3. Пластическая деформация

3.1. Пластическое течение

Течение вещества является одной из форм движения мате­рии. Любое вещество можно рассматривать как систему кине­тических единиц. Кинетическими единицами могут быть атомы, молекулы, мицеллы, макромолекулы и их отдельные звенья. Если кинетические единицы тела занимают места устойчи­вого равновесия, отвечающие минимуму потенциальной энер­гии системы, то такое состояние кинетических единиц яв­ляется признаком механически ненапряженного (свободного) тела. Тепловое движение кинетических единиц при описании их механического состояния условно во внимание не принимается. Если кинетические единицы оставляют места устойчивого рав­новесия в результате какого-либо механического воздействия, то они тем самым переходят в активизированное состояние, ко­торое служит признаком напряженного тела. Может быть, явно напряженное тело, и скрыто напря­женное тело. Первым является тело, кинетические едини­цы которого возвращаются к местам их устойчивого равновесия, когда прекращается действие внешнего нагружения. Если активизированное состояние кинетических единиц возникает под действием внутренних взаимноуравновешивающихся сил, то такое тело является, скрыто напряженным ввиду отсутствия внешних (явных) признаков его нагружения.

В нагруженном или явно напряженном теле также следует различать два механических состояния кинетических единиц, зависящих от степени их активизации. Первое характеризует­ся такой степенью активизации кинетических единиц, при кото­рой последние только отклоняются от мест устойчивого равно­весия, но не преодолевают потенциальных барьеров. Внешним проявлением подобного состояния является упругая деформа­ция тела. Второе состояние характеризуется такой степенью ак­тивизации кинетических единиц, при которой последние, преодо­левая потенциальные барьеры, перемещаются из одних мест устойчивого равновесия в другие, причем это перемещение зависит от направления сил, приводящих кинетические единицы в активизированное состояние. Внешним проявлением направленного перемещения кинетических единиц является течение тела, потому напряженное тело, находящееся в этом состоянии, можно назвать текущим телом. Перемещение представляет необратимый процесс и имеет многообразные формы и отличительные особенности, зависящие от природы тел.

Если тело в результате механического воздействия необратимо изменяет форму и размеры и после прекращения этого воздействия в течение продолжительного времени сохраняет полученную форму и размеры, то такой вид течения вещества можно назвать твердым течением или пластической деформацией. Термины «твердое течение» и «пластическая дефор­мация», сокращенно «течение» и «деформация», в данном случае принимаются как равнозначные.

Твердое течение в свою очередь можно разделить на пластическое течение и вязкое течение. Для первого характерно упорядоченное перемещение его кинетических единиц, для второго—упорядоченное перемещение этих единиц. Таким образом, пластическая деформация является одним из видов течения вещества, которые характерен для твердых тел и высоковязких жидкостей. Например, некоторые естественные смолы, имеющие вяз-ость 10⁸—10⁹ пз, при 20 ° месяцами не изменяют заметно разме­ты и форму, которые они получили при механическом воздей­ствии при 20 °, хотя, в конечном счете, полученные пластической деформацией образцы теряют свою форму в результате медлен­ного течения смолы под действием собственного веса. Есть син­тетические смолы, имеющие примерно такую же вязкость, как указанные естественные смолы, в которых под действием давле­ния, вызвавшего пластическую деформацию, происходят химические реакции, ведущие к значительному отвердеванию тела. В результате полученные размеры и форма не изменяют­ся даже через несколько лет.

В то же время, относительно небольшие объемы некоторых металлических сплавов, находясь при температуре, несколько меньшей температуры их плавления, текут под влиянием собственного веса.

При изучении процесса течения полезно увеличить число признаков, устанавливающих грань между твердым телом и высоковязкой жидкостью. Обычно признаками разделения тел на твердые и жидкие служит наличие или отсутствие определенной температуры плавления и упорядоченность структуры. Различают упорядоченность ближнего и дальнего порядка. В жидкостях и телах аморфной модификации в пределах каждой элементарной ячейки, построенной также как в кристалле, часто соблюдается ближний порядок. Отличительным признаком твердого тела является упорядоченность дальнего порядка, характерная для кристаллов. Однако существуют и жидкие кристаллы. Возможно, что в области температур, несколько меньших температуры плавления, в металлическом веществе наблюдается скорее ближний, чем дальний порядок, т. е. вещество, не будучи еще расплавлено, приобретает уже некоторые особенности жидкого состояния. Сами термины «жидкое тело» и «твердое тело» говорят уже о различии реологического поведе­ния этих тел. Поэтому при разделении тел на твердые и жид­кие, кроме указанных признаков, полезно руководствоваться также реологическими признаками, к числу которых можно отнести следующие.

Рис. 3.1. Схематическое изображение строения

кристаллического (слева) и аморфного (справа) кварца

1.Тело является жидким, если оно под действием собственного веса принимает форму вмещающего его сосуда. Для высоковязких жидкостей промежуток времени, необходимый, для того чтобы принять форму, может быть весьма значительным. Время, необходимое для принятия формы, характеризует текучесть жидкости. Твердое тело, текущее под влиянием собственного веса, никогда не примет форму вмещающего его сосуда.

2.Тело является жидким, если при стремлении скорости течения тела к нулю предел текучести его при любой степени деформации также стремится к нулю. Если это условие не соблюдается, тело является твердым (с точки зрения учения о пластической деформации вещества).

Термин «механическое состояние тела» следует отличать от терминов «механическое состояние малого элемента сплошной среды» и «механическое состояние элемента тела». Под механическим состоянием малого элемента сплошной среды понимают его напряженное, деформированное и скоростное состояния, которые описываются соответствующими тензорами и принимаются одинаковыми для всех точек малого элемента.

В пределе малый элемент превращается в точку.

Под механическим состоянием элемента тела понимается совокупность механических состояний всех его малых элементов. Механическое состояние элемента тела описывается полями соответствующих тензоров.

Пластическое течение охватывает весь или часть объема нагружаемого тела. Объем, в котором происходит пластическое течение, называется очагом течения (деформации). В зависимости от условий нагружения напряженные, деформированные и скоростные состояния различным образам распределяются в очаге течения, который в соответствии с их распределением принимает ту или иную форму. Определить механические состояния очага течения — одна из важнейших задач учения о пластичности.