Теория определяющих соотношений. Часть 2. Теория пластичности

фазовых переходов повышение температуры ведет к снижению напряжения сопротивления пластической деформации. Следует отметить, что влияние скорости и температуры деформирования на поведение материалов в реальных процессах гораздо сложнее, чем указано выше. Например, при выдержке поликристаллов после предварительной пластической деформации при повышенных температурах (0.1-0.2 Тг, Тг – так называемая гомологическая температура, равная отношению температуры процесса к температуре плавления материала в градусах Кельвина) приводит к существенному повышению напряжения течения при последующем пластическом деформировании. Данное явление носит название деформационного старения и обусловлено «закреплением» дислокаций диффундирующими к ним атомами «примесей». Основываясь на физике твердого тела, можно констатировать, что все процессы деформирования, в которых велика роль диффузионных процессов (диффузия точечных дефектов, неконсервативное движение («переползание») дислокаций и др.), чувствительны к скорости деформации и температуре.

Вкачестве одного из примеров подобного влияния может служить хорошо известный эффект Портвена–Ле Шателье, заключающийся в следующем. При низких скоростях де-

формирования и повышенной температуре при «жестком» (кинематическом) нагружении на диаграмме σ - ε наблюдаются «зубчики», пилообразная форма диаграммы; при «мягком» (силовом) нагружении диаграмма становится ступенчатой. Следует отметить, что первоначально открытие данного эффекта принадлежит Ф. Савару (1837) и А. Массону (1841) [2], однако работам этих исследователей не было уделено должного внимания, и позднее (1923) эффект был «переоткрыт» А. Портвеном и Ф. Ле Шателье [78], чьими именами он и называется в большинстве современных работ. Справедливости ради отметим, что в отличие от Савара и Массона Портвен и Ле Шателье изначально ставили своей целью изучение именно прерывистой пластичности. Для решения этой задачи они использовали образцы из сплавов (алюминий+4.5% меди) и (алюминий+4.5% меди+0.5% магния);

испытания проводились в машине кинематического типа (жесткое нагружение) при скоростях деформации 0.08 мин-1.

Данный эффект изучался многими исследователями (К.Элам, Т.Сутоки, Э.А.МакРейнольдс, О.В.Диллон, У.Н.Шарп и другие). В экспериментальных исследованиях была установлена зависимость амплитуды зубцов от уровня температуры и температурной предыстории (Сутоки), влияние на эффект Портвена–Ле Шателье чистоты металлов, волнообразный характер перемещения по образцу ступеньки деформации (МакРейнольдс). В настоящее время существует несколько объяснений эффекта Портвена–Ле Шателье. Одно из первых было высказано А.Г.Коттреллом (1953), который объяснял эффект диффузией примесных атомов к дислокациям и их «закрепление» за счет взаимодействия с атомами примеси. Б.М.Лемприер (1962) объяснял эффект нестабильностью скорости деформирования для некоторых материалов и колебаниями испытательной машины. Э.Р.Фитцджеральд (1966) выдвинул гипотезу волнового характера материальных частиц.

Внастоящее время ни одна из этих гипотез не является превалирующей и доказанной экспериментально, в силу чего отсутствуют и модели, адекватно описывающие данный эффект.

Можно высказать предположение, что эффект Портвена–Ле Шателье является макроскопическим проявлением, вообще говоря, неустойчивости неупругого деформирования по различным механизмам на микро- и мезоуровнях, возникающих в разных диапазонах воздействий. Это могут быть и отрывы дислокаций от атмосфер Коттрелла, и зернограничные сдвиги, и возникновение мезополос и кооперативных полос сдвига, и перестройки дислокационных субструктур. Каждое из этих явлений имеет подтверждение и в экспериментальных исследованиях на мезо- и микроуровнях, и при моделировании с использованием моделей различных масштабных уровней.

100

Рис. 2.3. Диаграммы одноосного «жесткого» и «мягкого» нагружений

Вероятно, к подобного рода эффектам следует отнести и открытое Р.Г.Тарстоном в 1873 году повышение предела текучести после предварительной пластической деформации и выдержки в деформированном состоянии в течение 24 часов при комнатной температуре. При этом отмечено, что разгрузка образца и немедленное последующее деформирование не приводили к изменению предела текучести. Подобные эксперименты проводились в 1877 году И.Баушингером, который изучал влияние на значение предела текучести продолжительности паузы между разгрузкой и повторным нагружением или продолжительности выдержки при неизменном напряжении.

Весьма интересный эффект был обнаружен в начале ХХ века Дж.Г. Пойнтингом [79, 80]. В опытах на кручение проволоки им было обнаружено появление сжимающих продольных напряжений при фиксированных торцах образца или появление продольных удлинений (пропорциональных квадрату угла закручивания) при свободных торцах. Аналогичные опыты были осуществлены на более совершенном экспериментальном оборудовании Х.У. Свифтом, результаты которых были опубликованы в 1947 году [82]. В литературе данный эффект часто называют эффектом Пойнтинга–Свифта. В последние десятилетия эффект Пойнтинга–Свифта часто используется в теории пластичности больших деформаций для качественной верификации ОС [57].

Как видно из этого очень краткого экскурса в эксперименты по неупругому деформированию, даже при одноосных испытаниях сплошных образцов материалы обнаруживают чрезвычайно богатый спектр поведения. Заметим, что указанные выше эффекты до настоящего времени не получили удовлетворительного описания.

Еще большее разнообразие поведения материалов, подвергаемых неупругому деформированию, проявляется при многоосном нагружении (деформировании). Для экспериментальных исследований в этом случае обычно используются тонкостенные трубчатые образцы, нагружаемые продольным усилием Р, внутренним давлением р и крутящим моментом М (рис. 2.4), в так называемых Р-р-М опытах. Достаточно детальный обзор и анализ экспериментальных исследований по сложному нагружению за период 1926–46 г.г. содержится в монографии А.А. Ильюшина [19].

Следует отметить, что переход от одноосных испытаний к многоосным порождает вопрос о том, что следует считать за момент начала пластического деформирования при произвольном нагружении. Возникает парадокс, отмеченный, в частности, Ю.Н. Работновым [59]: с одной стороны, ответить на этот вопрос можно, только задавшись определенной теорией пластичности (связью напряжений и деформаций), с другой стороны, главной целью макроэкспериментов и является установление этих связей. Выход из этой, казалось

101

бы, тупиковой, ситуации невозможен без принятия дополнительных гипотез. В качестве таковой в теории пластичности широко используется гипотеза единой кривой, согласно которой считается, что диаграмма напряжения–деформации остается такой же, как при одноосных испытаниях, но одноосные напряжение и деформация заменяются соответствующими интенсивностями напряжений и деформаций. Приемлемость данной гипотезы должна проверяться для каждого класса материалов и каждого класса нагружений, о чем будет говориться ниже.

Вероятно, одним из первых исследователей, обратившихся к неодноосным испытаниям, был В. Лоде, представивший в 1926 году в своей докторской диссертации, защищенной в Гёттингенском университете, результаты экспериментов по нагружению полых трубок растяжением, растяжением с внутренним давлением и растяжением с кручением. Для характеристики «сложности» напряженно-деформированного состояния им были введены параметры

венно. Параметры μσ , με в литературе называются параметрами Лоде или Надаи–Лоде,

они характеризуют вид соответственно напряженного и деформированного состояния. Так, например, состоянию одноосного растяжения (сжатия) соответствуют μσ 1 (μσ 1) , чистому сдвигу – μσ 0 .

Для представления результатов испытаний при многоосном нагружении строятся либо образы процесса нагружения в совмещенных пространствах напряжений и деформации (подробнее об этом будет говориться в гл.5), либо эволюционирующие поверхности текучести в пространстве напряжений или деформаций. Кратко остановимся на экспериментах по установлению формы, размеров, положения поверхности текучести и ее эволюции, поскольку понятие поверхности текучести является основополагающим в широком классе моделей материалов, объединенных в теорию пластического течения.

Здесь будет рассматриваться только поверхность текучести в пространстве напряжений. Известно, что поверхность текучести отделяет область упругого деформирования от области неупругого (пластического) деформирования. Экспериментально эта поверхность строится как поверхность равных (по интенсивности) пластических деформаций по некоторому допуску на последние, который составляет от 4 10-3 до 10-5. В обзоре [10] подробно обсуждаются различные аспекты эмпирического построения поверхности текучести, поэтому здесь остановимся только на некоторых общих закономерностях эволюции указанных поверхностей, экспериментально установленных для весьма широкого круга материалов.

102

Рис. 2.4. Схема опытов на трубчатых образцах (сложное нагружение)

К таковым относятся увеличение размеров поверхности текучести, ее «заострение» (появление так называемого «носика») на фронтальной части и уплощение (уменьшение кривизны) в тыльной части (рис. 2.5); при этом чем меньше берется допуск на пластическую деформацию, тем более ярко выраженными являются указанные эффекты. Отмечается также существенное влияние на эволюцию поверхности текучести временных эффектов (скорости деформации, задержек деформирования на его различных стадиях и т.д.). Весьма заметное влияние на размеры поверхности текучести оказывает температура испытаний (см. рис. 2.5). Описание этих особенностей эволюции поверхности текучести требует включения в уравнения поверхности значительного числа материальных функций и констант, что создает огромные трудности идентификации подобных моделей. Вероятно, это является основной причиной применения в практике моделирования технологических процессов пластического деформирования металлов достаточно простых законов, описывающих эволюцию поверхности текучести (так называемые законы изотропного, кинематического и комбинированного упрочнения).

Результаты опытов на сложное нагружение существенным образом повлияли на дальнейшее развитие теории пластичности, в первую очередь – в связи со ставшим очевидным фактом зависимости отклика материала в текущий момент времени от предыстории воздействия на него. Представляется весьма интересным высказывание в связи с этим феноменом твердых тел выдающегося экспериментатора Дж.Ф. Белла [2]: «Большое число лиц, желающих сочетать потребности технологии с вкладом в науку – механику твердого тела, бесплодно выполняли как квазистатические, так и динамические эксперименты при большой деформации с этими сложными, полными тайн телами, пытаясь решить элементарные вопросы. Результаты таких усилий заполняли литературу в течение века. Эти лица молчаливо исходили из того, что эффекты памяти, будь то механическая, термическая или химическая, не являются важными для определяющих уравнений, когда рассматривалась пластичность и конечная деформация. В действительности же, однако, вытягивание, прессование, прокатка, термическая и механическая обработка, изменение тем или иным образом химического состава, предшествовавшие испытанию, создают скрытые различия». Огромный прогресс в развитии теории пластичности металлов и сплавов связан с исследованиями неупругого деформирования монокристаллов. Впервые монокристаллы размеров, пригодных для проведения макроиспытаний, были получены Г. Карпентером и К. Элам в 1921 году путем деформации и последующего отжига–рекристаллизации металлических заготовок. Двумя годами позднее П.У.Бриджменом была реализована предложенная им технология «выращивания» монокристаллов путем медленного вытягивания заготовки из расплава. На основе результатов проведенных экспериментов в 1923 году

103

Д.И.Тейлор и К.Элам, а в 1927 году – Ф.В.Гёлер и Г.О.Закс, – выдвинули предположение, что неупругое деформирование кристаллических материалов реализуется путем скольжения по параллельным кристаллографическим плоскостям.

Эти результаты инициировали огромное число исследований в последующие 10–15 лет, приведшие в конечном счете к одному из самых замечательных открытий в физике и механике неупругого деформирования – открытию дислокаций. Подробнее об этих и других дефектах кристаллических материалов будет говориться в следующем разделе. Отметим, что открытие дислокаций в теории пластичности представляется не менее важным событием, чем закон Гука – в теории упругости, на многие годы (включая настоящее время) предопределившим направления развития механики деформируемого твердого тела.

Рис.2.5. Эволюция поверхностей текучести (двумерный случай) при различных температурах в опытах на растяжение – кручение отожженого алюминия (опыты Филлипса и Тана, цитируется по [2])

В настоящем курсе детально не рассматриваются реологические теории неупругого деформирования, в которых существенным аргументом является физическое время. Однако представляется целесообразным привести хотя бы краткую историческую справку о реологических моделях, в основе которых также лежат макроэксперименты. Впервые явление продолжающихся неупругих деформаций при неизменной нагрузке на образцах различной формы из меди, железа и свинца наблюдал еще в 1825 году К.–Л.–М.–А. Навье, однако он не произвел количественных оценок указанного явления. В связи с этим приоритет открытия указанного явления, названного «ползучестью», отдан Л.Ж. Вика, опубликовавшему в 1834 году результаты выполненной им серии экспериментов (заметим, что эксперименты по ползучести металлов при комнатных температурах требуют весьма дли-

104

тельного времени; например, один из опытов проводился Вика на протяжении 33 месяцев).

В последние десятилетия большое внимание уделяется экспериментам на сложное нагружение, осуществляемым на машинах сложного нагружения (СН) с полной автоматизацией по заданным траекториям деформирования (нагружения), в частности – на сложное (несинфазное) циклическое нагружение. Было проведено огромное количество экспериментальных исследований по траекториям в виде двухзвенных и многозвенных ломаных, по траекториям, состоящим из участков кривых постоянной кривизны и т.д. Детальные обзоры по результатам экспериментальных исследований сложного нагружения твердых тел приведены в работах [8, 9]. Чрезвычайно богатый материал о результатах собственных экспериментальных исследований поведения сплавов при сложном нагружении содержится в монографиях [1, 12]. Следует отметить, что до настоящего времени эксперименты на сложное нагружение ограничены трехмерными опытами (в пространствах напряжений или деформаций). Кроме того, практически отсутствуют опыты на сложное нагружение трубчатых образцов при больших деформациях, что связано с нерешенной проблемой устойчивости тонкостенных образцов (особенно – при скручивании). Появление же неоднородости напряженно–деформированного состояния вследствие неустойчивости делает невозможным расчет напряжений и деформаций по измеряемым усилиям и геометрическим параметрам.

Уже в опытах на двухзвенных траекториях деформации были обнаружены такие эффекты, как «нырок» (резкое уменьшение) интенсивности напряжений непосредственно за точкой излома, «запаздывание» векторных свойств (после точки излома девиатор напряжений несоосен девиатору скоростей деформаций, соосность восстанавливается после деформирования по второму участку ломаной после определенной величины пластической деформации). Интересными являются результаты опытов на циклическое деформирование. Оказалось, что для некоторых классов материалов переход от «лучевого» (синфазного) циклического деформирования к несинфазному (сложному, по траекториям в виде квадратов, окружностей, «звездочек» и т.д.) при неизменной амплитуде интенсивности деформаций приводит к существенному повышению (до 80%) амплитуды интенсивности напряжений (и, соответственно, сопротивлению деформации). Поскольку большинство деталей и конструкций в рабочих режимах не должно выходить из области упругого деформирования, данный эффект имеет огромное практическое применение. По существу, только за счет сложного циклического деформирования на финишных стадиях изготовления деталей (например, сочетания несинфазного скручивания и растяжения) можно повысить допустимые напряжения на десятки процентов!

Кчислу других важных явлений, которые в соответствии с запросами практики должны описываться конститутивными моделями, относятся изменение микроструктуры материалов (размеров и формы зерен поликристаллов, дислокационной структуры), формирование преимущественной ориентации кристаллических решеток зерен (текстуры), возникновение таких специфичных режимов деформирования, как сверхпластичность (включая режим перехода в состояние сверхпластичности и выхода из него), имеющих место при глубоких пластических деформациях.

Ксожалению, в ранних экспериментальных исследованиях практически не уделялось внимания микроструктуре, анализу химического состава, что не позволяет в полной мере использовать чрезвычайно богатый арсенал накопленного фактического материала для построения современных теорий неупругости. Тем не менее, качественные эффекты, выявленные в ходе этих экспериментов, как представляется, еще долгое время будут служить побуждающим фактором для механиков и физиков в работе над конститутивными моделями материалов.

Часть из отмеченных эффектов удалось достаточно точно описать в рамках различных частных теорий пластичности, однако создание теорий, которые описывали бы все или

105

хотя бы большую часть известных эффектов в рамках одной модели – задача до настоящего времени нерешенная. Как представляется, удовлетворительное решение этой крупной проблемы невозможно без тщательного анализа физических механизмов неупругого деформирования, определяющих эти и другие эффекты, без построения конститутивных моделей, основанных на физике твердого тела и физическом материаловедении.

Вопросы для самопроверки

1.Каким целям служат макроскопические механические испытания?

2.Какие испытания называются «жесткими», а какие – «мягкими»?

3.Восстановите по памяти типичные кривые одноосного нагружения металлических образцов при разных скоростях деформации.

4.Как влияет на диаграммы одноосного нагружения повышение температуры испытаний?

5.При каких деформациях наблюдается отклонение диаграммы деформирования от линейной (определяемой законом Гука)? Чем обусловлено это отклонение?

6.Дайте определения пределу пропорциональности, пределу текучести и сопротивлению деформации.

7.Какие основные выводы сделал Треска из своих многочисленных экспериментов?

8.Как влияет на температуру теплоизолированного образца пластическая деформация?

9.Дайте возможные объяснения экспериментально установленного факта появления в пластически деформированном образце «запасаемой» энергии.

10.В чем суть эффекта Баушингера? Какими физическими механизмами его можно объяснить?

11.Дайте определение эффекта деформационного старения и объясните его с позиций ФТТ.

12.Опишите эффект Портвена–Ле Шателье (Савара–Массона), особенности его проявления при «мягком» и «жестком» нагружениях, приведите его возможные объяснения с позиций ФТТ.

13.В чем состоит эффект Пойнтинга–Свифта?

14.Каким образом осуществляются эксперименты на сложное нагружение?

15.Опишите основные эффекты сложного нагружения, попытайтесь дать им обоснование с позиций ФТТ.

106

Следует отметить, что мы не можем установить что-либо существенное в механическом поведении материала без введения микроструктуры, и что определяющие соотношения есть не что иное, как выражение кинетики эволюции введенной внутренней структуры.

Х. Кит

3. Краткие сведения из физики твердого тела

иматериаловедения

Вконце 40-х годов ХХ века разгорелась серьезная дискуссия о путях развития теории пластичности, достаточно полное представление о которой можно получить из [20]. Одну из двух сторон представляли физические материаловеды, вторую – механики. Первые обвиняли вторых в незнании и нежелании знать и учитывать физические механизмы пластического деформирования, излишнем увлечении математикой, формализме. Вторые отвечали, что знания физиков–материаловедов о природе пластической деформации носят в значительной мере описательный характер, не дают возможности получения количественных зависимостей, а следовательно – не позволяют решать реальные, практически важные задачи. При этом отмечалось, что механики никогда не отрицали ценность результатов, полученных физиками и материаловедами, речь шла только о невозможности в то время непосредственно использовать эти результаты в конструкторских и технологических расчетах. Авторы настоящего пособия склонны видеть аргументы механиков более убедительными.

За прошедшие с того времени более 50 лет ситуация, конечно, изменилась. Предпринимались и предпринимаются многочисленные попытки совместных действий физиков, материаловедов и механиков. Возникла пограничная область знаний – физическая мезомеханика (В.Е. Панин). Все более широкое распространение в теории пластичности приобретают так называемые физические теории, основанные на явном введении в модели материалов физических механизмов неупругого деформирования. Однако эти изменения нельзя назвать кардинальными. Как поется в известной песне В. Высоцкого: «…Мы снова говорим на разных языках». И это совсем не преувеличение, профессиональный язык физиков, материаловедов существенно отличается от языка механиков. Как и в случае изучения и владения иностранными языками, необходимо изучать профессиональные языки смежных областей знаний уже на стадии становления специалистов, на студенческой «скамье». Данная глава, в частности, направлена и на (хотя бы начальное) изучение механиками терминов и понятий, широко используемых в физике и материаловедении.

Вчем же причины столь медленного продвижения в решении проблемы создания физических моделей описания поведения материалов, давно осознанной и физиками, и механиками? Одна из них видится в следующем. Как правило, понимание необходимости объединения усилий в разработке совместных моделей на стыке физики и механики приходит после многих лет работы в соответствующих областях, уже у сложившихся исследователей, с устоявшейся методологией, терминологией. Переучиваться же, как известно, всегда трудней, чем учиться. Именно поэтому авторы сочли целесообразным привести в данном пособии по теории пластичности, ориентированном в первую очередь на будущих механиков, необходимые данные по физике твердого тела (ФТТ) и физическому материаловедению. С самого начала подготовки механиков-«твердотельщиков» нужно формировать полидисциплинарное и «многомасштабное» мышление. Возможно, подобным образом надо модифицировать и подготовку физиков-материаловедов.

107

Конечно, в программу подготовки механиков входит и курс физики, включающий некоторые разделы физики твердого тела. Однако курсы механических дисциплин и физики чаще всего во с- принимаются студентами как совершенно раз личные дисциплины (что, впрочем, относится и ко многим другим курсам), читаемые преподавателями – специалистами в существенно отличающихся областях знаний, зачастую не умеющими «перекинуть мостики» между ними; причем в физике весьма незначительное внимание уделяется вопросам построения моделей неупругого деформиров а- ния и разрушения тел. Думается, от включения элементов МДТТ в курс ФТТ и наоборот в выигрыше останутся обе дисциплины; н а- чинать, как представляется, надо всегда с себя.

Другой возможной причиной является различие целей и задач физиков и механиков. Физиков в большей степени интересуют качественные эффекты, количественные модели в основном используются ими для рассмотрения объектов на атомарном и микроскопическом уровнях. От механиков же требуется получение количественных и достаточно точных (с погрешностью от долей процентов до 10–15%) результатов расчетов поведения конструкций и деталей на макроскопическом уровне. При этом такого рода расчеты требуется проводить постоянно, в весьма сжатые сроки (особенно если это связано со специальной техникой), не дожидаясь, пока методы и подходы ФТТ позволят получать результаты для реальных конструкций и процессов с приемлемой точностью. В связи с этим для постановки

ирешения таких практически архиважных задач механики вынуждены использовать хорошо зарекомендовавший себя макрофеноменологический подход к установлению ОС. Однако данный подход, основанный на макроэкспериментах, применим только к уже существующим материалам со стабильными характеристиками. В настоящее время остро стоит задача «проектирования» материалов «под конструкцию», так называемых «функциональных материалов». Иначе говоря, процессы проектирования конструкций и материалов для них становятся неразделимыми. В этом случае макрофеноменологический подход к построению конститутивных моделей, являющихся необходимыми для проектирования конструкций (оптимальных в том или ином смысле), становится неприменимым, задача неразрешима без использования физических моделей. Таким образом, перед материаловедами и механиками стоит общая задача построения моделей поведения материалов и конструкций из них, основанных на глубоком знании и физики, и механики материалов. Задача эта комплексная, поодиночке её не решить ни физикам, ни механикам. И чем скорее это будет осознано всем сообществом физиков и механиков – тем эффективнее будет работа и тех, и других.

Предметом теории пластичности является главным образом анализ и описание поведения моно- и поликристаллических материалов. Особое внимание при этом уделяется металлам

исплавам, составляющим подавляющую часть (свыше 75%) известных в природе материалов, являющихся основным конструкционным материалом практически для всех областей промышленности. Монокристаллические материалы имеют приблизительно идеальную кристаллическую решетку одного из семи классов во всем объеме исследуемого тела. Следует отметить, что в технике и промышленности практически отсутствуют идеально монокристаллические тела, хотя в настоящее время существуют технологии изготовления монокристаллических деталей (например, «выращивание» монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей из расплава), обладающих уникальными свойствами. Поликри-

сталлы представляют собой совокупность в общем случае произвольно ориентированных кристаллов (с размерами 10–3 –10–7м), разделенных границами и образующих зерна, субзерна, фрагменты, ячейки.

108

Основные понятия

Остановимся на некоторых понятиях, широко используемых в физике твердого тела (ФТТ), физическом материаловедении, физике прочности и пластичности, и которые – хочется надеяться – в ближайшем будущем будут также широко применяться механиками. Под фазой понимаются составные части исследуемого материала, которые для принятой степени детальности (точности) рассмотрения могут считаться однородными, т.е. имеющими одно и то же агрегатное состояние, пренебрежимо мало отличающийся состав, свойства, кристаллическую решетку. С точки зрения механики фазы – части материала, описываемые одинаковыми определяющими соотношениями (ОС). Изменение фазового состояния (фазовый переход) ведет, как правило, к резкому изменению определяющих соотношений. Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют ОС, с достаточной точностью описывающие поведение материала в процессе фазовых переходов. Как представляется, потребность в таких ОС весьма велика, например для анализа формирования полей остаточных напряжений в процессах кристаллизации, сварки, термомеханической обработки.

Фазы отделены друг от друга границами – областями с одним характерным размером (толщиной), существенно меньшим двух других. Следует отметить, что в некоторых процессах деформирования, где весьма существенна роль границ (например, при сверхпластичности), последние сами могут рассматриваться как отдельные фазы. Чрезвычайно важной является роль границ при рассмотрении различных способов обработки поликристаллических материалов [35].

Системой называется совокупность разнородных областей материала (фаз), находящихся в (термомеханическом) равновесии. Под структурой понимается взаиморасположение, форма, размеры и взаимоориентация фаз материала, а также тип и размеры границ между ними. Структуру материала анализируют, как правило, на шлифованных поверхностях. При этом различают макроструктуру, видимую невооруженным глазом, и микроструктуру, исследуемую с помощью оптических микроскопов с большим увеличением или электронных микроскопов. Для изучения макроструктуры в некоторых случаях используются поверхности излома образца. При анализе структуры на шлифах изготавливаются специальные макрошлифы (темплеты) или микрошлифы, поверхность которых получают с помощью шлифовки, полировки и последующего травления с применением специальных химических реактивов. Следует подчеркнуть важность понятия структуры для механики, ибо именно микроструктура в конечном счете определяет поведение материала (в том числе – на макроуровне) и конструкций из него на любой стадии их «жизни».

Абстрагируемся от реальной структуры кристаллов, которой присуще большое число дефектов, и рассмотрим идеальные кристаллы для понимания в первом приближении строения последних и взаимодействий между составляющими кристалл частицами – атомами, ионами. Несмотря на то, что в классической МСС на уровне межатомных взаимодействий рассмотрение обычно не ведется, знание строения материи на этом уровне необходимо, поскольку позволяет с физических позиций осмысливать законы МСС, в первую очередь – ОС. Кроме того, в последние 15–20 лет механики интенсивно используют методы молекулярной (атомарной) динамики, особенно в связи с развитием нанотехнологий. Различают следующие виды связей [51, 58]:

Ионная (или гетерополярная) реализуется при передаче атомами одного сорта электронов со слабо заполненной внешней оболочкой к атомам второго сорта, имеющим почти заполненную внешнюю оболочку, благодаря чему атомы первого сорта из электрически нейтральных становятся положительно заряженными ионами, атомы же второго сорта – отрицательно заряженными ионами; таким образом, связь осуществляется кулоновскими силами.

109