1.2.2 Загальний напрямок розвитку пластичної деформації

Розвиток пластичної деформації супроводжується переходом від більш низьких до більш високих масштабних рівнів, що свідчить про самоорганізацію. У загальному значенні самоорганізація – це зростання радіуса кореляції, тобто збільшення геометричних розмірів області узгодженої поведінки окремих елементів структури.

Показано, що зміна однієї дислокаційної структури іншою визначається розміром середньої скалярної щільності дислокацій р, що зростаючи, при деформації, задає співвідношення різних типів структур у матеріалі.

При розвитку деформації її просторові флуктуації зростають і досягають товщини зразка. З огляду на хвилеподібний характер пластичної деформації іноді говорять про появу «хвиль пластичності». У ряді випадків такі «хвилі» можна побачити неозброєним оком (шийки, смуги Людерса й смуги деформації), і вони можуть бути причиною різних видів нестійкості пластичної деформації. У міру розвитку деформації спостерігається постійне збільшення її масштабного рівня від мікроскопічного, що відповідає переміщенню окремих дислокацій, а потім дислокаційних ансамблів, до макроскопічного, пов'язаного з рухом трансляційно-ротаційних вихрів [5].

Пластична деформація «протікає як багаторівневий релаксаційний процес», що в ізольованому стані припиняється після досягнення певного «граничного» рівня нерівноважності. Тому деформаційні структури характеризуються наявністю передісторії й тривалої післядії або, інакше кажучи, стабільністю структури в ізольованому стані після припинення енергопотоку, що її формує (після зняття навантаження деформаційна структура тривалий час, в основному, зберігається). Визначеність у збільшенні радіуса кореляції при пластичній деформації, її релаксаційний характер і стабільність структур, що формуються, дозволяють розглядати такий процес як термодинамічну самоорганізацію, рушійною силою якої є прагнення до мінімуму надлишкової енергії, пов'язаної зі структурною неоднорідністю.

Релаксаційні процеси навіть на одному масштабному рівні в одній термодинамічній системі можуть істотно відрізнятися. Найбільша відмінність між «швидкою» й «повільною» релаксацією. З термодинамічної точки зору «швидка» релаксація, що призводить до втрати стійкості пластичної деформації, неможлива без наявності критичного зародка макрофлуктуації деформації – мезоскопічної області локалізації деформації, здатної без специфічної зміни зовнішніх умов до мимовільного росту. Для «повільної» релаксації характерні дифузійні механізми, наприклад, процес злиття вакансій і пор [5].

1.2.3 Нестійкість пластичної деформації та її мікронеоднорідність

Найбільш відомий силовий критерій нестійкості пластичної деформації Консидера для шийки перед руйнуванням записують у вигляді

(1.1) Якщо σ = const·εⁿ, то відповідно до (1.1) втрата стійкості з утворенням шийки перед руйнуванням повинна починатися при ε = n, що як правило не виконується. Основною причиною невиконання критерію Консидера, коли в момент утворення шийки σ<dσ/dε, є деструкція матеріалу, пов'язана з пороутворенням, що призводить до фактичного зменшення площі поперечного перерізу [6].

У критерії Харта для в’язкопластичних матеріалів, що описуються рівнянням σ = const·εⁿ·έ^m, враховується швидкісна чутливість опору деформування й гранична деформація записується як

(1.2)

Але і цей критерій не виконується, оскільки локалізація деформації може починатися значно раніше, ніж це передбачається формулою (1.2). Наприклад, при надпластичності це проявляється у вигляді «шийки, що бігає», що супроводжується преривчастою текучістю, а потім у вигляді стаціонарної шийки, при розвитку якої деформація тривалий час залишається стійкою, тобто відповідає безперервному зростанню деформуючого зусилля.

Пластичну деформацію описують деформаційними кривими, які визначаються для зразка заданих розмірів. Такі криві є траєкторіями в просторовому стані деформуємого матеріалу. Під нестійкістю пластичної деформації варто розуміти нестійкість рівноважної деформаційної кривої. На таких кривих нестійкість проявляється у вигляді певних особливостей (екстремумів і майданчиків), що свідчать про порушення рівномірності (монотонності) розвитку пластичної деформації.

Під нестійкістю (або втратою стійкості) пластичної деформації слід також розуміти таку поведінку деформуємого під навантаженням тіла, що без специфічної зміни зовнішніх умов приводить до порушення рівномірності (монотонності) накопичення пружної енергії. При обмеженні вільного подовження зразка при розтяганні це призводить до часткового або повного (у випадку руйнування) вивільнення запасеної енергії пружної деформації.

При досить високому розрішені деформаційної кривої завжди спостерігається її нерівність: східчастість або зубчатість, що іноді визначають як нестійкість деформації на мікроскопічному рівні. Проте такі «нерівності» пов'язані з дискретністю природної пластичної деформації на макрорівні, й тому їх варто вважати природними флуктуаціями щодо загальної деформаційної кривої. Власне кажучи, кожний з таких мікрострибків – це початкова мікроскопічна флуктуація щодо загальної деформаційної кривої.

Якщо залежно від часу мікрофлуктуації не зростають, деформацію варто вважати стійкою. Проте якщо різко підвищити локальність і знизити час вимірювання, на фоні загального плавного росту температури будуть спостерігатися її постійні стрибки. Саме це і є флуктуація фона, обумовлена природою процесу передачі тепла й будовою нагріваємої речовини.

Якщо із часом мікрофлуктуація деформації підсилюється та виходить на макроскопічний масштабний рівень (тобто губиться стійкість деформаційної структури на мезорівні), може виникнути нестійкість пластичної деформації, що спостерігається на звичайній деформаційній кривій.

Таким чином, деформація є нестійкою, якщо будь-яка її флуктуація з часом мимовільно зростає до розмірів, сумірних з розмірами деформуємого виробу, з токою швидкістю, що розвиток деформації відхиляється від рівноважної траєкторії (рівноважної деформаційної кривої).