Глава 2 пластическая деформация и огнестойкость металлов
Сопротивление развитию пластической деформации, которое оказывает несущая металлическая конструкция нагружающему напряжению, определяет ее огнестойкость [20]. При возникновении и усилении пожара, сопровождающегося повышением температуры, это сопротивление, как правило, снижается из-за разнообразных процессов уменьшения запасенной энергии структуры металла. Когда сопротивление развитию пластической деформации и определяемое им критическое напряжение станет меньшим приложенного напряжения, начинается пластическое течение и, в итоге, разрушение несущей конструкции и самого сооружения [23]. С точки зрения прочности именно это вкладывается в понятие предела огнестойкости, который является важнейшей характеристикой пожарной безопасности [21,22].
Сказанного достаточно, чтобы понять насколько важную роль играет пластическая деформация и деформационное упрочнение в формировании предела огнестойкости. Поэтому детальное рассмотрение процессов пластической деформации и деформационного упрочнения позволит понять физическую природу огнестойкости. Особенное внимание уделяется тем физическим механизмам, которые могут привести к повышению предела огнестойкости металлов, а, следовательно, несущей металлической конструкции сооружения.
2.1. Пластическая деформация нмк, ее виды
Пластическая деформация — это деформация, которая остается после снятия нагрузки. По степени пластической деформации непосредственно перед разрушением судят о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает «хрупкий» материал. Пластичность, т. е. способность выдерживать большие остаточные деформации без разрушения, в сочетании с высокой прочностью делает металлы незаменимыми конструкционными материалами [21]. Наиболее высокой прочностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по сравнению с другими металлами [24,26].
О переходе от упругого деформирования к пластическому свидетельствует не только появление остаточной деформации, но и уменьшение угла наклона зависимости напряжение—деформация. На рис. 2.І показана такая деформационная характеристика.
Р
ис.
2.1. Диаграмма деформации
Точка М отвечает
началу пластической деформации.
Напряжение перед разрушением снижается,
так как образуется локальное сужение
(«шейка»). ON'
— относительная деформация, соответствующая
резерву пластичности. Угол наклона на
участке ОМ является постоянным, а тангенс
этого угла равен модулю упругости.
Физический смысл модуля упругости легко
понять из закона Гука:
.
Если принять l
= l,
то
= Е.
Таким образом, модуль упругости численно
равен растягивающему напряжению, под
действием которого образец удлиняется
вдвое. При сдвиговой деформации в законе
Гука коэффициент пропорциональности
— это модуль сдвига G,
а при всестороннем сжатии или растяжении
— объемный модуль К. Связь между модулем
одноосного растяжения или сжатия Е,
модулем сдвига G
и объемным модулем К простая:
;
.
(2.1)
Здесь - коэффициент Пуассона, характеризующий отношение относительного сужения образца к относительному удлинению:
= (d/d)
/
l/l
(d
– диаметр образца).
Пластическая деформация кристаллов может происходить двумя основными путями: скольжением и двойникованием.
При этом сдвиги могут происходить только в определенных плоскостях (плоскостях скольжения) и направлениях. Совокупность плоскости скольжения и направления скольжения образуют систему скольжения. Отдельные части кристалла, смещаясь вдоль плоскостей скольжения, остаются недеформированными. Такое скольжение напоминает смещение колоды карт [27,28].
В металлах с различной решеткой существует разное число систем скольжения. Металлы с решеткой ГЦК, например, имеют 12 систем скольжения, так как у них есть четыре плоскости скольжения и каждой соответствуют три возможных направления скольжения. Решетке ОЦК соответствует 12 плоскостей скольжения с четырьмя возможными направлениями. Основной плоскостью скольжения ГПУ решетки является основание призмы.
__________________________________________________________________
Помимо этих двух видов, обеспечиваемых консервативным движением дислокаций, существует третий вид — пластическая деформация за счет ; неконсервативного движения дислокаций. Существенным его вклад становитt ся при высоких температурах, когда интенсивно протекает процесс диффузии. Этот вид деформации рассмотрен в гл. 5 при изложении физической природы высокотемпературной ползучести.
Рассмотренный нами сдвиг одной части кристалла относительно другой приводит к возникновению ступеньки. Это проявляется в появлении так называемых линий скольжения на поверхности кристалла, которые являются линиями пересечения плоскостей скольжения со свободной поверхностью [27].
Такие линии были обнаружены Н. Людерсом в 1854 г. и затем подробно исследованы при деформации растяжением Д. К. Черновым в 1885г.
Если поверхность отполировать, то линии скольжения исчезнут. Скольжение, протекающее в ряде параллельных плоскостей, дает параллельные линии скольжения.
Д
ля
описания пластической деформации при
скольжении используют понятие критического
касательного напряжения. Для его
пояснения рассмотрим кристалл с площадью
поперечного сечения S,
к которому приложено растягивающее
усилие F
(рис. 2.2).
Рис. 2.2. Схема определения касательного напряжения, приведенного к плоскости скольжения
Если плоскость
скольжения расположена под некоторым
углом
к плоскости поперечного сечения, то ее
площадь S1
= S/cos.
Отсюда действующее напряжение
(направлено
вдоль оси кристалла).
Для вычисления его составляющей в
плоскости скольжения следует учесть
угол между осью кристалла и направлением
скольжения, т.е.
=
cos
.
Окончательно для касательного напряжения
в плоскости скольжения:
(2.2)
П
роизведение
cos
cos
называют ориентационным фактором (или
фактором Шмида). Приведенное к плоскости
скольжения касательное напряжение, при
котором начинается скольжение, называется
критическим касательным напряжением
кр
(далее мы будем его называть просто
приведенным касательным напряжением).
Чтобы
поддерживать
постоянным критическое касательное
напряжение при изменении фактора Шмида,
необходимо менять приложенное внешнее
усилие [27].
Рис. 2.3. Зависимость предела текучести от ориентационного фактора для кристаллов магния
(Д. Шмид)
На рис. 2.3 показана зависимость осевого напряжения, при котором начинается скольжение (предела текучести), от ориентационного фактора для кристаллов магния. Критическое касательное напряжение при этом остается постоянным. Легко видеть что наиболее благоприятна ситуация при = /4; = /4. В данном случае ориентационный фактор равен 0,5. Для начала пластической деформации при этих условиях нужно приложить минимальное напряжение.
Перейдем к рассмотрению двойникования, которое так же, как и скольжение, приводит к пластической деформации [24]. Под действием внешней нагрузки в кристалле возникает участок решетки с двойниковой прослойкой. Двойниковая прослойка имеет две границы, и кристаллическая решетка в ней является зеркальным изображением недеформированных участков относительно плоскости двойникования (рис. 2.4,в). Двойникование, как и скольжение, осуществляется только по вполне определенным кристаллографическим плоскостям, называемым плоскостями двойникования.
Выход двойника на свободную поверхность также дает ступеньку. Но в
отличие от линии скольжения двойник виден после полирования поверхности кристалла. Так же, как и скольжение, двойникование происходит по достижении определенного критического касательного напряжения (кр).
Рис. 2.4. Сдвиг в кристалле под действием касательного напряжения : — исходный кристалл; — скольжение; в — двойникование
При меньших нагрузках образуется упругий двойник, который исчезает после снятия нагрузки. По достижении критического касательного напряжения двойниковая прослойка проростает через весь кристалл. Дальнейшее увеличение нагрузки расширяет двойниковую прослойку. В поликристаллах при деформации двойник никогда не пересекает границу зерна. Возникающие напряжения иногда могут вызвать появление в соседнем зерне своего двойника. Ориентация его уже будет, естественно, определяться ориентацией этого кристаллического зерна [28].
Различие сдвига при скольжении и двойниковании кристалла под действием сдвиговой нагрузки показано на рис. 2.4. При скольжении (рис. 2.4, 6) сдвиги на межатомное расстояние идут в параллельных плоскостях скольжения. Сдвиг двойникованием, показанный на рис 2.4, в, тем больший в каждом атомном слое, чем дальше он отстоит от плоскости двойникования.
В кристаллах, которые деформируются преимущественно двойникованием, сложно обеспечить значительную остаточную деформацию, и они считаются хрупкими материалами. В реальных условиях эксплуатации металлических конструкций деформация двойникованием встречается относительно редко. Для ее реализации необходимы низкие температуры или очень высокие скорости деформирования. Гораздо чаще приходится сталкиваться с пластической деформацией скольжением. Поэтому в дальнейшем этому виду деформации будет уделено основное внимание.