3.1. Пластичность высокопрочных кристаллов.

Поведение материалов под воздействием сил резания изуча­лась давно. Пластичность, возникающая при малых нагружениях и перемещениях обрабатывающего инструмента, еще не изучена. Реше­нием этих проблем (пластичности и прочности) занимались многие поколения физиков, химиков, механиков, материаловедов, метал­лургов. Однако они столкнулись со столь сложными задачами, что один из крупнейших физиков XX столетия Дж. Займан в 1968 г. пи­сал по этому поводу:"...Попытка объяснения кривой напряжение -деформация "на основе теоретических расчетов могла бы вызвать только улыбку". С тех пор прошло около 30 лет. и отрадно признать, что за прошедший период в этой области достигнут зна­чительный прогресс.

Он прежде всего связан с успехами электронной микроскопии деформированных материалов и сплавов, позволяющей изучить на микромасштабном уровне фундаментальные закономерности возникно­вения, движения и самоорганизации основного типа деформационных дефектов - дислокации. Развитая на этой основе теория дислока­ции позволила дать физическую интерпретацию многих закономер­ностей поведения твердых тел в различных условиях нагружения .

Второй принципиально важный этап в понимании природы плас­тичности и прочности твердых тел связан с развитием физической мезомеханики материалов. Эта наука возникла около 15-ти лет назад на стыке механики сплошной среды, теории дислокации и физического материаловедения. Ее основная задачи - количественно связать движение дислокации на микромасштабном уровне с ин­тегральными механическими характеристиками на макромасштабном уровне, учитывая состав материалов, его внутреннюю структуру и условия нагружения. Сама по себе подобная задача не является новой. Ей посвящены многочисленные исследования. Однако дли­тельное время шли традиционным путем прямого перехода от микро­масштабного уровня к макромасштабному. Этот путь оказался тупи­ковым. Решить математическую задачу самоорганизации 10⁸ - 10¹² дислокации в структурно-неоднородной среде - дело безнадежное. нужно было искать нетрадиционный путь. Его предложила физичес­кая мезомеханика материалов.

В основе физической мезомеханики материалов лежит новая парадигма - концепция структурных уровней деформации твердых тел. Экспериментально и теоретически было обосновано, что рассматриваемый на микроуровне сдвиг как элементарный акт плас­тического течения на самом деле сопровождается поворотными мо­дами деформации на более высоком мезоскопическом масштабном уровне. Поворотные моды вовлекают в самосогласованную деформа­цию всю иерархию структурных уровней нагруженной среды. Нагру­женный материал в ходе пластического течения формирует на мезоуровне диссипативные структуры, способные осуществлять пласти­ческую деформацию по схеме "сдвиг + поворот". Деформируемое твердое тело является, таким образом, многоуровневой иерархи­чески самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо- и макроуровни органически взаимосвязаны.

Оказалось, что на мезоуровне носителями пластического те­чения являются трехмерные структурные элементы (мезообъемы), характер которых зависит от природы материала, его внутренней структуры и условий нагружения. Что особенно важно, закономерности движения трехмерных структурных элементов на мезоуровне и движения дислокации на микроуровне подчиняются закону подобия. Это означает, что для расчета интегральных механических характеристик нет необходимости описывать самоорганизацию слож­ных дислокационных ансамблей на микроуровне. Достаточно описать на мезоуровне законы движения трехмерных структурных элементов, число которых лежит в пределах одного-двух десятков. Самосогла­сование мезо- и микромасштабных уровней можно провести, исполь­зуя теорию дислокации.

Поведение твердых тел под нагрузкой напоминает борьбу двух гигантов: внешних приложенных напряжений и сил связи в кристал­лической решетке твердых тел. Природа наделила кристаллы огром­ными силами связи, если бы при разрушении кристалла приходилось разрывать его силы связи одновременно во всем поперечном сече­нии. то потребовались бы напряжения в десятки тысяч раз более высокие, чем прочность реальных конструкционных материалов.

Но у кристаллов оказалась одна очень большая слабость. В локальных зонах концентраторов напряжений они теряют свою сдви­говую устойчивость и перестраиваются в другую структуру. При этом силы связи не разрываются. Требуется лишь затратить срав­нительно небольшую энергию, чтобы локально переместить атомы ив одних позиций в другие. Однако этого оказалось достаточно, что­бы в кристалле произошел локальный кристаллографический сдвиг. Такие локальные пластические сдвиги развиваются сугубо очагово. Но их самоорганизация обусловливает пластическое течение всего кристалла.

По мере повышения приложенного напряжения кристалл сдает свои позиции постепенно.

Вначале он деформируется чисто упруго, подчиняясь закону Гука. Эта деформация обратима, и все конструкции рассчитываются для нагружения только в упругой области. Но нагрузить однородно любое твердое тело и тем более конструкцию невозможно.

В наибольшей степени это удается при нагружении квазиодномерных нитевидных кристаллов, свободных от дефектов в исходном состоянии. Поэтому их прочность значительно выше прочности обычных трехмерных кристаллов. Но достаточно увеличить диаметр нитевидных кристаллов, как их сопротивление деформации резко падает.

Естественно, что при нагружении структурно неоднородного материала выше предела текучести возникают многочисленные ло­кальные концентраторы напряжений критической величины, в зоне которых локальная сдвиговая устойчивость исходной кристалличес­кой решетки теряется. В этих локальных зонах кристалла рождают­ся фрагменты другой структуры (рис.3.1,а). В поде градиента концентратора напряжений локальное структурное превращение распространяется эстафетно, что воспринимается как движение дислокации в кристалле. При этом концентратор напряжений релаксирует, и распределение напряжений в кристалле становится более однородным. Естественно, что такой механизм обеспечивает очень высокую подвижность дислокации в кристаллической решетке. Крис­таллографический характер движения дислокации в рамках заданных граничных условий (сохранения заданной оси нагружения) обуслов­ливает самоорганизацию дислокационных ансамблей и формирование диссипативных дислокационных структур (рис 3.1,6). В деформиру­емом материале возникает мезоскопическая субструктура, клас­сифицируемая в как мезоуровень I. В проблеме пластичности и прочности твердых тел на микромасштабном уровне дислокации играют фундаментальную роль.

Локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки и связанная с нею пластичность материала определяют первый этап в поведении нагруженного материала. Исходный высо­копрочный кристалл, в ходе пластической деформации наполняется дефектами структуры, которые снижают его общую сдвиговую устой­чивость. Кристалл с дефектами снижает свою прочность, но сохра­няет при этом свою сплошность. Зарождение и движение дислокации - это способ выжить нагруженному материалу как целому, непре­рывно релаксируя возникающие микроконцентраторы напряжений.

С ростом деформирующего напряжения наступает второй этап пластического течения нагруженного материала - возникает ло­кальная потеря сдвиговой устойчивости нагружаемого образца как целого. На мезоконцентраторах напряжений зарождаются потоки де­формационных дефектов., которые движутся в направлении макси­мальных касательных напряжений независимо от кристаллографичес­кой ориентации решетки (рис.3.1,в). Это уже не дислокации, а плоские мезодефекты. Наиболее распространенными из них являются полосы деформации. Каждый та­кой поток реализует одновременно сильнолокализованные сдвиги и развороты материала. Кристаллическая структура исходного мате­риала начинает фрагментироваться. В ряде случаев мезополосовые структуры возникают в материале с самого начала пластического течения: высокопрочные материалы, взрывное нагружение, сверхпластичность , сдвигонеустойчивые состояния.

Но на этом этапе деформации материал перед мезополосой сохраняет еще высокую прочность и рождает мощные встречные нап­ряжения, которые тормозят движение потока дефектов. Последний при этом либо полностью останавливается, либо изменяет направ­ление своего движения на сопряженное. Сохранение глобальной ус­тойчивости материала как целого связано на этом этапе с блоки­ровкой движения потоков деформационных дефектов через все сече­ние деформируемого образца, которое приводит к опасной локали­зации деформации на макроуровне. Но этот успех достигается большой ценой - первоначально сплошной кристаллический материал оказывается разбитым на фрагменты. Границы между фрагментами представляют собой дефектный материал, подобный метастазам ра­ковой опухоли в живом организме- По таким границам легко расп­ространяется трещина. Поэтому фрагментация материала на втором этапе нагружения - это уже стадия предразрушения.

рис. 3.1.

Масштабные уровни потери сдвиговой устойчивости

в деформируемом твердом теле:

а - микро; б - мезо I; в - возникает микроконцентра­тор напряжений, под действием мезо II; г - макро.

Наконец, в деформируемом образце которого происходит глобальная потеря сдвиговой устойчивости во всем поперечном сечении нагру­женного образца. Пластическая деформация локализуется в одном сечении образца в виде одной или двух сопряженных макрополос деформации (рис. 3.1.г). Как внутри макрополос, так и в ок­ружающем материале возникает фрагментация материала, оп­ределяющая стадию его предразрушения, вызывая в нем сильный ло­кальный материальный поворот. На кривой "напряжение - деформа­ция" возникает стадия падения деформирующего напряжения, кото­рую следует рассматривать как самостоятельную пятую стадию пластического течения в рамках общепринятой классификации стадий кривой течения. Заданные граничные условия опреде­ляют распространение в этом сечении магистральной трещины как единственно возможной моды, реализующей поворот противоположно­го знака и компенсирующей материальный поворот локализованного пластического течения. Разрушение образца происходит как завершающая стадия его фрагментации. Глобальная потеря сдвиговой ус­тойчивости во сем сечении образца обусловливает выход деформа­ции на макроуровень и разделение образца на две части. В этом - физическая природа разрушения нагруженного материала иди конс­трукции.

В случае хрупкого разрушения зона действия макроконцентратора напряжений существенно ограничена. В ней одновременно раз­виваются и локализованный сдвиг, и магистральная трещина. Этот процесс эстафетно распространяется через все сечение образца, вызывая его разрушение. Хотя макроскопически разрушение выгля­дит как хрупкое, на берегах трещины всегда обнаруживаются дис­локации как следы очень локализованного потока деформационных дефектов, предшествующего разрушению.

Таким образом, в ходе пластического течения нагруженного твердого тела четко прослеживаются три этапа, каждый из которых связан с потерей его сдвиговой устойчивости на определенном масштабном уровне; микро-, мезо- и макро. Каждому этапу соот­ветствует и свой масштабный уровень концентраторов напряжений. Микроконцентраторы напряжений рождают дислокации кристалличес­кой решетки. Мезоконцентраторы напряжений - мезополосы деформа­ции, которые распространяются в протяженных мезообъемах образца по направлениям максимальных касательных напряжений независимо от кристаллографической ориентации материала. Макроконцентрато­ры напряжений генерируют локализованный во всем поперечном се­чении образца сдвиг и сопровождающую его трещину.

Что же происходит с твердым телом в локальной зоне кон­центратора напряжений? С чем связана локальная потеря его сдви­говой устойчивости? Чем отличаются друг от друга концентраторы напряжений различного масштаба и как они возникают? Что представляют из себя мезополосы деформаций? Наконец, каков механизм разрыва связей в кристаллической решетке при распространении трещины? Вот перечень вопросов, которые неизменно возникают пе­ред физиками в проблеме пластичности и прочности твердых тел.

Однозначного ответа на эти вопросы в настоящее время пока нет. Высказано много мнений часто противоречивых, предложены различные модели. Например, концепции мягких атомных кон­фигураций и дилатона рассматривают материал в состоя­нии предразрушения, качественно отличающемся от основного состояния исходного кристалла. При этом дилатон рассматривается как отрицательная флуктуация плотности, либо как динами­чески структурный дефект.­

Понять специфику состояний в зоне концентраторов напряже­ний можно только в плане общей проблемы сдвиговой устойчивости кристаллической решетки и природы ее изменения при воздействии на кристалл внешних полей.

В условиях, далеких от основного состояния, наряду со структурными состояниями исходного кристалла, в пространстве междоузлий появляются новые разрешенные структурные состояния, заложенные в электронно-энергетическом спектре кристалла. В кристалле возникают новые степени свободы. В локальной зоне кристалла происходит суперпозиция нескольких структур, при этом число атомов соответствует только одной структуре. Появляются свободные вакансии, не связанные с основными уздами решетки. В этих условиях возникают коллективные возбуждения, которые представляют собой кластеры с ближним порядком, отличным от ис­ходного состояния, их устойчивость поддерживается внешним воз­действием в зоне концентратора напряжений- Распад такого кол­лективного возбуждения может рождать все типы деформационных дефектов: дислокации (как фрагменты других структур), потоки точечных дефектов (распространяющиеся по некристаллографическим направлениям), совмещенные потоки дислокации и трещина (как конденсация избыточных виртуальных вакансий при распаде коллек­тивного возбуждения). Тип рождаемых деформационных дефектов за­висит от масштабного уровня концентратора напряжений.

Принципиально важно, что вое типы деформационных дефектов имеют общую природу - их возникновение связано с кинетическим структурным превращением в локальной зоне концентратора напря­жений. По существу, движение всех типов деформационных дефектов происходит через разрешенное состояние, в междоузлиях основной кристаллической решетки, что обеспечивает их высокую подвиж­ность. Потоки точечных дефектов в деформируемом твердом теле связаны не с движением атомов по узлам основной решетки, а с эстафетным перемещением коллективных возбуждений в условиях сильно возбужденных состояний. Такое перемещение необязательно должно происходить по кристаллографическим направлениям.