.png)
Современное понимание пластической деформации твёрдых кристаллических тел основано на синергетических представлениях о физике этого явления. С позиций синергетики пластически деформируемое тело рассматривается как сильно неравновесная самоорганизующаяся многоуровневая система, в которой происходит эволюция потери сдвиговой устойчивости кристаллической решётки на микро-, мезо- и макроскопическом структурных уровнях строения. Начало этого процесса связано с серией последовательных актов релаксации микроконцентраторов напряжений. В их ходе в прилегающих областях кристалла возникают первичные сдвиги. Они приводят либо к местному снижению упругих напряжений, либо к скачкообразной пластической деформации. Вначале сдвиги хаотичны, однако уже к концу стадии микропластичности они взаимно коррелируют так, что каждый из них вызывает появление следующих. Происходит лавинообразное развитие множественного скольжения, выражающееся в образовании полосы Людерса — Чернова, которая распространяется в направлениях наибольших касательных напряжений независимо от кристаллографической ориентации решётки. На этой стадии, кроме сдвигового движения вещества (трансляции), возникают ориентационные повороты (ротация) смежных частей кристалла. Оба процесса приводят к формированию макроскопической двухкомпонентной трансляционно-ротационной волны пластической деформации. Она представляет собой сложную пространственно-временную структуру, отражающую синергетику таких коллективных эффектов самоорганизации, как механическое движение вещества (пластическое течение), процессы диссипации, деформационное упрочнение и т. д. Длина волны пластической деформации линейно зависит от размеров кристаллического тела в целом и лога¬рифмически от размеров отдельных его зёрен. Её фазовая скорость оценивается в пределах 10.5 — 10.3 м/с. Она зависит от физических свойств материала, а также условий нагружения [1, 2].
Распространение волн пластической деформации происходит за счёт последовательных переключений деформационного возмущения на сопряжённые направления наибольших касательных напряжений. Это обуславливает осциллирующий характер пластического течения [3]. Явление возникновения осцилляций при пластическом течении твёрдых кристаллических тел известно как прерывистая текучесть. Впервые на его волновую природу указал Э.А. Мак — Рейнольдс в 1949 году [4]. На диаграмме а — е прерывистая текучесть выражается во множестве циклов резкого, почти вертикального, приращения напряжения при очень малой деформации с последующим скачкообразным приращением деформации при почти постоянном напряжении. В результате кривая а — е приобретает ступенчатый вид. С ростом степени деформации высота уступов на ней уменьшается и кривая а — е сглаживается. Прерывистая текучесть наблюдается при деформировании практически всех пластичных материалов. При этом она до сих пор остаётся слабо изученной. Касающиеся её сведения отрывочны, плохо систематизированы и зачастую противоречивы [5]. Можно предположить, что их неоднозначность связана и с тем, что для их получения, как правило, применялись традиционные методы исследования, обычно не позволяющие достаточно достоверно отразить волновую природу явления.
Со времени открытия волн пластической деформации наиболее удобными для их изучения считаются оптические методы [4]. Простейшим среди них является метод спеклинтерферометрии [1]. Он позволяет визуально наблюдать за общей картиной мезо- и макроскопического распространения пластических волн во всех случаях, когда на кривой а — е имеется площадка текучести или стадия лёгкого скольжения [2, 6]. Для детализации картины развития пластической деформации был предложен метод, получивший условное название метода тонкой спеклографии. Он основан на общих закономерностях волновой оптики. Его прототипами являются эксперименты А.Ф. Иоффе, П.С. Эренфеста и М.В. Классен — Неклюдовой [7], а также методика исследований Дж.Ф. Белла [4]. Идея метода состоит в деформировании образца, на гладкую поверхность которого (шероховатость Rа 0,32 — 0,16) предварительно был нанесён штриховой профиль с периодом порядка длины волны видимого света. Его удобнее всего выполнить с помощью делительной машины для нарезания дифракционных решёток. По сути это поперечно-строгальный станок с очень большим передаточным отношением кинематической цепи гитары подач. С изменением степени деформации период штрихового профиля будет изменяться, соответственно будет изменяться и оптическая картина, наблюдаемая в отражённом от поверхности образца свете. Поскольку период профиля по своему порядку близок длине волны падающего света, регистрация таких изменений позволит судить о деталях развития пластического течения во времени.
Для проверки высказанных предположений были выполнены эксперименты по одноосному растяжению меди (99,7% Сu) при комнатной температуре. Стандартные плоские образцы с галтелями вырезались из листового проката вдоль направления прокатки. Для стабилизации структуры и снятия наклёпа они подвергались отжигу. На поверхность образцов наносился штриховой профиль с периодом 100 мм — 1. Затем выполнялась окончательная доводка и притирка поверхности. Растяжение осуществлялось на гидравлическом испытательном комплексе «Агт31гопд». Это было продиктовано стремлением исключить влияние вибрационного «шума», характерного для механических испытательных машин. Скорость деформации составляла 0,005 — 1. Выбор этого режима был продиктован тем, что собственная динамика пластического течения проявляется, если параметры нагружения согласуются со скоростью распространения волн пластической деформации [8]. При растяжении поверхность образца освещалась монохроматическим (лазерным) светом с длиной волны 694 нм. Применение монохроматического излучения позволило упростить наблюдаемую оптическую картину за счёт исключения остальных спектральных составляющих. Эта картина регистрировалась в отражённом свете с помощью электронного фотоумножителя. Её обработка позволила получить зависимость степени деформации образца е от времени I. Одновременно велась запись «обычной» диаграммы растяжения.
В ходе экспериментов наблюдалось самое обыкновенное развитие пластической деформации меди на макроуровне (рис. 1). Путём тензометрических измерений были зарегистрированы пилообразные колебания напряжений а при пластическом течении, характерные для прерывистой текучести. Впервые они были описаны А. Ж. Дюло в 1820 году [4, 5]. Их фрагмент показан на рис. 2. Графическое масштабирование позволило подчеркнуть периодичность колебаний, а также выделить их ретардационную и релаксационную составляющие. Даже из фрагмента на рис. 2 видно, что с развитием деформации высота максимумов напряжений возрастает из-за упрочнения, а степень их релаксации уменьшается. Это свидетельствует о постепенном энергетическом перенасыщении деформируемого объёма и усилении неравновесности его состояния. Влияние обоих факторов на ход пластической деформации рассмотрено в работе [8]. Синергетически их взаимосвязь, с одной стороны, обуславливает эволюцию потери сдвиговой устойчивости деформируемого объёма вплоть до макроскопического уровня, а с другой — обуславливает разрушение как следствие глобальной потери сдвиговой устойчивости [2].
.png)
Гораздо больший интерес вызвала спеклографическая зависимость степени деформации е от времени I. Её сильно увеличенный фрагмент показан на рис. 3. На нем чётко наблюдаются осцилляции пластического течения в виде периодически повторяющихся актов скачкообразного удлинения образца. Оптические измерения смещения штрихов на поверхности образца показали, что за один акт удлинение составляет порядка нескольких микрометров. Общее количество осцилляций до разрушения составило около полутора тысяч! Похожие наблюдения были сделаны в экспериментах А.Ф. Иоффе и М.В. Классен — Неклюдовой [7]. Сравнивая графики на рис. 2 и 3, нетрудно заметить, что осцилляции пластического течения и колебания действующих напряжений происходят примерно с одинаковой частотой. Это было расценено как проявление сдвигово-релаксационного механизма распространения волн пластической деформации. Примечательно, что частота осцилляций и величина связанных с ними приращений деформации близки к теоретическим значениям, приведённым в работе [9]. На рис.4 показаны несколько отдельных осцилляций в начале (1), в середине (2) и в конце нагружения (3, 4), причём осцилляция (4) является одной из предшествующих разрушению. Для удобства сравнения они сведены к общему началу отсчёта. Из рисунка видно, что интенсивность, протяжённость и продолжительность осцилляций уменьшаются, а их частота возрастает. Это связано со снижением пластичности образца из-за упрочнения. Непосредственно перед разрушением осцилляции сливаются и становятся почти неразличимыми. Такую же закономерность А.Ф. Иоффе обнаружил не только при деформировании металлов (цинка), но и каменной соли [7]. Заслуживает внимание и то, что развитие каждой отдельной осцилляции происходит по параболическому закону. С развитием деформации коэффициенты парабол осцилляций изменяются вследствие изменения механических свойств тела. Это соответствует теории Дж.Ф. Белла о квантовании коэффициентов параболической функции отклика при конечных деформациях в пластической области [4]. Параболический вид осцилляций пластического течения соответствует современным синергетическим представлениям, в соответствии с которыми макроскопическое поведение твёрдого тела является интегральной суммой деформационных процессов, происходящих на микро- и мезоскопическом структурных уровнях.
.png)
.png)
Проведённые исследования позволили сделать вывод, что предложенный метод спеклографии позволяет получать результаты, достаточно достоверно волн пластической деформации при статическом и квазистатическом нагружении. Он может применяться для изучения прочности, пластичности или ползучести металлов и их сплавов в тех случаях, когда точность других методов не является достаточной. Метод может быть усовершенствован применением современной цифровой регистрирующей аппаратуры.