Нагрузки, напряжения и деформации

На детали работающих машин воздействуют внеш­ние силы или нагрузки F. Чтобы оценить размер на­грузки вне зависимости от размеров детали, введено по­нятие напряжение. При одноосном растяжении оно имеет вид σ=F/S, где S — площадь поперечного сече­ния испытуемого образца. Так как прилагаемая сила F, как правило, не перпендикулярна некоторой площадке детали, то в ней возникают нормальные и касательные напряжение)

Любое воздействие внешних сил на твердое тело уравновешивается противодействием межатомных сил, которые стремятся вернуть атомы в положения, соответ­ствующие минимуму потенциальной энергии.

Деформация тела совершается в результате относи­тельного смещения атомов из положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смеще­ниями атомов. После снятия внешних сил.твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму. Если при прекращении действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливается, то такая деформация на­зывается пластической (остаточной). В этом случае ато­мы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия. Способность металлов к остаточной деформации называется пластинчностью.

Пластическая деформация твердых тел в основном характеризуется скольжением и двойникованием. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла относительно друг друга (рис.15,а) совершается под действием касательных напряжений (τ). Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдзигу наименыпее Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой, например), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.

Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости.

Предположение о смещении только группы атомов данной плоскости получило экспериментальное подтверждение. Для такого рода смещений в кристаллической решетке необходимы не точечные, а линейные дефекты, вызывающие нарушения правильного расположения атомов на сравнительно значительных расстояниях. Таким образом, пластическая деформация представляется и как процесс скольжения, основой которого являются перемещения в плоскости скольжения отдельных несовершенств кристаллической решетки — дислокаций.

На рис.15 показана краевая дислокация. Искажение кристаллической решетки происходит из-за нахождения в ней экстраплоскости а, которая расположена выше плоскости скольжения σ и перпендикулярна плоскости чертежа. Плоскость α нарушает правильность взаимного расположения атомов, что способствует образованию вблизи дислокации силового поля с повышенным уровнем потенциальной энергии. Под действием сдвигающего напряжения τ краевая дислокация передвигается слева направо, при этом атомы плоскости а занимают места атомов кристаллической решетки, которые в свою очередь образуют свободную плоскость справа. Пробег дислокации от одной боковой поверхности к другой дает смещение части монокристалла на одно межатомное расстояние. Так осуществляется пластическая деформация.