ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ (от греч. πλαστιϰός – годный для лепной работы, податливый, пластичный), свойство твёрдых тел под действием определённых механич. нагрузок необратимо изменять свои размеры и форму (пластически деформироваться) без разрушения. Пластич. деформации вызываются механич. нагрузкой, величина которой превышает т. н. предел упругости, и сохраняются в теле после снятия нагрузки. П. – одна из важнейших характеристик механич. свойств всех деформируемых твёрдых тел. Отсутствие П. или низкая П. называется хрупкостью.
Стандартным экспериментом, дающим общее представление о свойстве П. и позволяющим определить осн. характеристики механич. свойств материала, является одноосное растяжение цилиндрич. образца. Результат эксперимента представляется в виде диаграммы деформирования (рис.) – зависимости между напряжением $σ=P/F$ и относит. продольной деформацией образца $ε=Δl/l$ (здесь $P$ – растягивающая сила, $F$ – начальная площадь поперечного сечения образца, $l$ – текущая длина образца, $Δl$ – разность между текущей и начальной длинами образца).
При небольших напряжениях возникают обратимые (упругие) деформации. Точка $A$ на диаграмме соответствует т. н. пределу пропорциональности $σ_п$ материала, т. е. макс. напряжению, при котором ещё справедлив Гука закон. Наибольшее напряжение, которое может выдержать данный материал, не обнаруживая остаточных деформаций при разгрузке (предел упругости), немного не совпадает с пределом пропорциональности, но обычно этим различием пренебрегают. При дальнейшем увеличении растягивающей силы связь между $σ$ и $ε$ становится нелинейной и необратимой. На участке $CD$ длина образца существенно изменяется без заметного увеличения нагрузки (в тех случаях, когда участок $CD$ горизонтальный, он называется площадкой текучести); точка $C$ соответствует пределу текучести материала $σ_s$. Если на диаграмме отсутствует площадка текучести (рис., б), говорят об условном пределе текучести как о напряжении, при котором появляются остаточные деформации заданной величины. Напр., условным пределом текучести $σ_{0,2}$ называют напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение $δ=0,2%$.
Перед площадкой текучести на диаграмме иногда наблюдается временное повышение напряжения перед началом текучести (рис., а) – т. н. зуб текучести (в этом случае говорят о верхнем и нижнем пределах текучести, определяющих величину «зуба»). Деформации, возникающие в теле при нагрузках, превышающих предел текучести, называются упругопластическими. Материал в это время как бы течёт: в образце появляются большие удлинения без увеличения напряжений.
На участке $DP$ удлинение образца сопровождается ростом нагрузки, но значительно более медленным, чем на участке упругости $OA$. В точке $P$ деформация перестаёт быть однородной, в образце образуется шейка – местное сужение. Отношение макс. силы, которую способен выдержать образец без разрыва, к начальной площади поперечного сечения называется прочности пределом (или временным сопротивлением) $σ_в$. Процесс деформации от момента образования шейки до разрушения происходит при уменьшающейся растягивающей силе. Напряжение в момент разрыва (точка $H$), рассчитываемое как отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения шейки в месте разрушения, называется истинным сопротивлением разрыву.
Снятие нагрузки (разгрузка) от произвольной точки $M$ участка $DP$ описывается отрезком $MM′$, примерно параллельным отрезку $OA$. При полном снятии нагрузки в образце сохраняется остаточная деформация, соответствующая отрезку $OM′$. При повторной нагрузке диаграмма пойдёт примерно по той же прямой $MM′$, а при дальнейшем увеличении нагрузки – по кривой $MP$. Т. о., при повторной нагрузке материал ведёт себя как упругий, но наблюдается увеличение предела текучести по сравнению с первоначальным значением $σ_s$. Повышение предела текучести при повторной нагрузке называется упрочнением, а участок $DP$ – зоной упрочнения.
Если после разгрузки от некоторого напряжения, превышающего $σ_s$, приложить к образцу нагрузку противоположного знака (сжатие), то диаграмма, лежащая ниже оси абсцисс, вначале будет иметь прямолинейный участок, соответствующий упругим деформациям. Пластич. деформации при сжатии появляются лишь при некотором напряжении, величина которого меньше $σ_s$ (т. н. эффект Баушингера). Если в точке $Q$ вновь сменить знак нагрузки, то диаграмма пойдет по линии $QR$, почти параллельной линии $OA$.
Процессы разгрузки и последующей нагрузки в реальном эксперименте выглядят сложнее, чем показано на рисунке. В теоретич. исследованиях и расчётной практике реальные диаграммы деформирования часто заменяют идеализиров. схемами. Характер поведения материала в процессе нагружения, разгрузки, вторичного нагружения и т. д. показывает, что зависимость между напряжением и деформацией не может быть представлена функцией, т. к. одному значению $ε$ могут соответствовать разл. значения $σ$ при разных процессах деформирования. Осн. задача математич. теории П. в механике – построение и анализ определяющих соотношений, задающих связь между тензорами напряжений и деформаций.
Способность материалов пластически деформироваться широко используется в технике, в частности в разнообразных технологиях обработки материалов давлением для получения изделий заданной формы и размеров. Вместе с тем во многих сооружениях, конструкциях, изделиях (ж.-д. мосты, детали машин, пружины, упругие элементы приборов и др.) по условиям их эксплуатации появление пластич. деформаций нежелательно или недопустимо. Поэтому изучение П. представляет не только научный, но и практич. интерес. Разл. аспекты теории П. являются предметом исследований в физике твёрдого тела (теория дислокаций, физика прочности и П.), механике деформируемого твёрдого тела (математич. теория П.), теории обработки металлов давлением, материаловедении и др.
