3.4. Глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела на макроуровне. Разрушение.

В традиционной физике и механике разрушения принято считать, что в реальном твердом теле уже в исходном состоянии су­ществуют микротрещины, и разрушение связано с их эволюцией. Разрушение рассматривают как трансляционное движение вершины магистральной трещины в результате релаксации возникающего в вершине трещины концентратора напряжений. При таком подходе ме­ханика деформируемого твердого тела и механика разрушения раз­вивались совершенно независимо друг от друга.

В физической мезомеханике дается другое представление, ос­нованное на анализе поворотных мод деформации. Пластическая де­формация и разрушение рассматриваются как две стадии одного процесса. Этот подход не требует постулировать существование микротрещин в исходном состоянии материала. Пластический сдвиг, сопровождаемый стесненным поворотом на более высоком масштабном уровне, рождает концентратор напряжений, потенциально способный к генерации микротрещины как несплошности материала. Наиболее вероятно возникновение микротрещин при развитии пластической деформации на мезоуровне, когда возникают дисклинации и мезополосы деформации, локализующие сильные развороты материала.

Разрушение наступает тогда, когда в нагруженном материале возникает микроконцентратор напряжений, способный обеспечить распространение микротрещины в поперечном сечении образца. При атом релаксируют нормальные напряжения в нагруженном образце. Макроконцентратор должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Релаксационная способность более низких масштабных уровней (микро и мезо) в объеме образца должна быть исчерпанной (в пластичных материалах) либо отсутствовать изначально (хруп­кие материалы). Это обеспечивает достижение макроконцентраторам напряжений необходимого критического уровня и его релаксацию распространением трещин.

2. Охватываемая макроконцентратором напряжений зона должна быть по масштабу мезо- или макроскопической, так как при расп­ространении трещины разворачиваются друг относительно друга трехмерные мезо- иди макрообъемы материала. Последнее зависит от общего уровня сдвиговой устойчивости материала.

8. Интенсивность макроконцентратора напряжений должна быть достаточной, чтобы обеспечить аморфизацию материала в зоне вер­шины трещины. В аморфизированной зоне возникают коллективные возбуждения. Их распад в поле градиента концентратора напряже­ний обеспечивает возникновение локализованного потока деформа­ционных дефектов и трещины как результат конденсации избыточных вакансий в аморфизированной среде.

Характер разрушения связан c одним принципиально важным обстоятельством, которое ранее в литературе не обсуждалось. Градиент макроконцентратора напряжений естественно включает в себя. всю иерархию концентраторов напряжений, соответствующих микро- и мезомасштабным уровням. Эта иерархия концентраторов напряжений в ходе разрушения будет последовательно генерировать локальные потоки деформационных дефектов, фрагментацию материа­ла и распространение трещины. Другими словами, впереди расп­ространяющейся трещины должны происходить локализованный сдвиг и локализованная фрагментация материала. Их пространственная протяженность зависит от общего уровня сдвиговой устойчивости деформируемого материала.

Приведенные в литературе экспериментальные данные позволя­ют сформулировать следующие физические условия зарождения и распространения трещин при разрушении:

1. Разрушение является поворотной, модой деформации на мак-ромасштабном уровне, аккомодирующей материальный поворот некристаллографического скольжения в зоне макроконцентратора нап­ряжений, когда релаксационная способность в объеме деформируе­мого материала на микро- и мезомасштабных уровнях исчерпана.

2.Эволюция развития любой трещины проходит через иерархию всех масштабных уровней локализованной деформации:

- локализованное первичное скольжение дислокации (микроу­ровень);

- фрагментация материала в зерне первичного скольжения (мезоуровень);

- распространение трещины по границе раздела фрагментов (макроуровень)

3. Поскольку трещина не имеет кристаллографической направ­ленности, предшествующие ей мезопотоки должны распространяться независимо от кристаллографической ориентации решетки.

4. Общая затрудненность пластических сдвигов, необходи­мость фрагментации материала, некристаллографический характер распространения мезопотоков требует для описания разрушения кристалла привлечения нетрадиционных представлений о его состо­янии в зоне вершин трещины, где локализован макроконцентратор напряжений. Поведение этой зоны хорошо описывается на основе представлений о коллективных сильно возбужденных состояниях.

В общем случае пластическая деформация нагруженного мате­риала начинается на микромасштабном уровне, который описывается трехстадийной кривой "напряжение - деформация" (рис.3.2).

В основе трехстадийной кривой б-s лежат три типа сдвигов:

• сдвиг с нестесненным материальным поворотом и связанная с ним стадия легкого скольжения:

Рис. 3.2.

Стадия кривой "напряжение - деформация"

при растяжении на различных масштабных уровнях

Рис. 3.3.

Распределение сил при обработке

- сдвиг со стесненным материальным поворотом, обусловлива­ющий множественное скольжение и стадию линейного упрочнения;

- сдвиг с кристаллографическим поворотом структурного эле­мента деформации, венчающий формирование вихревой диссипативной структуры и ответственный за параболическую стадию кривой б-е.

Наряду с этим на интегральной кривой б-е наблюдаются еще две самостоятельные стадии IV и V (рис.3.2). Стадия IV слабого деформационного упрочнения классифицирована как самостоятельная и подробно изучена в на основе анализа дислокационных субструктур. Стадия v падения кривой 6-£ связана с образованием шейки и также была классифицирована как самостоятельная. Анализ механизмов деформации на стадиях IV и V в методами физической мезомеханики привел к заключению, что эти стадии связаны соответственно с мезо- и макромасштабными уров­нями потери сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела и, в свою очередь, имеют собственную трехстадийную структуру. Если деформация мезомасштабного уровня развивается на фоне ин­тенсивной деформации микромасштабного уровня, то интегральные значения напряжений на IV-и стадии кривой б-е не выявляют ее внутренней трехстадийной структуры. В этом случае она проявля­ется только как модуляция на мезоуровне дислокационного течения и может быть выявлена измерением дифференциальных характерис­тик.

Таким образом, все масштабные уровни потери сдвиговой ус­тойчивости в деформируемом твердом теле характеризуются трехс­тадийностью процесса, в основе которой лежат три типа сдвигов в в нагруженном твердом теле. Последовательное развитие трех ти­пов сдвигов определяет три стадии формирования вихревых диссипативных структур на всех масштабных уровнях.

Это позволяет сформулировать принцип масштабной инвариант­ности в деформируемом твердом теле: механизмы деформации” их носители и соответствующие стадии кривой "напряжение - деформа­ция" на различных масштабных уровнях являются масштабно инвари­антными.

Естественно, что в различного типа материалах и при раз­личных условиях нагружения могут проявляться не все стадии де­формации. В качестве ведущего могут быть различные механизмы деформации. Однако принцип масштабной инвариантности дает прос­тую методологическую основу для анализа сложной природы пласти­ческой деформации и разрушения твердых тел.

Новые представления о деформируемом твердом теле как мно­гоуровневой иерархически организованной системе, в которой са­мосогласованно развиваются процессы потери сдвиговой устойчи­вости на различных масштабных уровнях, легли в основу нового научного направления - физическая мезомеханика материалов.

Все модели физической мезомеханики в своей основе рассмат­ривают движение различного рода трехмерных структурных элемен­тов: кубиков, представительного объема , структурных элементов среды, различного рода диссипативных струк­тур, движение двухмерных дефектов , которое также эк­вивалентно движению структурных элементов деформации.

Каждая модель мезомеханики сводится к физическому обосно­ванию своего структурного элемента деформации в зависимости от поставленной задачи. Однако для всех моделей характерен ряд общих концептуальных положений.

1. Деформация на различных масштабных уровнях подчиняется принципу масштабной инвариантности.

2. Для всех масштабных уровней существует универсальная классификация механизмов деформации, их носителей (структурных элементов деформации) и соответствующих стадий кривой "напряже­ние - деформация". Эта классификация может быть представлена в виде элементной базы масштабных уровней деформации, которая позволяет любой вид пластического течения представить как опре­деленную комбинацию различных структурных элементов микро-, мезо и макромасштабных уровней.

3. Пластическая деформация и разрушение рассматриваются как две последовательные стадии единого процесса эволюции сдви­говых неустойчивостей различного масштаба. Разрушение является поворотной модой деформации и отражает глобальную потерю сдви­говой устойчивости нагруженного твердого тела на макромасштабном уровне.

4. Уравнения физической мезомеханики должны отражать неод­нородность пластического течения, его релаксационную природу, наличие градиентов напряжений и моментных напряжений, возникно­вение в деформируемом твердом теле динамических диссипативных субструктур различного масштабного уровня .

5. Природа сдвиговых неустойчивостей в нагруженном твердом теле на всех масштабных уровнях и связанных с ними источников деформационных дефектов рассматривается на основе сильнонеравновесных состояний кристаллической решетки в зонах концентрато­ров напряжений различного масштаба.