§ 126. Зависимость деформации от напряжения

Упругое последействие. Рассмотренные выше упругие деформации отличаются тем, что деформации строго следуют за приложенными к телу напряжениями, возрастая вместе с ростом напряжений и вместе с ними исчезая, Такие деформации, однако, далеко

не всегда наблюдаются, даже при значениях напряжений, еще не вызывающих пластических деформаций.

В некоторых случаях можно наблюдать, что тело продолжает деформироваться и после прекращения роста приложенного напряжения, а после снятия нагрузки деформация исчезает не сразу, а постепенно. Деформация как бы отстает от вызывающего ее напряжения: тело продолжает деформироваться после того, как рост напряжения прекратился, а после снятия напряжения восстанавливает свою первоначальную форму лишь через некоторое время, называемое временем релаксации. Это явление называется упругим последействием. Величина упругого последействия и время релаксации зависят от температуры, и при достаточно низких температурах деформация после снятия нагрузки вовсе не исчезает, приобретая характер пластической деформации.

Упругое последействие, по-видимому, связано с несовершенством структуры кристаллов (даже монокристаллов). Как показал А. Ф. Иоффе, в совершенных монокристаллах упругое последействие отсутствует.

Пластическая деформация. Выше было указано, что упругая деформация характеризуется своей обратимостью — деформация исчезает вместе с исчезновением деформирующего напряжения. Для этой именно деформации справедлив закон Гука, выражающий линейную зависимость деформации от напряжения.

Опыт показывает, что деформация остается упругой, т. е. сохраняет свою обратимость, до вполне определенного для даннбго вещества значения деформирующего напряжения. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает уже более быстрый, чем линейный, рост деформации.

Рис. 171.

Максимальное напряжение, при котором деформация еще остается упругой, называется пределом упругости. На рис. 171 представлена получаемая на опыте зависимость деформации от напряжения

Упругая деформация, очевидно, происходит до значения напряжения При напряжениях, больших прямая переходит в кривую. Закон Гука перестает действовать, деформация перестает быть упругой. Если повысить напряжение, например, до значения при котором деформация равна а затем постепенно уменьшать напряжение до нуля, то деформация, конечно, тоже уменьшится, однако не по кривой а по прямой После того как напряжение будет полностью снято, тело останется деформированным на величину (остаточная деформация). Деформация перестала быть обратимой. Такая деформация называется пластической.

У многих твердых тел при напряжениях, немного больших предела упругости, деформация растет при постоянном значении напряжения, — материал, как принято говорить, «течет». Это значение напряжения называется пределом текучести. В этом случае зависимость напряжения от деформации имеет виду, представленный на рис. 172, в. Горизонтальный участок кривой называется площадкой текучести.

Дальнейшее увеличение напряжения приводит в конце концов к разрушению деформирующегося тела (при растягивающем напряжении — к разрыву). Величина этого напряжения называется пределом прочности вещества.

Рис. 172.

Вид кривой в области, предшествующей разрушению, у различных материалов может быть различным. На рис. 172 представлены некоторые характерные примеры таких кривых (разрушение обозначено на них звездочкой). Из этих кривых видно, что у некоторых веществ (бронза, латунь) почти вовсе не наблюдается текучесть (см. рис. 172, б). У других предел упругости и предел прочности очень близки друг к другу. В таких веществах (чугун, закаленная сталь) пластические деформации практически невозможны — упругая деформация непосредственно завершается разрушением (рис. 172, а). Такие вещества называются хрупкими. Иногда кривые деформации имеют необычный вид, как на рис.

Наиболее интересное явление, связанное с пластической деформацией, наблюдается при повторном нагружении тела, уже однажды (или многократно) испытавшего пластическую деформацию. Пусть тело подвергалось деформации действием напряжения, превосходящего предел упругости, например напряжением, равным как это показано на рис. 171. После снятия нагрузки тело, как мы видели, оказывается деформированным с остаточной деформацией, равной (см. рис. 171). Если тенерь это пластически деформированное тело опять подвергнуть действию напряжения, то с ростом напряжения деформация будет снова расти по закону Гука, даже с тем же

модулем Юнга (т. е. с тем же наклоном прямой). Но предел упругости будет теперь больше, чем при первом нагружении. Новый предел упругости будет приблизительно равен тому максимальному напряжению, которым закончилось первое деформирование. На рис. 173, на котором представлено это повторное нагружение, деформация, оставшаяся после первого, принята за нуль. Пределом упругости теперь будет не Часть кривой рис. 173 является продолжением участка кривой рис. 171.

Пластическая деформация приводит, таким образом, к повышению предела упругости материала, т. е. к его упрочнению. Этим широко пользуются в практике применения металлов и сплавов.

Рис. 173.

Процесс, происходящий при пластической деформации, приводящий к упрочнению материала, называется наклепом, а само состояние упрочненного в результате пластической деформации тела называется состоянием наклепа.

Термическая обработка. Упрочнение, наступающее в результате пластической деформации, может быть устранено, если подвергнуть деформированное тело длительному нагреву при достаточно высокой температуре. После такой термической обработки, называемой отжигом, восстанавливается прежний предел текучести и снимаются остаточные напряжения в теле, которые могли появиться, если деформация была неоднородной. Размеры и форма тела при отжиге, однако, не восстанавливаются.

Другой вид термической обработки, называемый закалкой, приводит для некоторых сплавов, например для стали, не к понижению, а к повышению предела текучести, т. е. к упрочнению. Закалка заключается в том, что тело нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают, обычно погружением в воду или масло.

В некоторых случаях (некоторые стали, сплавы цветных металлов) вслед за закалкой проводится еще один вид термообработки — вторичный нагрев до температуры более низкой, чем при закалке. Эта термообработка называется отпуском или искусственным старением.

Различные виды термической обработки широко применяются в металлообрабатывающей промышленности для улучшения свойств металлов и сплавов.

Интересно отметить, что закалка приводит к упрочнению только сплавов. Чистые металлы, как говорят, «не принимают закалку», т. е. не упрочняются в результате такой обработки.

Отметим в связи с этим, что чистые металлы по своим механическим свойствам вообще сильно отличаются от металлов, содержащих примеси, и от сплавов. Эти отличия сводятся к тому, что чистые металлы очень мягки, имеют низкий предел упругости, не принимают закалки и вообще имеют значительно худшие механические свойства, чем сплавы. Это обстоятельство известно с глубокой древности; первые металлические орудия изготовлялись не из чистого металла (меди), а из сплава меди с оловом — бронзы, твердость и прочность которой значительно выше. То же следует сказать и о телах с совершенной кристаллической структурой: монокристаллы обладают худшими механическими свойствами, чем поликристаллы того же вещества.

Ниже мы увидим, в чем причина этой и многих других особенностей, связанных с пластической деформацией.