В твердых телах существуют достаточно большие силы взаимосвязи атомов, чтобы противостоять действию силы тяжести, и без воздействия внешних сил твердые тела сохраняют свою форму и размеры. Приложение внешних сил к твердому телу вызывает изменение его формы и размеров, что сопровождается изменением расстояния между отдельными материальными точками, составляющими данное тело, или же изменением размеров и формы элементарных объемов, на которые можно разделить рассматриваемое твердое тело. Для оценки величины формоизменения вводят понятие деформации.
Различают деформации линейные, угловые, поверхностные и объемные. Эти виды деформаций могут относиться как к элементарному объему, выделенному в твердом теле, так и ко всему телу.
Линейные деформации характеризуют изменение какого-либо одного размера. Угловые деформации характеризуют изменение угла между какими-либо двумя линиями, проведенными в деформируемом теле.
Поверхностные деформации характеризуют изменение площади какого-либо сечения или участка поверхности.
Объемные деформации характеризуют изменение объема. Указанные деформации, в свою очередь, можно разделить на абсолютные, относительные и логарифмические.
Абсолютная деформация выражает абсолютное изменение какого-либо линейного размера, углового размера, площади сечения или участка граничной поверхности элемента, выделенного в деформируемом теле, или всего тела.
Относительная деформация характеризует относительное изменение тех же величин. Обычно относительную деформацию определяют как отношение абсолютного изменения какого-либо параметра (абсолютной деформации) к первоначальному значению этого параметра. Логарифмическая деформация является разновидностью относительной деформации. Она представляет собой натуральный логарифм отношения измененного в результате деформирования размера к первоначальному размеру элемента тела или всего тела до начала деформирования. Степень деформации является относительной деформацией, характеризующей общее формоизменение деформируемого тела. При неравномерном распределении деформаций в теле степень деформации дает представление о некоторой средней для всего тела величине деформации. В последующем изложении будут даны некоторые уточнения и дополнения к этим понятиям. Заметим, что так как формоизменение есть процесс, протекающий во времени, то деформации можно определять для любого, в том числе и конечного, момента деформирования.
Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении действия внешних сил и твердое тело полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию называют упругой деформацией.
Если же при прекращении действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, То такую деформацию называют пластической (остаточной) деформацией.
Как упругая, так и пластическая деформация происходят без разрушения деформируемого тела или отдельных его участков (без нарушения сплошности). Способность твердого тела получать пластические деформации называют пластичностью . Пластичность можно оценивать максимальной величиной пластической деформации, которую можно получить без разрушения деформируемого тела. Пластичность зависит от условий деформированиями ее следует рассматривать не как свойство какого-либо материала, а как его состояние. Расстояния между атомами в твердых телах имеют определенную величину, зависящую от рода материала, его химического состава и температурных условий и изменяющуюся в данном теле в весьма узких пределах. Величины межатомных расстояний устанавливаются в результате силового взаимодействия между атомами.
Между атомами действуют силы притяжения и силы отталкивания, и величина межатомных расстояний определяется условием равенства этих противодействующих сил.
Равновесное положение атомов при одновременном действии сил притяжения и отталкивания возможно, если интенсивность изменения этих сил по мере изменения межатомного расстояния различна. Схематично можно считать, что с удалением атомов одного от другого убывают и сила притяжения, и сила отталкивания, но убывание это происходит с разной интенсивностью, Величина межатомного расстояния а соответствует равенству сил притяжения и отталкивания и, следовательно, минимуму потенциальной энергии. Увеличение межатомного расстояния по сравнению с расстоянием, соответствующим положению равновесия, приводит к тому, что сила притяжения Р2 по абсолютной величине Рис. 1.1 становится больше силы отталкивания Ри и, следовательно, для удаления атомов от положения равновесия требуется приложить внешнюю, как бы растягивающую силу. Наоборот, при х<а для уравновешивания избыточной силы отталкивания необходимо приложить внешние, как бы сжимающие силы.
Силовое взаимодействие атомов в твердом теле намного сложнее рассмотренного нами взаимодействия между двумя атомами, так как каждый атом окружен атомами, расположенными в трехмерном пространстве, и находится в силовом взаимодействии не с одним, а со значительным количеством атомов. В зависимости от степени упорядоченности взаимного расположения атомов различают аморфные твердые тела и кристаллические.
Кристаллическое строение твердого тела характеризуется идентичностью взаимного расположения атомов на расстояниях, значительно превышающих межатомные, или, что то же, характеризуется трехмерной повторяемостью одного и того же элемента строения на значительные расстояния (дальний порядок). Аморфное строение твердого тела характеризуется отсутствием упорядоченного взаимного расположения атомов с дальним порядком.
Любая деформация — и упругая, и пластическая — может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. При упругой деформации величина смещения атомов из положений равновесия не превышает расстояния между соседними атомами. Однако вследствие изменения межатомных расстояний упругая деформация вызывает обратимое изменение объема. Обратимое изменение объема составляет, например, при всестороннем сжатии давлением, равным 100 кгс/мм2, для стали —0,6%, для меди —1,3%.
При упругих деформациях смещение атомов из положения равновесия возрастает с увеличением элементарных сил, вызывающих это смещение. Для металлов в определенных пределах нагружения обычно существует пропорциональная зависимость между деформирующими силами (напряжениями) и смещениями атомов из положений равновесия (деформациями), которая соответствует условиям упругой деформации и известна как закон Гука. Однако существуют материалы, например резина, для которых в пределах упругих деформаций отсутствует линейная связь между напряжениями и Деформациями (нелинейно упругие материалы).
С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает. Смещение атомов из положения равновесия является реакцией на действие внешних сил на все твердое тело или его отдельную часть. В любых условиях нагружения действие внешних сил на тело уравновешивается противодействием межатомных сил, стремящихся вернуть атомы в положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии.
Однако увеличение потенциальной энергии тела за счет смещения атомов из положения равновесия не может происходить безгранично. При достижении определенного предела потенциальной энергии атомы получают возможность смещаться на расстояния большие, чем межатомные расстояния ненагруженного твердого тела. В этом случае после снятия внешних усилий атомы не возвращаются в свои исходные положения равновесия, а занимают новые положения устойчивого равновесия. Сумма смещений атомов в новые положения равновесия создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.
Для того чтобы смещение атомов в новые положения равновесия не приводило к нарушению сплошности, необходимо, чтобы в процессе такого смещения атомы не удалялись один от другого на расстояния большие, чем размеры зоны активного действия сил взаимного притяжения атомов. Под нагрузкой атомы всегда смещены из положений равновесия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформирования общая (полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформирующих сил. Это есть так называемый закон наличия упругой деформации при пластическом деформировании.
Так как при снятии деформирующих сил после пластического деформирования атомы стремятся занять положения равновесия (новые) и установить исходные межатомные расстояния, пластическая деформация не может приводить к сколько-нибудь заметному изменению объема деформируемого тела.
