры. Приложение внешних сил к твердому телу вызывает изменение его формы и размеров, что сопровождается изменением расстояния между отдельными материальными точками, состав­ляющими данное тело, или же изменением размеров и формы элементарных объемов, на которые можно разделить рассматри­ваемое твердое тело.

Для оценки величины формоизменения вводят понятие де­формации.

Различают деформации линейные, угловые, поверхностные и объемные. Эти виды деформаций могут относиться как к эле­ментарному объему, выделенному в твердом теле, так и ко всему телу.

Линейные деформации характеризуют изменение какого-либо одного размера.

Угловые деформации характеризуют изменение угла между какими-либо двумя линиями, проведенными в дефор­мируемом теле.

Поверхностные деформации характеризуют изменение площади какого-либо сечения или участка поверх­ности.

Объемные деформации характеризуют изменение объема.

Указанные деформации, в свою очередь, можно разделить на абсолютные, относительные и логарифмические.

Абсолютная деформация выражает абсолютное изменение какого-либо линейного размера, углового размера, площади сечения или участка граничной поверхности элемента, выделенного в деформируемом теле, или всего тела.

Относительная деформация характеризует от­носительное изменение тех же величин. Обычно относительную деформацию определяют как отношение абсолютного изменения какого-либо параметра (абсолютной деформации) к первоначаль­ному значению этого параметра.

Логарифмическая деформация является разновидностью относительной деформации. Она представляет собой натуральный логарифм отношения измененного в резуль­тате деформирования размера к первоначальному размеру эле­мента тела или всего тела до начала деформирования.

Степень деформации является относительной де­формацией, характеризующей общее формоизменение деформи­руемого тела. При неравномерном распределении деформаций в теле степень деформации дает представление о некоторой средней для всего тела величине деформации.

В последующем изложении будут даны некоторые уточнения и дополнения к этим понятиям. Заметим, что так как формоиз­менение есть процесс, протекающий во времени, то деформации можно определять для любого, в том числе и конечного, момента деформирования.

Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении действия внешних сил и твердое тело полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую де­формацию называют упругой деформацией.

Если же при прекращении действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию называют пластическо й (остаточной) деформацией.

Как упругая, так и пластическая деформация происходят без разрушения деформируемого тела или отдельных его участков (без нарушения-сплошности).

Способность твердого тела получать пластические деформаций называют пластичностью. Пластичность можно оценивать максимальной величиной пластической деформации, которую можно получить без разрушения деформируемого тела. Пластич- ность зависит от условий деформирования, и ее следует рассма- тривать не как свойство какого-либо материала, а как его состоя- ние. ■

Расстояния между атомами в твердых телах имеют опреде­ленную величину, зависящую от рода материала, его химического состава и' температурных условий и изменяющуюся в данном теле в весьма узких пределах.

Величины межатомных расстояний устанавливаются в резуль­тате силового взаимодействия между атомами.

Между атомами действуют силы притяжения и силы отталки­вания, и величина межатомных расстояний определяется усло­вием равенства этих противодействующих сил.

Равновесное положение атомов при одновременном действии сил притяжения и отталкивания возможно,- если интенсивность изменения этих сил по мере изменения межатомного расстояния различна. Схематично можно считать, что с удалением атомов одного от другого убывают и сила притяжения, и сила отталки­вания, но убывание это происходит с разной интенсивностью. 10

Рис. 1.1

Величина межатомного рас­стояния а (рис. 1.1) соответ­ствует равенству сил притя­жения и отталкивания и, следовательно, минимуму по­тенциальной энергии. Увели­чение межатомного расстоя­ния по сравнению с расстоя­нием, соответствующим поло­жению равновесия, приводит к тому, что сила притяжения Р₂ по абсолютной величине становится больше силы от­талкивания Р_и и, следовательно, для удаления атомов от поло­жения равновесия требуется приложить внешнюю, как бы рас­тягивающую силу. Наоборот, при х <2 а для уравновешивания избыточной силы отталкивания необходимо приложить внешние, как бы сжимающие силы.

Силовое взаимодействие атомов в твердом теле намного слож­нее рассмотренного нами взаимодействия между двумя атомами, так ,как каждый атом окружен атомами, расположенными в трех­мерном пространстве, и находится в силовом взаимодействии не с одним, а со значительным количеством атомов.

В зависимости от степени упорядоченности взаимного распо­ложения атомов различают аморфные твердые тела и кристалли­ческие.

Кристаллическое строение твердого тела характеризуется идентичностью взаимного расположения атомов на расстояниях, значительно превышающих межатомные, или, что то же, характе­ризуется трехмерной повторяемостью одного и того же элемента строения на значительные расстояния (дальний порядок).

Аморфное строение твердого тела характеризуется отсутствием упорядоченного взаимного расположения атомов с дальним по­рядком.

Любая деформация — и упругая, и пластическая — может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. При упругой деформации величина смещения атомов из положений равновесия не превышает расстояния между сосед­ними атомами.

Однако вследствие изменения межатомных расстояний упру­гая деформация вызывает обратимое, изменение объема. Обрати­мое изменение объема составляет, например, при всестороннем сжатии давлением, равным 100 кгс/мм², для стали ~0,6%, для меди —1,3%.

При упругих деформациях смещение атомов из положения равновесия возрастает с увеличением элементарных сил, вызы­вающих это смещение. Для металлов в определенных пределах нагружения обычно существует пропорциональная зависимость

между деформирующими силами (напряжениями) и смещениями атомов из положений равновесия (деформациями), которая со­ответствует условиям упругой деформации и известна как закон Гука. Однако существуют материалы, например резина, для ко­торых в пределах упругих деформаций отсутствует линейная связь между напряжениями и деформациями (нелинейно упругие материалы).

С ростом величины упругих деформаций потенциальная энер­гия твердого тела возрастает. Смещение атомов из положения равновесия является реакцией на действие внешних сил на все твердое тело или его отдельную часть. В любых условиях нагру-жения действие внешних сил на тело уравновешивается противо­действием межатомных сил, стремящихся вернуть атомы в поло­жения, соответствующие минимуму потенциальной энергии.

Однако увеличение потенциальной энергии тела за счет сме­щения атомов из положения равновесия не может происходить безгранично. При достижении определенного предела потенциаль­ной энергии атомы получают возможность смещаться на расстоя­ния большие, чем межатомные расстояния ненагруженного твер­дого тела. В этом случае после снятия внешних усилий атомы не возвращаются в свои исходные положения равновесия, а за­нимают новые положения устойчивого равновесия. Сумма сме­щений атомов в новые положения равновесия создает пластиче­скую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Для того чтобы смещение атомов в новые положения равно­весия не приводило к нарушению сплошности, необходимо, чтобы в процессе такого смещения атомы не удалялись один от другого на расстояния большие, чем размеры зоны активного действия сил взаимного притяжения атомов.

Под нагрузкой атомы всегда смещены из положений равно­весия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформиро­вания общая {полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформи­рующих сил. Это есть так называемый закон наличия упругой деформации при пластическом деформировании.

Так как при снятии деформирующих сил после пластического деформирования атомы стремятся занять положения равновесия (новые) и установить исходные межатомные расстояния, пласти­ческая деформация не может приводить к сколько-нибудь замет­ному изменению объема деформируемого тела.