В області пружної деформації, де діє закон Гука, у металів і сплавів спостерігається ряд відхилень від чисто пружної поведінки. Деякі з цих відхилень відомі вже дуже давно, однак природа неповної пружності металів розкрита лише останніми десятиліттями.
Одним із відомих проявів неповної пружності металів є ефект Баушингера. Він полягає у тому, що при повторному навантаженні пластично слабодеформованого зразка у зворотному напрямі його опір малим пластичним деформаціям знижується. Припустимо, ми розтягнули зразок на 1–2% (до точки ? на рис. 5.5). Тепер знімемо навантаження і піддаватимемо його стискуванню. Крива напруження – деформація (о`ес) лежатиме нижче відповідної кривої, яку ми одержали б при повторному розтягуванні. Якщо точка b відповідає тут початку пластичної деформації, то відрізок bc-?Б становить так звану баушингерівську деформацію, яка є однією з основних кількісних характеристик ефекту Баушингера. Процес, що визначає цей ефект, полягає у зворотному русі дислокацій, породжених різними джерелами при первинному розтягуванні. На початкових стадіях деформації число петель генерувальних дислокацій, що поступово зростає, рухається відносно легко і на значні відстані аж до зупинки біля яких-небудь бар'єрів. Виникла структура дислокації достатньо стабільна і мало змінюється внаслідок розвантаження. Тому при повторному розтягуванні опір деформації або дещо зростає, або практично не змінюється в порівнянні з первинним. При зміні ж знака напруження дислокації вимушені рухатися назад у напрямку до джерел. У результаті переміщення дислокацій з'являється додаткова баушингерівська деформація.
Рисунок 5.5 – Схема ефекту Баушингера
Рисунок 5.6 – Схема пружного результату післядії
Після значної попередньої пластичної деформації перерозподіл дислокацій при зворотному навантаженні утруднюється і баушингерівська деформація наближається до нуля.
Особливо велике практичне значення має ефект Баушингера під час експлуатації і випробувань в умовах циклічного навантаження.
До важливих проявів неповної пружності металів належить пружна післядія. Вона свідчить про те, що не вся зворотна деформація металу є чисто пружною. Візьмемо зразок і створимо в ньому напруження в межах пружної ділянки кривої напруження - деформація. Після розвантаження такий зразок матиме ті самі розміри, що й до навантаження. Простежимо, як змінюватиметься його подовження в часі під дією прикладеного напруження і після розвантаження. Відповідна діаграма подана на рис. 5.6. Виявляється, що наш зразок деформується чисто пружно, тобто зі швидкістю, близькою до швидкості звуку, лише на величину ОС, а потім подовжується набагато повільніше, згідно із законом, близьким до параболічного. Після розвантаження в точці відбувається дуже швидке зняття чисто пружної К деформації (КМ ? ОС), а потім – відносно повільне – решти деформації. Врешті ? = 0 (у точці N), зразок має вихідні розміри, однак зрозуміло, що далеко не вся зворотна деформація є чисто пружною.
Механізм пружної післядії може бути пов'язаний з переміщенням точкових дефектів, наприклад, у металах з ОЦК ґратками – атомів домішок проникнення. До навантаження ці атоми розміщуються у міжузловинах, наприклад на середині ребер кубічних ґраток, статистично рівномірно (рис. 5.7 а). Під дією напруження відбувається поступовий перерозподіл домішкових атомів – вони прагнуть зайняти міжвузловини на ребрах уздовж осі навантаження (рис. 5.7 б), де вони викликають найменші спотворення ґраток. У результаті ґратки і весь зразок залишково подовжуються уздовж напряму дії навантаження. Причому відбувається це не миттєво. Оскільки перехід домішкових атомів у нове положення вимагає дифузійних перескоків, він триває достатньо довгий час. Після розвантаження відбувається зворотний перерозподіл домішкових атомів, і зразок набирає вихідних розмірів (ділянка МN, рис. 5.6).
Швидкість пружної післядії, а також його величина залежать від структури матеріалу та умов його випробування. Збільшення гетерогенності структури, неоднорідність пластичної деформації, полегшення її під впливом різних факторів підсилюють ефект пружної післядії. Наприклад, підвищення температури різко збільшує швидкість післядії (у цинку – на 50% при підвищенні температури на 15 °С).
а б
Рисунок 5.7 – Перерозподіл атомів домішки проникнення в ОЦК металу під дією напруження до наванта-ження (а) і після навантаження (б)
Рисунок 5.8 – Утворен-ня петлі гістерезису внаслідок непружних явищ
Таким чином, у металах ще до початку макро-пластичної деформації, на пружній ділянці кривої напруження - деформація можливі непружні явища, такі як рух дислокацій, точкових дефектів, переміщення атомів у області меж зерен і т. д. Ці явища, що супроводжуються місцевими пластичними деформаціями, спостерігаються при дуже низьких напруженнях і мають важливе практичне значення.
Непружні ефекти служать причинами внутрішнього тертя, що характеризує необоротні втрати енергії всередині металу. Лінії діаграми напруження - деформація при навантаженні й розвантаженні через неповну пружність металів не збігаються (рис. 5.8), а утворюють петлю гістерезису. Її площа і характеризує енергію, розсіяну за один цикл навантаження.
Внутрішньому тертю останніми роками надається велика увага. Це пов'язано з великим практичним значенням здатності металевих матеріалів до розсіювання енергії при навантаженні в пружній області. Знання величини внутрішнього тертя необхідне для грамотного вибору матеріалу, що працює в певних умовах. Наприклад, демпфірувальні матеріали для різного роду амортизацій, здатні швидко гасити коливання, повинні володіти високим внутрішнім тертям. Навпаки, багато деталей вимірювальних приладів не повинно розсіювати пружну енергію, щоб забезпечити малу інерційність і високу точність вимірювань. Такі деталі повинні виготовлятися з матеріалів із малим внутрішнім тертям.
Не менший інтерес становить внутрішнє тертя як метод дослідження тонкої структури металів і сплавів. Особливо цінну інформацію цей метод дає про концентрацію і рухливість точкових дефектів, структуру дислокації, кінетику початкових стадій старіння, зокрема деформаційного, і т. д.
Для експериментальної оцінки величини внутрішнього тертя необхідно знати зв'язок між напруженням і деформацією при навантаженні й розвантаженні (див. рис. 5.8).
