Пластическая деформация

Пластическая деформация — это необратимое изменение формы материала под действием внешних нагрузок. В отличие от упругой деформации, при которой материал возвращается к исходной форме после снятия нагрузки, пластическая деформация приводит к постоянным изменениям структуры. Этот процесс тесно связан с движением дефектов кристаллической решётки, таких как дислокации, и с микроструктурными процессами в полимерах, металлах и композитах.

Ключевыми характеристиками пластической деформации являются:

  • Предел текучести (σтек) — напряжение, при котором начинается пластическая деформация.
  • Упруго-пластическая граница — точка перехода от чисто упругого поведения к пластическому.
  • Пластическая текучесть — способность материала выдерживать пластические деформации без разрушения.

Механизмы пластической деформации

1. Деформация за счёт скольжения

Скольжение — основной механизм пластической деформации кристаллических материалов. Он заключается в перемещении дислокаций вдоль определённых кристаллографических плоскостей и направлений.

  • Плоскости скольжения — наименее плотные атомные слои, где атомы могут смещаться с минимальными энергетическими затратами.
  • Направления скольжения — векторы, по которым дислокации перемещаются с наименьшим сопротивлением.
  • В металлах с кубической гранецентрированной решёткой (FCC) существует 12 систем скольжения, что делает их пластичными при комнатной температуре.

2. Деформация за счёт двойников

Двойники — это локальные симметричные искажённые области кристалла, возникающие при напряжениях ниже предела скольжения. Данный механизм характерен для гексагональных и плотнозакрытых структур, где скольжение ограничено. Двойниковая деформация позволяет материалу изменять форму без активного движения всех дислокаций.

3. Деформация вязко-пластическая

Этот механизм характерен для аморфных материалов (полимеры, стекла) при высоких температурах. Здесь пластическая деформация проявляется через локальные сдвиги молекулярных цепей и зон вязкого течения, что обеспечивает длительное сопротивление разрушению.

Законы и критерии пластической деформации

Для описания пластического поведения материалов применяются различные модели и критерии:

  1. Критерий Мisesа (напряжения эквивалентные): Пластическая деформация начинается, когда эквивалентное напряжение σэкв достигает критического значения σтек:

    $$ \sigma_\text{экв} = \sqrt{\frac{1}{2}[(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2 + (\sigma_3 - \sigma_1)^2]}. $$

  2. Критерий Трески (максимального нормального напряжения): Пластическая текучесть наступает, когда наибольшее нормальное напряжение достигает предела текучести.

  3. Модель упруго-пластической зависимости: Напряжение-деформация описывается с учётом упругой составляющей и пластического уклона:

    σ = E ⋅ εупр + σпласт.

Закалка и упрочнение металлов

Пластическая деформация тесно связана с процессами упрочнения металлов. Основные методы:

  • Холодная пластическая деформация — приводит к росту плотности дислокаций, что увеличивает прочность и снижает пластичность.
  • Термическая обработка — рекристаллизация и отжиг позволяют удалить накопленные дефекты и восстановить пластичность.
  • Легирование и фазовое упрочнение — введение твердых растворов или образование вторичных фаз затрудняет движение дислокаций, повышая предел текучести.

Пластическая деформация в полимерах

Для полимеров характерны следующие особенности:

  • Деформация включает вытягивание и ориентацию молекул вдоль направления нагрузки.
  • Процесс делится на эластичное растяжение, холодное вытягивание и разрыв.
  • Пластические деформации сопровождаются вязкоупругими эффектами, которые зависят от температуры и скорости деформации.

Микроструктурные эффекты

Пластическая деформация сопровождается изменениями микроструктуры материала:

  • Рост и взаимодействие дислокаций увеличивают твёрдость.
  • Образование клеточной структуры при интенсивной деформации.
  • Механическое старение — процессы, приводящие к увеличению прочности с течением времени под нагрузкой.
Оглавление