Механического двойникования

Уже в 1841 —1843 гг., проводя опыты по определению теплового действия электрического тока, Джоуль установил параллельно и величину «механического эквивалента теплоты», причем точнее Майера —460 кГм/ккал. Сделал он это на установке, ставшей классической: вода в бочке нагревалась вращением лопастей, и затем определялось соотношение между затраченной работой и полученным теплом. Заметим, что это соотношение выражает лишь связь между различными единицами измерения энергии, а отнюдь не величину некоего «эквивалента», ибо по закону сохранения количества взаимопревращающихся видов энергии должны быть равны. Тем не менее и в большинстве современных вузовских учебни-

Между тем никто не знал, что в записках умершего в 1832 г. С. Кдрно, опубликованных частично в 1878 г., а полностью только в 1927 г., уже содержалось и механическое толкование теплоты, и определение механического эквивалента, и формулировка закона сохранения «силы»...

Несмотря на это новаторское содержание, статьи Майера проходят незамеченными или вызывают отрицательное отношение. Очевидно, поэтому Джоуль, опубликовав в 1847 г. отчет о своих опытах, не упо-мянул о Майере. Тот, возмутившись, выступил с протестом. Джоуль ответил, что Майер лишь предсказал существование механического эквивалента тепла, но не определил его

Майер приходит к выводу, что движение всегда превращается в теплоту, а теплота — в движение, то есть практически к закону сохранения энергии. С поистине гениальной интуицией путем довольно абстрактных рассуждений он получает численную величину механического эквивалента теплоты — наиболее важную для теплоэнергетики константу, Более того, на основании своих умозрительных построений Майер делает практический вывод: даже в лучших паровых машинах «лишь очень малая часть подводящегося к котлу тепла действительно превращается в движение'или поднятие груза»,

Увеличение числа основных единиц измерения может быть полезным только в том случае, если из дополнительных физических соображений ясно, что физические постоянные, возникающие при введении новых основных единиц измерения, несущественны. Например, если рассматривается явление, в котором имеют место механические и тепловые процессы, то для измерения количества тепла и механической энергии можно ввести две различные единицы измерения — калорию и джоуль, но при этом необходимо ввести в рассмотрение размерную постоянную А — механический эквивалент тепла. Допустим, что рассматривается явление теплопередачи в движущейся несжимаемой идеальной жидкости. В этом случае не происходит превращения тепловой энергии в механическую или обратную, и поэтому тепловые и механические процессы будут протекать независимо от значения механического эквивалента тепла. Если бы имелась возможность менять величину механического эквивалента тепла, то это никак не сказалось бы на значениях характерных величин. Следовательно, в рассматриваемом случае постоянная А не войдет в физические соотношения и увеличение числа основных единиц измерения позволит получить с помощью теории размерности дополнительные данные.

в механическую энергию и наоборот. Механические процессы происходят независимо от тепловых. Отсюда следует, что значение плотности жидкости несущественно для всех тепловых величин, а значение механического эквивалента тепла вообще несущественно ввиду отсутствия перехода тепловой энергии в механическую. Далее, если принять, что плотность р и величина А не влияют на изучаемый процесс передачи тепла, то из теории размерностей следует, что величина постоянной Больцмана k также несущественна, так как размерность постоянной k содержит символ единицы массы, от которой независимы размерности q и определяющих величин. Несущественность величин р, А и k для указанных предположений легко также усмотреть из математической формулировки задачи об определении количества тепла, передаваемого телом жидкости. Эти обстоятельства оправдывают отсутствие р, А и k среди определяющих параметров, указанных Релеем. Однако если сохранить допущение о несущественности плотности р и не делать предположения, что А и k несущественны, что является результатом дополнительных соображений, то к таблице определяющих параметров Релея необходимо присоединить величины k и Л, а это дает следующую систему определяющих параметров: /, w, Т, с, К, A, k.

Полученную формулу (5.53) можно привести к формуле (5.51), если принять во внимание несущественность механического эквивалента тепла А, а следовательно, и несущественность параметра Ad3 k '

Сухое трение всегда сопровождается выделением тепла и возникновением звука. Большая часть энергии при трении переходит в тепло. Это позволило Джаулю установить величину механического эквивалента теплоты при приведении в движение колеса типа турбины. Тепло, выделяемое при трении, локализованное вначале в соприкасающихся элементах поверхности, может привести к высокому местному нагреву до температуры плавления одного из элементов пары [46]. Температура контакта обусловлена соотношением между скоростями образования и отвода тепла.

Из этого уравнения и определяется величина механического эквивалента теплоты следующим образом. Поскольку для всех идеальных газов

Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» — немецкий врач Роберт Майер (1814—1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла

Первые работы, имеющие существенное значение для точных измерений количества теплоты, относятся к 40-м годам прошлого столетия. В 1842 г. Мейер вычислил значение механического эквивалента теплоты по данным о теплоемкости газов, а в 1843 г. Джоуль провел его экспериментальное определение. Первые исследования количества теплоты по точным измерениям представляют в основном поисковые работы. Исчерпывающие сведения о них содержатся в сообщении Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии и стандартизации (ВИМС) VIII Генеральной конференции мер и весов [6].

Следует отметить, что в современной физике прочности интенсивно развиваются дислокационные представления о процессе механического двойникования, что позволяет успешно анализировать условия перехода, от скольжения к двойникованию и наоборот [20—22], а также прогнозировать такой переход в некоторых практически важных случаях 19, 22].

Рис. 1.2. Кристаллографические элементы механического двойникования [17]. Сече-«ие шара и эллипсоида деформации плоскостью сдвига.

Таблица 2. Кристаллографические элементы механического двойникования металлов

Механические свойства металлов с ГПУ-решеткой определяются отношением кристаллографических параметров с/а, а также содержанием примесей и обычно являются средними между характеристиками металлов с ГЦК- и ОЦК-решетками. Например, у титана предел текучести и интенсивность деформационного упрочнения с понижением температуры возрастают, так что отношение пределов прочности и текучести либо сохраняется постоянным, либо даже возрастает при низких температурах. Особенно наглядным можно считать поведение при низких температурах циркония [29], пластичность которого при низких температурах существенно увеличивается (с 12 до 40 %) за счет протекания механического двойникования, стимулирующего работу призматических и пирамидальных систем скольжения [18].

2.4. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ НА НАЧАЛО ТЕЧЕНИЯ

Характерное для ОЦК-металлов повышение предела текучести в области низких температур приводит во многих случаях к включению дополнительного механизма пластической деформации — механического двойникования [5, 17, 111]. Обязательным условием начала двойникования является, как известно [111, 22], наличие определенного уровня концентраций напряжений. Такие концентрации напряжений возникают под нагрузкой на отдельных элементах структуры материала (включения, стыки трех зерен и т. д.) или могут быть обусловлены геометрической формой испытываемых образцов (галтели). Кроме того, концентрации напряжений могут возникать у вершин плоских скоплений возле границ зерен [26, 103].

В отличие от монокристаллов механическое двойникование в поликристаллах играет, согласно современным представлениям [22], роль только дополнительного механизма деформации, который не вносит заметного вклада в пластичность материала, однако существенно влияет на протекание скольжения при низких температурах, как бы моделируя скольжение за счет локальных концентраций напряжения. Важно отметить при этом двойственную роль механического двойникования, которое из-за пониженной релаксационной способности материала, связанной с высокими значениями сопротивления движению дислокаций при низких температурах, может вызывать раскрытие хрупких микротрещин и последующее разрушение без заметной пластической деформации (особенно в жестких схемах нагружения с элементами растяжения).

Проявление, развитие и последствия протекания механического двойникования определяются как внешними факторами (температура и скорость деформации), так и параметрами самого металла (энергия дефекта упаковки, размер зерна и т. д.) [17, 22, 111—113].

Интерес к исследованию механического двойникования был обусловлен началом в 60-е годы широкого изучения исключительно важного в практическом отношении явления хрупкого разрушения материалов и конструкций в условиях низкотемпературной деформации. Двойникование в этом вопросе рассматривалось е двух альтернативных: позиций: во-первых, как одна из вероятных причин вязко-хрупкого-перехода, а, во-вторых, как потенциальный способ повышения низкотемпературной пластичности материала. Поэтому одной из основных задач физики прочности того периода стало изучение общих закономерностей пластической деформации и разрушения при механическом-двойниковании. Одно из первых решений указанной задачи было предложено в работе [121] в виде схемы перехода от скольжения к двойникованию в поликристаллах. Построение схемы основывалось на данных, работы [117] и собственных результатах авторов [121], полученных при низкотемпературном растяжении армко-железа со скоростями 10~3 — КГ1 с"1.

зон размеров зерен поликристаллических образцов, в которых при данной температуре и скорости деформации будет происходить процесс механического двойникования. Критический (т. е. наименьший) размер зерна определяется выражением

Таким образом, как видно из данных рис. 2,25 и расчета по микроструктурным измерениям, вклад двойникования в пластичность материала сравнительно мал и, следовательно, основная роль механического двойникования в низкотемпературной пластической деформации поликристаллов заключается в инициировании скольжения за счет концентрации напряжений при высоком сопротивлении движению дислокаций.