Кристалічні тіла з високим КТР мають, як правило, низький модуль пружності. З підвищенням температури відстань між атомами збільшується також за рахунок термічного розширення, і пружна складова деформації дещо знижується, зменшуючи напружений стан і, як наслідок, модуль пружності. При високих температурах пружна складова знижується значно. Нарешті, вона стає настільки малою, що тіло втрачає свої пружні властивості, тобто переходить зі стану нестійкої рівноваги в рівноважний стан, в якому величина напруги і сили міжатомної взаємодії залежать тільки від температури.
У матеріалознавстві такий стан, зване піропластичний, і є необхідною умовою для формування (кування, црокат, гаряче пресування, термопластичное формування та ін.) Різних матеріалів і виробів.
Пластичність (від грец. Р1аstcos - податливий) - властивість твердих тіл і матеріалів деформуватися (змінювати свою форму і розміри) без порушення цілісності структури під дією зовнішніх сил і зберігати частину деформації після припинення дії цих сил. Такі збережені (незворотні або залишкові) деформації часто називають пластичними.
Всі реальні тверді тіла, навіть при малих деформаціях, в більшій чи меншій мірі володіють пластичними властивостями, тобто поряд з пружними деформаціями також мають місце пластичні. Співвідношення між двома протилежними видами деформації для різних матеріалів неоднакові. У кераміці це співвідношення на користь пружною деформації, в полімерах - на користь пластичної. За цим показником умовний ряд матеріалів з підвищенням частки пластичної деформації може бути представлений таким чином:
кераміка → метал → високомолекулярні соёдіненія.
Це співвідношення залежить від багатьох факторів, в тому числі від структури твердого тіла. Наприклад, в відформованої глиняному сирці частка пружної деформації невелика в порівнянні з пластичної. У висушеному глиняному зразку частка пластичної деформації значно зменшилася, а в спеченной кераміці ця частка незначна. Це пояснюється так: під впливом температурних впливів структура глиняного сирцю зазнала кардинальних змін: високодисперсна колоїдна система перетворилася в пористу стеклокристаллических структуру з високим модулем пружності.
Зауважимо, що при навантаженні будь-яке тверде тіло можна вважати пружним, тобто не проявляє помітних пластичних деформацій, до тих пір, поки навантаження не перевищить деякої межі, після якого частина деформацій стає незворотною. Напружений стан цього моменту називається межею плинності # 963; т. Після цієї межі лінійний характер взаємозв'язку напруга - деформація порушується, в подальшому він може відновитися, але в іншому співвідношенні # 963; / # 949 ;. При пластичної деформації, що супроводжується порушенням зв'язності структури, настає руйнування, що характеризується різким падінням напруги Прикордонне стан між пластичною деформацією і руйнуванням називається граничним напруженням структури # 963; пр, яке чисельно дорівнює межі міцності Rпр твердого тіла.
З графіка (рис. 5.6) випливає, що при підвищенні навантаження до межі текучості # 963; т проявляються тільки пружні деформації, і напруга зростає з великою швидкістю. після досягнення # 963; пр проявляються лише пластичні деформації, хоча в обох випадках мають місце і ті, і інші. У цей період напруга зростає повільно і тільки за рахунок наявності пружних деформацій, аж до порушення цілісності структури, Rпр.
Таким чином, стає очевидним, що поява пластичних деформацій свідчить про початок процесу руйнування структури твердого тіла. Цей факт слід враховувати при розрахунку або виборі конструкцій різного функціонального призначення, розробці способів підготовки мас, формування, інших технологічних переділів.
Рис.5.6. Криві залежності напруга - деформація:
______ пружна деформація;
Мал. 5.7. Залежність пружною і пластичної деформацій від часу прикладання навантаження
На рис. 5.7 зображений графік тимчасової залежності деформації при постійній напрузі і температурі.
У момент навантаження, яке здійснюється зі швидкістю звуку, в твердій безперервному середовищі виникає тільки пружна деформація 4 (відрізок ОА). З плином часу в твердому тілі розвивається необоротна деформація. Сукупна розвиток оборотної і необоротної деформацій у часі характеризується відрізком АВ. У момент часу # 964; i. відповідний т. В, оборотна деформація досягає рівноважного значення при чинному напрузі і більше не збільшується. Якби спостерігається деформація була обумовлена тільки оборотної (пружної) складової деформації, то в подальшому вона не змінювалася б у часі, і відрізок ВС розташовувався б паралельно осі часу. Насправді деформація безперервно збільшується, але вже за рахунок незворотної складової, і відрізок ВС характеризує її зміна в часі.
Якщо ділянка ВС прямолінійний, то, екстраполюючи його до нульового моменту часу, отримуємо графічне вираження закону пластичної деформації у вигляді прямої ВС. Пластична деформація (відрізок ДЕ), що накопичилася за час # 964; 2 залишається після зняття навантаження, коли з часом гз зникає пружна складова (крива СД).
Резюмуючи сказане, зазначимо таке:
- в момент навантаження (миттєво) має місце тільки пружна деформація (ОА);
- в період досягнення пружною деформацією рівноважного значення (АВ) має місце як пружна, так і пластична деформація,
- в період зростання пластичної деформації пружна складова залишається незмінною (ВС);
- після зняття навантаження зникає пружна деформація (СД);
- (ДЕ) - пластична деформація.
Поділ пружною і пластичної деформацій, поліпшення пластичних властивостей матеріалу - досить складні, але часом необхідні операції при створенні нових технологій переробки, обробки, формування різних матеріалів і отриманні матеріалів із заданими властивостями.
Причини і механізм утворення пластичних деформацій
Нагадаємо, що при додатку до твердого тіла зовнішньої сили, величина якої перевищує межу текучості а виникає пластична деформація, що утворюється в результаті ковзання площин атомної решітки завдяки напрузі зсуву. Напруга, необхідне для усунення ряду атомів уздовж деякої площини, як показано на рис. 5.8, можна визначити за формулою:
де G- модуль зсуву;
b - відстань між атомами в напрямку ковзання;
h - відстань між площинами ковзання.
Мал. 5.8. Відхилення в розташуванні атомів під впливом напруги зсуву
Слід зауважити, що під час ковзання площин кожен атом переміщується не вздовж прямої лінії розташування сусідніх атомів, де необхідно долати високий енергетичний бар'єр, а по зигзагу через місця з низькими енергетичними бар'єрами, і тому значення # 963; T має бути на порядок нижче. Наприклад, для Al2 O3 теоретичне значення # 963; T = 1,7х 10 5 МПа, а реальне в 17 разів менше. Той факт, що експериментальні значення виявляються набагато менше теоретичних, можна віднести майже до всіх іншим твердим матеріалам, а також металів.
Здатність різних матеріалів до пластичної деформації і механізм її утворення можна пояснити за допомогою поняття "дислокації". Якщо до кристала прикласти зусилля, що викликає напругу зсуву, то відбувається ковзання його верхньої і нижньої частин у взаємно протилежних напрямках. В результаті цього виникають дислокації, тобто лінії, уздовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомних площин.
Оскільки дислокація в кристалі має власний полем напружень, що виникають від дії зовнішніх сил, вона також відчуває силу, під дією якої починає рухатися, результатом чого є взаємне "прослизання" атомних площин, або пластична деформація.
Кожен раз при переміщенні дислокації в площині ковзання розриваються і виникають нові зв'язки не між усіма атомами на площині ковзання, а тільки між тими атомами, які знаходяться у лінії дислокації. Тому пластична деформація зсуву відбувається при порівняно малих зовнішніх напругах, які значно нижче теоретичних, тобто без дислокацій.
Площина ковзання утворюється в кристалі лише на ділянках зі слабкою зв'язком між атомами. При цьому ковзання відбувається в напрямку найнижчого енергетичного бар'єру, який необхідно подолати. Механізм ковзання, заснований на русі дислокацій, можна ідентифікувати з переміщенням по підлозі килима з попередньо створеної складкою. На рис. 5.9. наведено приклад систем ковзання в кристалі кухонної солі.
Мал. 5.9. Системи ковзання в кристалах типу NаСl
Якщо прикласти до кристалу зовнішню силу в якомусь напрямку, то на ковзання в кристалі будуть ефективно впливати тільки ті складові зовнішньої сили, які відповідають системам ковзання. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що чим більша ймовірність реалізації системи ковзання, тим вище пластичні деформації кристала. Очевидно, що в металах така ймовірність значно вище, ніж в природних кам'яних матеріалах і кераміці.
Рухливість дислокацій, що забезпечує пластичні властивості кристала, обмежується не тільки міцністю міжатомних зв'язків, але і розсіюванням фононів і електронів провідності в упругоіскаженной області кристала. Крім того, руху дислокації заважають також пружне взаємодія з іншими дислокаціями і з домішковими атомами межзеренного межами в полікристалах та ін. На подолання зазначених перешкод витрачається частина роботи зовнішніх сил. З цього випливає, що реальний кристал (з дислокаціями) «м'якше» або пластичнее бездефектного, але якщо щільність дислокацій стає вище критичної позначки, то він стає більш міцним і «жорстким».
Дислокації, як і інші дефекти кристалів, впливають не тільки на такі їх властивості, як пластичність і міцність, але і на інші фізичні властивості кристалів. Наприклад, зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє тертя, змінюються оптичні властивості, підвищується електричний опір (металів). Дислокації збільшують швидкість дифузії в кристалах, прискорюють процеси старіння, збільшують хімічну активність і зменшують стійкість кристалічних структур в різних середовищах.
Таким чином, пластичність поряд з пружністю є найважливішою характеристикою твердих тіл. Пластичні деформації, що виникають в тілі під дією зовнішніх сил, дозволяють судити про характерні особливості структури того чи іншого матеріалу в двох основних аспектах:
1. Поява пластичних деформацій - свідоцтво початку руйнування структури матеріалу. Це дозволяє:
- визначити запаси міцності, деформованості і стійкості структури;
- знизити матеріаломісткість виробів і конструкцій;
- забезпечити їх найбільш раціональне функціонування, надійність і безпеку;
- підвищити опірність тел ударних навантажень, знизити концентрацію напружень в матеріалі.
2. Наявність значних пластичних деформацій - позитивний момент для забезпечення якісного формування та обробки твердих тіл тиском (прокатка, штампування, кування і т. П.).
Якщо при навантаженні твердих тіл виникають переважно пружні деформації, а межі плинності і міцності мають близькі значення, то такі тіла називаються крихкими. (У ідеально тендітних тел # 963; Т = Rпр).
Тендітні тіла руйнуються майже миттєво, з ледь помітною деформацією.
Звідси випливає, що крихкість - властивість матеріалу руйнуватися при незначній, переважно пружною, деформації, при напружених, середній рівень яких трохи нижче межі текучості.
Еластичність (від грец. Е1аstos - гнучкий, тягучий) - здатність матеріалу або виробу зазнавати значних пружні (оборотні) деформації без руйнування при порівняно невеликих зусиллях. Таку здатність мають каучуки (натуральні і синтетичні), гума, деякі, в основному лінійні, полімери. Завдяки цій здатності їх зазвичай називають еластомерами.
На відміну від пружності кристалічних матеріалів і стекол, оборотні деформації яких становлять частки відсотка або кілька відсотків, пружні деформації еластомерів досягають 100% і більше. Це пов'язано з особливим станом полімерів, яке називається високоеластичних.
Високоеластіческое стан є стійким в певному для кожного полімеру інтервалі температур, нижче якого полімер знаходиться в склоподібного стані, а вище - в в'язко - текучому стані.
Під міцністю в широкому сенсі слова розуміють здатність матеріалів чинити опір руйнуванню, що відбувається в результаті дії зовнішніх сил. Крім того, причиною руйнування матеріалу можуть бути такі чинники, як нерівномірно протікають тепло- і масообмінних процеси, дія електричних і магнітних полів і багато інших фізичних і фізико-хімічні процеси і явища.
Критеріями міцності в залежності від класу матеріалу, виду напруженого стану (розтяг, стиск, зсув і ін.) І умов експлуатації (температура, час дії навантаження та ін.) Можуть бути тимчасовий опір, межа плинності, межа втоми і інші види опору.
Міцність будівельних матеріалів найчастіше оцінюють тимчасовим опором, або межею міцності «R», що визначаються при даному виді деформації. для тендітних матеріалів (природних і штучних кам'яних матеріалів) основними характеристиками міцності є межі міцності при стисненні і вигині, а для еластичних (полімери) - межа міцності при розтягуванні, які визначаються за формулами:
де Rсж. Rр Rи - відповідно межі міцності при стисненні, розтягненні і вигині, МПа;
Fсж і Fр - відповідно руйнівне зусилля при стисненні і розтягуванні, Н;
А - площа поперечного перерізу випробуваного зразка, м 2;
М - найбільший згинальний момент, Н • м;
W - момент опору перерізу зразка, м 3.