Физические явления и эффекты 3 страница
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 1.2. Я.Н.Ройтенберг, Гироскопы, М., "Наука", 1975
В.А.Павлов, Гироскопический эффект, его проявление и
использование, Л., "Судостроение", 1972
Н.В.Гулия, Возрожденная энергия, "Наука и жизнь", 1975, нр-7.
К 1.3. А.А.Силин, Трение и его роль в развитии техники, М., "Наука", 1976.
И.В.Крагельский, Трение и износ, М., "машиностроение",1968
Д.Н.Гаркунов, Избирательный перенос в узлах трения, М., "Транспорт", 1969.
ДЕФОРМАЦИЯ.
2.1. Общая характеристика.
В самом общем случае под деформацией понимается такое
изменение положение точек тела, при котром меняется взаимные
расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся
изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить
механические силы, электрические, магнитные, гравитационные
поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.
В теории деформации твердых тел рассматриваются многие
типы деформаций-сдвига, кручения и т.д. Формальное описание
их можно отыскать в любом курсе сопромата.
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она
называется упругой, в противном случае имеет место пластичес-
кая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука,
согласно которому деформация пропорциональна механическому
напряжению.Если рассматривать деформации на атомарном уровне
то упругая деформация характеризуется,прежде всего практичес-
ки одинаковым изменением растояния между всеми атомами крис-
тала; при пластических деформациях возникают дислокации-ли-
нейные дефекты кристалической решотки.
Величина деформации любого вида определяется свойствами
деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следо-
вательно,имея данные о деформации, можно судить либо о свойс-
твах тела,либо о воздействиях; в некоторых случаяхи о том и о
другом, а в некоторых- о степени изменения свойств деформиру-
емого тела при том или ином внешнем воздействии.
А.с. 232571: Способ измерения спорных реакций машин и
станков в эксплуатационных условиях,отличающийся тем,
что,с целью определения реакций в спорах с резиновым
упругим элементом, измеряют величину деформации свобод-
ной поверхности резинового упругого элемента, по кото-
рой судят о величине опорной реакции.
2.1.1. С в я з ь э л е к т р о п р о в о д н о с т и
с д е ф о р м а ц и е й.
В 1975 году зарегистрировано открытие: обнаружена зави-
симость пластической деформации металла от его проводимости.
При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластич-
ность металла. Обратный переход понижает пластичность.
Напомним, что макроскопическая пластическая деформация
осуществляется перемещением большого количества дислокаций,
способность же кристалла оказывать сопротивление пластической
деформации определяется их подвижностью.
Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при раз-
личных способах механических испытаний. В экспериментах было
обнаружено значительное повышение пластичности металла /ра-
зупрочнение/ при переходе его в сверхпроводящее состояние.
Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких де-
сятков процентов.Детальное изучение явления разупрочнения
привело к выводу,что "виновником" его следует считать измене-
ние при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия
электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдель-
ной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко
уменьшаются при сверхпроводящем переходе.Таким образом, обна-
ружена прямая связь механической характеристики металлаего
пластичности с чисто электронной характеристикой-проводи-мостью.
Главный вывод-электроны металлов тормозят дислокации
в с е г д а.Сверхпроводящий переход помог выявить роль элект-
ронов и позволил оценить электронную силу торможения. Но пе-
реход в сврхпроводящее состояние- не единственная возможность
влиять на электроны. Этому служит магнитное поле, давление и
т.д. Ясно, что такие воздействия должны изменять и пластич-
ность металла, особенно, когда электроны- главная причина
торможения дислокаций.
Магнитное поле в сочетании с низкой температурой спо-
собны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость,
теплопроводность,упругость,прочность и даже цвет. Появляются
новые электрические свойства. Превращения происходят практи-
чески мгновенно- за 10 в11-ой и 10 в12-ой сек. Исходя из экс-
периментов ожидают использования новых эффектов в обычных ус-ловиях.
2.1.2. Э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й
э ф ф е к т в м е т а л л а х
Установлен электропластический эффект в металлах и до-
казана возможность его применения для практических целей. От-
крытие этого эффекта привело к более глубокому пониманию ме-
ханизма пластической деформации, расширило представление о
взаимодействии свободных электронов в металле с носителями
пластической деформации-дислокациями.
Появилась возможность управлять механическими свойства-
ми металлов, в частности, процессом обработки металлов давле-
нием. Например, деформировать вольфрам при температурах не
превышающих 200 гр.С и получить из него прокат с высоким ка-
чеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было
найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и
уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия
теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток
высокой плотности 10 в4-ой 10 в6-ой а/см./2 то величина эф-
фекта будет будет порядка десятков процентов. Электрический
ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений
в металле и оказывается удобным технологическим фактором для
снятия внутренних напряжений в металле. Электропластический
эффект также линейно зависит от плотности тока (вплоть до 10
в5-ой а/см./2 ) и имеет большую величину при импульсном токе,
а при переменном вообще не наблюдается.
Видна связь явления разупрочнения металла при сверхпро-
водящем переходе с электропластическим эффектом. В этом и
другом случае происходит разупрочнение металла. Однако, если
в первом случае в основе явления лежит уменьшение сопротивле-
ния движению и взаимодействию дислокаций при устранении из
металла газа свободных электронов,во втором случае причиной
облегчения деформации является участие самого электронного
газа в пластической деформации металла. Электронный газ из
пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую
направленный дреф и поэтому ускоряющую движение и взаимодейс-
твие дислокацийе (или снижающую обычное электронное торможе-
ние дислокаций) Этот эффект уже находит свое применение напрактике:
А. .. : "Способ снижения прочности металлов, напри-
мер,при пластической деформации при котором через заготовку
пропускают электрический ток отличающийся тем, что с целью
снижения прочности металла при сохранении его низкой темпера-
туры, к заготовке прикладывают импульсы тока плотностью преи-
мущественно 10 а/см./2, с частотой подачи 20-25Гц.
2.1.3. Ф о т о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т .
Естественно ожидать изменение пластических свойств и
при других воздействиях на электронную структуру образца.
Например, воздействие светового излучения на кристалы полуп-
роводника вызывает в них перераспределение электрических за-
рядов. Не будет ли свет влиять на пластические свойства по-
лупроводников? Советские ученые Осиньян и Савченко на этот
вопрос отвечают утвердительно. Их открытие зарегистрировано
под номером 93 в такой формулировке:
"Установлено ранее неизвестное явление,заключающееся в
изменении сопротивления пластической деформации кристаллов
полупроводников под действием света, причем максимальное из-
менение происходит при длинных волн, соответствующих краю
собственного поглащения кристаллов".
В их опытах образцы полупроводников сжимались и растя-
гивались до наступления пластической деформации. Затем обра-
зец освещался светом. Вызванное им перераспределение носите-
лей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации
носителей пластической деформации и тотчас прочность образца
увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как проч-
ность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначальногозначения.
Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного
интересного явления - и н ф р а к р а с н о г о гашения фо-
топластического эффекта.
Эффект фотопластичности предполагается использовать для
разработки нового типа элементов автоматики, новой тех-
нологии полупроводнико,для создания качественно новых
приемников видимого светового и инфракрасного излуче- ния.
2.1.4. Э ф ф е к т Б а у ш и н г е р а .
При упругих деформациях перемена знака внешнего усилия
вызывает только изменение знака деформации,без изменения ее
абсолютной величины. Если же под влиянием внешних усилий в
металле возникают дислокации,т.е. наступает режим пластичес-
кой деформации то упругие свойства металла изменяются и начи-
нает сказываться влияние знака первоначальной деформации. Ес-
ли металл подвергнуть слабой пластической деформации
нагрузкой одного знака,то при перемене знака нагрузки обнару-
живается понижение сопротивления начальным пластическим де-
формациям (эффект Баушингера). Возникшие при первичной дефор-
мации дислокации обуславливают появление в металле остаточных
напряжений, которые складываясь с рабочими напряжениями при
перемене знака нагрузки,вызывают снижение предела пропорцио-
нальности,упругости и текущести материала. С увеличением на-
чальных пластических деформаций величина снижения механичес-
ких характеристик увеличивается. Эффект Баушингера явно
проявляется при незначительном начальном наклепе.Низкий от-
пуск наклепанных материалов ликвидирует все проявления эффек-
та Баушингера. Эффект значительно ослабляется при многократ-
ных циклических нагружениях материала с наличием малых
пластических деформаций разного знака
2.1.5. Э ф ф е к т П о й н т и н г а .
Пойнтингом было установлено,что при закручивании сталь-
ных и медных проволок они не только закручиваются, но также
упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение прово-
локи примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при
заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату ра-
диуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, вели-
чина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату уг-
ла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом
было доказано,что удлинение при закручивании не связано с из-
менениями модуля ЮНГА -это позволяет предполагать,что свойс-
тва материала остаются без изменений.
Эффект Пойтинга нашел применение в машиностроении.
Пример тому А.с.546456: Способ демонтажа прессовых сое-
динений деталей типа вал-втулка путем воздействия на
охватываемую деталь усилием выпрессовки, отличающийся
тем, что с целью снижения усилия выпресовки, например,
подшипников качения с вала, перед выпрессовкой,охваты-
ваемую деталь,например,вал, скручивают.
Малая величина эффекта позволяет указать на возможность
его применения в некоторых областях измерительной техники.
Калиброванные изменения радиуса- это переменный калибр толщи-
ны: радиальное сжатие с одновременным удлинением -это измене-
ние (хотя и малое,но надежно калибрированное) электросопро-
тивления проволоки и т. д.
2.2 Передача энергии при ударах. Эффект Александрова.
Коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к уда-
ряющему зависит от отношения их масс-чем больше это отноше-
ние,тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах удар-
ного действия всегда старались учесть это соотношение, по
крайней мере,до 1954 года,когда Е.В.Александровым было уста-
новлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи
растет лишь до определенного критического значения,определяе-
мого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел (удар упру-
гий) При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх
критического коэффициента передачи энергии определяется не
реальным соотношением масс а критическим значением этого от-ношения.
Соответственно,коэффициент востановления определяется
формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энер-
гии. Очевидно,этот эффект обязательно должен учитываться при
проектировании машин ударного действия. Наглядная иллюстрацияк тому:
А.с.. 203557 Механизм для воздействия на твердое тело
ударной нагрузкой,содержит два или более соударяющихся
элементов,причем один из них является рабочим, непос-
редственно воздействующим на твердое тело, отличающийся
тем,что в нем предусмотрено средство для создания перед
каждым соударением элементов дополнительного зазора в
системе "соударяющиеся элементы-твердое тело" и один
или несколько из соударяющихся элементов, за исключени-
ем рабочего, выполнены из материала с меньшим модулем
упругости, чем материал элемента.
На основе открытия Александрова создан так называемый
механический полупроводник,в котором передача энергии практи-
чески осуществляется только в одном направлении, независимо
от жесткости опоры. На этой основе уже создан новый отбойный
молоток,который в два раза легче серийного и обладает большой
производительностью.Теоретически доказана возможность и целе-
сообразность бурения на глубинах до 100 м без погружения бу-
рильной машины в скважину.
А.с..447496: Наддолотный утяжелитель,состоящий из несо-
единенных между собой свободно установленных на буриль-
ной колонне грузовых трубчатых элементов, отличающихся
тем,что с целью усиления ударных нагрузок на доло-
то,каждый вышележащий грузовой трубчатый элемент имеет
большую массу по сравнению с нижележащими.
2.3. Эффект радиационного распухания металла.
Как бы не пытались исправить деформированную деталь,
она все равно вспомнит свойдефект,частично востановит прежнюю
покоробленность.Виной тому внутреннее напряжение в материа-
лах. Они существуют всегда.Отжиг ликвидирует их в металлах,
но при остывании, которое идет не равномерно,внутренние нап-
ряжения хотя и ослабленные,появляются вновь.С помощью холод-
ной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно.
Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.
При облучении нейтроны врываются в недра металла и,
сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов) выбивают их из узлов
кристалической решотки.Те,в свою очередь,ударяясь о другие
ионы, либо остаются на месте,либо оставляют эти места свобод-
ными. Большая же часть ионов внедряется в междоузлия.Обраба-
тываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем.
Так вот, если изогнутую деталь подвергнуть радиоактив-
ному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы,
расталкивая ионы и атомы кристаллической решотки, начнут раз-
гибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обыч-
ным измерительным прибором,следить за ней постоянно во время
правки и закончить процесс точно на "нуле". Причем править
можно в сборе, на готовой машине.
Действие радиации легко расчитать. Известно,что макси-
мальное изменение объема стали при нейтронном облучении сос-
тавляет 0,3% . Например,если подвергнуть облучению только
средний участок стальной детали длиной 1000мм и высотой 50мм
,то устраняется прогиб в 2,5мм.
Не металические и композиционные материалы при облуче-
нии изменяют свой объем еще сильней.Например,пластмассы - до24% .
С помощью радиации мы не просто выпрямляем деталь, а
перераспределяем внутренние напряжения до нового равновесного
состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому изделие самоп-
роизвольно уже не разогнется. Этот способ защищен авторским
свидетельством . 395147 (см.18.5.1) 2.4. С п л а в ы с п а м я т ь ю .
Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий,
медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого
сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после
нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в
точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас
науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру
свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они
известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие
усилия при восстановлении своей формы.
Этим воспользовались в Институте металлургии им.
А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слеж-
ную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его
поверхность наносят обычными приемами - с помощью проката,
напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого дру-
гого металла или сплава.
Такой металлический слоеный пирог после нагревания
вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким спо-
собом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой
формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН
сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозмож-
ные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы
сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят виб-
рации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников.
В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места.
В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает слож-
нейшие формы, приданные ей еще на Земле.
При соединении полых деталей с каркасом заклепки из
сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с па-
мятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда
расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с
памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного
преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую
ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирь-
купружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропус-
тить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою
форму - гирька поползет вверх, выключаем ток - гирька вновь
спускается и т.д. По сути дела - это искуственный мускул. На
этом принципе можно делать двигатели нового типа, использую-
щие даровую энергию Солнца.
Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые:
тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термо-
упругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты,
напряженный железобетон и многое другое.
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока-
цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.
К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор-
мация металлов, "Природа", 1977.
К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.
К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор-
циональности и текущести при повторном нагружении,
"Заводская лаборатория", 1950, н'4.
Ф.Ходж Теория идеально пластических тел, М.. "ИЛ", 1956
К 2.4. И.И.Карнилов и др., Никелид титана и другие сплавы с
эффектом "памяти", "Наука", 1977.
Молекулярные явления