Пружна та пластична деформація

Під впливом прикладених ззовні сил метал, як і будь-яке тверде тіло, змінює свою форму та розміри. Такі зміни називаються деформацією.

При малих ступенях деформації діє відомий закон Гука

σ = εЕ,

де σ – напруження; ε – відносна деформація; Е – модуль пружності.

Метал при цьому деформується пружно: атоми зміщуються з положень рівноваги у кристалічній ґратці, відстані між ними змінюються, в результаті чого порушується баланс сил притягання та електростатичного відштовхування і виникає рівнодіюча сила, яка намагається повернути атом у стан рівноваги. Сума вказаних сил, які діють на всі зміщені атоми, розташовані на одиниці площі поперечного перерізу металу, називається напруженням

де Р – зовнішнє навантаження; S – площа поперечного перерізу.

Поки не перевищена границя пружності σ_пруж, після зняття зовнішнього навантаження кожен атом повертається в положення рівноваги, а пружні деформації та напруження перетворюються на нуль. Структура металу при цьому не змінюється. Слід зазначити, що визначення границі пружності σ_пруж досить тривале і трудомістке, тому на практиці замість неї визначають або границю пропорційності σ_пц, або границю плинності – фізичну σ_т чи умовну σ_0,2. Але σ_пруж менша за всіх інших.

Коли напруження в металі перевищують границю пружності, закон Гука стає непридатним, виникає необоротна (або залишкова) деформація, яка зростає зі збільшенням навантаження аж до руйнування металу. Пружна деформація при цьому зберігається і навіть збільшується. Процес, який спричиняє залишкові зміни в металі, називається пластичною деформацією.

Існують два механізми пластичної деформації: дифузійний та зсувний. Перший з них відіграє основну роль при гарячій пластичній деформації, другий – при холодній. Сутність процесу зсувної деформації полягає в організованому переміщенні окремих частин кристала (ковзання) або групи його атомних площин (двійникування), в результаті якого кристал і все тіло витягаються вздовж напрямку дії зовнішньої сили при відповідному зменшенні поперечних розмірів.

Дотичні напруження у кристалі.Не варто думати, що залишкова деформація може бути зумовлена виключно зсувним навантаженням, а не розтягувальним або стискувальним. Але в цих випадках ефективною є лише та частина зовнішнього навантаження, що відповідає силам зсуву і створює у кристалі дотичні напруження.

Будь-яке зовнішнє навантаження Р може бути розкладено (рис. 7.1) на дві складові: нормальну N та дотичну K. Складова K лежить у площині ковзання і є силою зсуву, яка створює дотичні напруження та спричинює пластичну деформацію.

Якщо позначити через А площу поперечного перерізу кристала, то площа площини ковзання

,

де θ – кут між напрямком зовнішнього навантаження та нормаллю до площини ковзання.

Рис. 7.1. Розкладення сили у кристалі

Водночас складова

.

Тоді дотичне напруження

.

Звідси випливає, що σ = 0 при sin2θ = 0, тобто при θ = 0° або 90°.

Максимальне дотичне напруження

досягає свого максимуму при , тобто коли θ = 45°.

Отже, при розтягуванні та стискуванні дотичні напруження дорівнюють нулю у площинах, паралельних та перпендикулярних до осі розтягування (стискування), і досягають максимуму, що дорівнює половині величини напружень у площинах, розташованих під кутом 45° до осі розтягування (стискування). Такі площини називаються площинами найлегшого зсуву.