Главная > Физика > Курс физики (Грабовский Р.И.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 52. Деформация твердого тела

В 1-й части (см. § 10 и 17) мы касались вопроса о деформации твердого тела. Теперь на основе представлений о строении твердого тела следует рассмотреть этот вопрос подробнее. Опишем процесс деформации тела с помощью графика, основанного на опытных данных. Для определенности рассмотрим, например, деформацию одностороннего растяжения. По оси абсцисс графика будем откладывать смещение (удлинение) по оси ординат — напряжение

т. е. деформирующую силу приходящуюся на единицу площади поперечного сечения деформируемого тела (рис. 97).

Рис. 97

При небольших напряжениях удлинение практически пропорционально напряжению (закон Гука, см. § 10). Эта область деформаций называется упругой деформацией. На графике ей соответствует почти прямолинейный участок Напряжение соответствующее границе участка а, называется пределом упругости.

При дальнейшем увеличении напряжения наступает пластическая деформация (участок ) небольшие увеличения напряжения вызывают значительные удлинения, приводящие в конечном счете к разрушению (разрыву) тела (точка ). Разрыву обычно предшествует состояние, при котором сопротивляемость тела растяжению вновь несколько возрастает (участок ). Напряжение соответствующее разрушению тела, называется пределом прочности.

Если при деформации тела предел его упругости не был превзойден, то после устранения деформирующей силы тело полностью восстанавливает первоначальную форму; на графике процесс

восстановления идет по линии Если же деформирующее напряжение превысило предел упругости (что соответствует точке то после его устранения тело не восстанавливает первоначальной формы, сохраняя навсегда некоторую деформацию называемую остаточной. Процесс частичного восстановления формы тела представляется на графике линией

Отметим, что и в случае упругой деформации первоначальная форма тела восстанавливается не мгновенно, а через некоторое время (измеряемое иногда часами и даже днями). Это являние называется упругим последействием.

Интересное и практически важное явление имеет место при повторных пластических деформациях материала (т. е. при деформациях, сопровождающихся переходами предела упругости). Оказывается, что при каждой такой деформации предел упругости немного повышается, а в процессе многократной деформации может быть повышен значительно. Это явление (и сам процесс) носит название наклепа. Таким образом, наклеп, повышая предел упругости материала, ведет к его упрочнению. В связи с этим наклеп широко используется в технологической практике для упрочнения металлов и сплавов.

Упрочнение материала при наклепе обусловлено тем, что вследствие неоднородности деформации различных кристалликов в поликристалле возникают структурные искажения, вызывающие дополнительные упругие напряжения.

Тела, обнаруживающие большие пластические деформации (т. е. тела, которым на графике деформации соответствуют большие участки называются пластическими. К ним относятся, например, свинец, цинк, железо. Тела, имеющие небольшую пластическую деформацию или совсем не обладающие ею называются хрупкими. К ним относятся, например, чугун, закаленная сталь, фарфор. Следует, однако, подчеркнуть, что подразделение тел на пластические и хрупкие имеет относительный характер; одно и то же тело при повышенной температуре и медленно проводимой деформации оказывается пластическим, а при пониженной температуре и быстро проводимой деформации — хрупким.

В свете представлений об атомно-молекулярном строении вещества физическая сущность описанного процесса деформации твердого (кристаллического) тела объясняется следующим образом.

При упругой деформации монокристалла, например при деформации сдвига, происходит только небольшое искажение его пространственной решетки (рис. 98, б). Сопутствующее этому искажению изменение межионных (межатомных, межмолекулярных) расстояний ведет

Рис. 98

к нарушению равновесия между силами взаимопритяжения и взаимоотталкивания ионов, в связи с чем в кристалле возникают упругие силы, восстанавливающие первоначальную форму (рис. 98, а) кристалла после устранения деформирующей силы. При упругой деформации не нарушаются межионные связи: каждый ион остается в окружении своих прежних соседей, как это видно на рис. 98, а и б (для четырех пронумерованных ионов).

При пластической деформации монокристалла происходит значительное искажение его решетки благодаря скольжению одних ионных плоскостей вдоль других. В результате нарушаются прежние и устанавливаются новые межионные связи: ионы меняют своих соседей, как это видно на рис. 98, в (для тех же четырех пронумерованных ионов). При смещении двух соседних слоев друг относительно друга на расстояние, равное удвоенному размеру элементарной ячейки, силы взаимопритяжения и взаимоотталкивания ионов вновь оказываются уравновешенными (решетка вновь принимает соответствующую данному кристаллу форму, на нашем рисунке — кубическую). В связи с этим исчезают упругие силы, способные сместить ионы в исходное положение (см. рис. 98, а). В результате появляется остаточная деформация (см. рис. 98, в).

Рис. 99

Пластическая деформация одностороннего растяжения также обусловлена скольжением ионных плоскостей друг относительно друга На рис. 99 схематически изображена деформация монокристаллического стержня, подвергнутого одностороннему растяжению. Скольжение слоев начинается в наиболее слабых местах стержня (где решетка ослаблена трещинами и другими дефектами) и постепенно распространяется на весь стержень. В результате в стержне образуются скошенные слои, называемые пачками скольжения (рис. 99, б) Толщина пачек скольжения разнообразна, но имеет порядок см. Первоначально гладкая поверхность стержня (рис. 99, а) становится в процессе пластической деформации шероховатой (рис 99, б), что подтверждается опытными данными.

Одновременно с удлинением стержня происходит его утоньшение При этом у стержня появляются местные сужения — шейки (рис. 99, в), в которых и сосредоточивается дальнейшая деформация, приводящая к разрыву стержня (рис. 99, г).

Такова же в общих чертах (но более сложная в деталях) картина деформации поликристаллических тел. Кристаллические зерна расположены внутри поликристалла беспорядочно, в связи с чем беспорядочно расположены и плоскости наиболее легкого скольжения ионных слоев. Благодаря этому пластическая деформация поликристаллических тел требует большего напряжения, чем пластическая деформация монокристаллов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление