1.4. Деформация
В самом общем случае под деформацией понимается такое изменение положение точек тела, при котором меняется взаимные расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить механические силы, электрические, магнитные, гравитационные поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.
В теории деформации твердых тел рассматриваются многие типы деформаций – сдвига, кручения и т.д. Формальное описание их можно отыскать, например, в [2].
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она называется упругой, в противном случае имеет место пластическая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому деформация пропорциональна механическому напряжению. Например, если стержень длиной L с поперечным сечением S растянут продольной силой F,то его удлинение ΔL:
, (1.2)
где Е– модуль упругости (модуль Юнга).
Если рассматривать деформации на атомарном уровне, то упругая деформация характеризуется, прежде всего, практически одинаковым изменением расстояния между всеми атомами кристалла; при пластических деформациях возникают дислокации– линейные дефекты кристаллической решетки. Величина деформации любого вида определяется свойствами деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следовательно, имея данные о деформации, можно судить либо о свойствах тела, либо о воздействиях; в некоторых случаях и о том и о другом, а в некоторых – о степени изменения свойств деформируемого тела при том или ином внешнем воздействии.
В 1975 году зарегистрированазависимость пластической деформации металла от его проводимости[4]. При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластичность металла. Обратный переход понижает пластичность. Дело в том, что макроскопическая пластическая деформация осуществляется перемещением большого количества дислокаций, способность же кристалла оказывать сопротивление пластической деформации определяется их подвижностью.
Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при различных способах механических испытаний. В экспериментах было обнаружено значительное повышение пластичности металла (разупрочнение) при переходе его в сверхпроводящее состояние. Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких десятков процентов. Детальное изучение явления привело к выводу, что "виновником" его следует считать изменение при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдельной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко уменьшаются при сверхпроводящем переходе, который помог выявить роль электронов и позволил оценить электронную силу торможения. Стала очевидна прямая связь механической характеристики металла (пластичности) с чисто электронной характеристикой (проводимостью). Главный вывод проведенных исследований – электроны металлов тормозят дислокациивсегда.
Но если электроны – главная причина торможения дислокаций, то изменение пластичности металла должно происходить не только в сверхпроводящем состоянии. Действительно, магнитное поле в сочетании с низкой температурой способны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость, теплопроводность, упругость, прочность и даже цвет. У материала появляются новые электрические свойства. Превращения происходят практически мгновенно – за 10-11..10-12с.
Открытиеэлектропластического эффектав металлах привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации. Появилась возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением. Например, деформировать вольфрам при температурах не превышающих 200 °С и получить из него прокат с высоким качеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 104… 106А/см2, то величина эффекта будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений. Электропластический эффект линейно зависит от плотности тока (вплоть до 105А/см2), более ярко выражен при импульсном токе, а при переменном токе отсутствует.
Явление разупрочнения металла при сверхпроводящем переходе связано с электропластическим эффектом. Однако если в первом случае в основе лежит уменьшение сопротивления движению и взаимодействию дислокаций при устранении из металла газа свободных электронов, во втором случае причиной облегчения деформации является участие самого электронного газа в пластической деформации металла. Электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дрейф и поэтому ускоряющую движение и взаимодействие дислокаций (или снижающую обычное электронное торможение дислокаций).
Фотопластический эффект. Естественно ожидать изменение пластических свойств и при других воздействиях на электронную структуру образца. Например, воздействие светового излучения на кристаллы полупроводника вызывает в них перераспределение электрических зарядов и, соответственно, изменение пластических свойств. Это явление зарегистрировали советские ученые Осиньян и Савченко [4]. Максимальное изменение сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света происходит при длинных волнах, соответствующих краю собственного поглощения кристаллов. В опытах образцы полупроводников сжимались и растягивались до наступления пластической деформации. Затем образец освещался светом. Вызванное перераспределение носителей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации носителей пластической деформации, тотчас прочность образца увеличивалась почти вдвое. При выключении света прочность уменьшалась и достаточно быстро достигала своего первоначального значения. Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного интересного явления –инфракрасного гашения фотопластического эффекта.
Эффект фотопластичности может быть использован для создания элементов автоматики, новой технологии полупроводников, для разработки качественно новых приемников видимого светового и инфракрасного излучения.
Эффект Пойнтинга.Английским физиком Д.Г. Пойнтингом было установлено, что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки пропорционально квадрату угла закручивания, а при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату угла закручивания. Пойнтингом было доказано, что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля Юнга – это позволяет предполагать, что свойства материала остаются без изменений. Эффект используется в машиностроении и в некоторых областях измерительной техники.
Эффект Александрова.Известно, что при упругом ударе коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к ударяющему зависит от отношения их масс – чем больше это отношение, тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах ударного действия всегда старались учесть это соотношение, по крайней мере, до 1954 года, когда Е.В. Александровым [4] было установлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи растет лишь доопределенного критического значения, определяемого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел. При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх критического передача энергии определяется не реальным соотношением масс, а критическим значением коэффициента передачи энергии. Соответственно, коэффициент восстановления определяется формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энергии. Очевидно, что эффект обязательно должен учитываться при проектировании машин ударного действия.
На основе открытия Александрова создан так называемый механический полупроводник, в котором передача энергии практически осуществляется только в одном направлении, независимо от жесткости опоры. Так же на этой основе создан новый отбойный молоток, который обладает меньшим весом и обеспечивает большую производительность.
Сплавы с памятью. Некоторые сплавы металлов (титан-никель, золото-кадмий, медь-алюминий) обладаютэффектом памяти. Если из такого сплава изготовить деталь сложной формы, а затем ее деформировать, то после нагрева до определенной температуры деталь восстанавливает в точности свою первоначальную форму.
Наиболее уникальны по свойствам сплавы из титана и никеля (ТН или нитинол). ТН сплавы развивают большие усилия при восстановлении своей формы, легко обрабатываются, экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации. Из нитинола, например, делают антенны для спутников. В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места. В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает сложнейшие формы, приданные ей еще на Земле.
Сплавы "с памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую. Перспективы их использования самые заманчивые – тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое.