книги из ГПНТБ / Гольденблат И.И. Теория ползучести строительных материалов и ее приложения

Таблица

Сравнение явлений деформаций и разрушений, наблюдающихся в металлах и минералах

рис. 1.31 и 1.32. На рис. 1.33 показано изменение со временем деформаций упругого последействия в опыте с изгибом дере­ вянного бруска. Мы ограничимся этими замечаниями, отсылая читателя, который заинтересуется явлениями ползучести древе­ сины, к оригинальным работам.

29

Отмеченные особенности процесса ползучести некоторых строительных материалов имеют весьма важное значение, так как они показывают, что процесс ползучести зависит не только от свойств самого материала, но и от условий среды, особенно­ стей нагружения и т. д.

Рис. 1.33

3. устойчивость процесса деформации

Рассмотрим находящееся в равновесии деформированное некоторыми внешними силами тело. Нас будут интересовать состояния устойчивого равновесия, т. е. равновесия, не нарушае­ мого бесконечно малыми изменениями объемов или бесконечно малыми сдвигами, возникающими вследствие различных случай­ ных причин.

го

Требование механической устойчивости, как показывается в термодинамике, приводит к неравенствам

(1.07) -накладывает определенные ограничения на формы связи между сие, при которых возможны устойчивые процессы деформации.

Рассматривая деформированное тело, находящееся в равно­ весии в течение длительного промежутка времени, необходимо к требованиям механической устойчивости его присоединить тре­ бования его термодинамической устойчивости (т. е. требование сохранения им минимума свободной или потенциальной энергии, см. главу III). Дело в том, что механическое равновесие в дан­ ном материале устанавливается со скоростью порядка скорости звука, в то время как термодинамическое равновесие — значи­ тельно более медленно.

Если нагружение тела производится в течение промежутков времени, малых по сравнению со временем термодинамической релаксации, то поведение системы практически определяется только условиями механического равновесия. Иногда переход к термодинамическому равновесию требует столь значительных промежутков времени, что тело, термодинамически не устойчи­ вое, практически будет устойчивым. Известно, что многие спла­ вы, закаленные с высоких температур, представляют собой неустойчивыефазы. С этим обстоятельством приходится счи­ таться только при длительном действии нагрузки, т. е. при изу­ чении ползучести этих сплавов.

Изучение процессов ползучести неустойчивых и относительно устойчивых (метастабильных) сплавов и других материалов в настоящее время только начинается. То обстоятельство, что эти материалы с течением времени меняют свои свойства, силь­ но затрудняет изучение процессов их ползучести.

4. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Законы деформации различных сред можно иллюстрировать посредством простых механических, или, как их в настоящее время называют, реологических, моделей.

Деформация чисто упругой среды, подчиняющейся закону Гука

<з= Ег,

может быть проиллюстрирована процессом деформации пружи­ ны (рис. 1.34).

Деформация вязкой среды, подчиняющейся закону вязкости Ньютона

°— Р — > dt

31

может быть проиллюстрирована при помощи модели, состоящей

жет быть проиллюстрирована при помощи модели, состоящей из двух пластинок, по площади контакта которых развивается кулоново трение (рис. 1.36).

Комбинируя эти исходные модели, мы можем проиллюстри­ ровать процессы деформации сред, обладающих более слож-

ными свойствами, чем упругая, вязкая или жестко-пластическая среда. Так, например, модель, показанная на рис. 1.37, изобра­ жает упруго-пластическую среду. Модель, показанная на рис. 1.38, изображает упруго-вязкую среду, деформация которой описывается уравнением

а — Ег и. —.

г dt

Модель, показанная на рис. 1.39, изображает среду, дефор­ мация которой подчиняется уравнению Максвелла

Модель, показанная на рис. 1.40, изображает вязко-пластиче­ скую среду. Модель, показанная на рис. 1.41, изображает среду, деформация которой описывается уравнением

Деформация среды с более сложной структурой изображает­ ся моделью, показанной на рис. 1.42, и т. д.

32

Можно рассматривать, наконец, модели сред с непрерывным распределением 'параметров, характеризуемых однотипными элементами. Законы деформации таких сред описываются неко­ торыми интегральными соотношениями. К этого рода средам

принадлежит, например, среда Больцмана, деформация которой описывается уравнением

I

a(t) = Ee{t)+(1.08)

I6

Рио. 1.41 Рис. 1.42

Большое значение реологических моделей заключается в том,

что они дают наглядную иллюстрацию процессов деформации весьма сложных сред.

5. ПРИРОДА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПОЛЗУЧЕСТИ МЕТАЛЛОВ ПО СОВРЕМЕННЫМ ФИЗИЧЕСКИМ ВОЗЗРЕНИЯМ

Как известно, тела по их строению делятся на кристалличе­ ские и аморфные. У кристаллических тел атомы или молекулы расположены в строго определенном геометрическом порядке, образуя так называемую пространственную решетку.

Рис. 1.43 Рис. 1.44 Рис. 1.45

На рис. 1.43, 1.44 и 1.45 показаны некоторые типичные при­ меры пространственных решеток кристаллических тел. У аморф­ ных тел атомы и молекулы, образующие их, расположены беспо­ рядочно (рис. 1.46). Примером кристаллических тел могут служить все металлы и сплавы. В качестве примеров аморфных тел можно указать стекло, канифоль, смолы и т. п.

Кристалл

Рис. 1.46

При свободном, естественном, образовании кристаллов они всегда приобретают правильную геометрическую форму, отра­ жающую их внутреннее строение. Наоборот, аморфные тела, образующиеся при затвердевании, не имеют правильной внеш­ ней формы.

Процесс кристаллизации металлов происходит следующим образом. Как только жидкий металл остынет до определенной температуры, в нем образуются зародыши кристаллов — так

34

Эти менее вероятные расположения сводятся к нарушениям пра­ вильности структуры кристалла. Число нарушений быстро увеличивается с увеличением температуры. Возникающие нару­ шения могут быть столь значительны, что в отдельных узлах решетки атомы могут отсутствовать, в то время как в других местах атомы вклиниваются в пространства между узлами решетки — в так называемые междуузлия. Узлы решетки с от­ сутствующими атомами называются «дырками», а атомы, попав­ шие в междуузлия, носят название дислоцированных атомов.

Рис. 1.48

Относительное количество этих, по выражению Я. И. Френкеля [13], «нарушителей порядка», т. е. дырок и дислоцированных атомов, может служить показателем степени отступления ре­ ального кристалла от идеального.

Дырки и дислоцированные атомы не занимают раз навсегда неизменных положений в кристалле. Пробыв в течение некото­ рого промежутка времени в определенных местах кристалла, они переходят в одно из окружающих эквивалентных положе­ ний. Находящийся в междуузлии дислоцированный атом под действием тепловых колебаний может перескочить в другое со­ седнее положение, так же как и в свободный от атома узел ре­ шетки, а в дырку может перескочить соседний атом, что экви­ валентно перемещению дырки в соседнее положение.

Таким образом, атомы движутся по всему кристаллу, непре­ рывно перемешиваясь. Процесс перемешивания при обычных

36

температурах происходит очень медленно, при повышении тем­ пературы скорость его быстро возрастает. При достаточно быстром понижении температуры имеющиеся в кристалле дырки соединяются, или, употреб­ ляя термин коллоидной хи­ мии, коагулируют, друг с другом, создавая внутри кристалла микроскопи­ ческие полости. Дефекты структуры, наблюдаемые в металлических слитках, повидимому, имеют в своей основе эти процессы коагу­ ляции, так как в условиях современных технологиче­ ских процессов по производ­ ству металла и изделий из него сплавы довольно бы­ стро охлаждаются. Последу­

ющая холодная обработка

Рис. 1.49

не способна устранить ми­ кроскопические полости, об-

разевавшиеся в отдельных кристаллах металла, так как эти по­ лости заполняются растворенными в металле газами. Не оста­ навливаясь подробнее на условиях образования дефектов струк­ туры металла, отсылаем читателя к книге [13].

Рис. 1.50

Многочисленные исследования, проводившиеся в течение последних десятилетий, показали, что пластическая деформация кристаллов происходит путем смещения частей кристаллов вдоль определенных кристаллографических плоскостей — плос-

37

костей скольжения. Схематически это явление показано на рис. 1.51 и 1.52. Можно усмотреть, что отдельные блоки кристал­ ла движутся один относительно другого подобно тому, как про исходит движение игральных карт в колоде. Детальные иссле­

дования показали, что скольжение происходит обычно вдоль плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов. Сам процесс скольжения носит прерывистый необратимый характер, причем, как показали детальные исследования, в кристалле вдоль плос­

38