Реакция ледяного зерна на приложение нагрузки

/>Реакция ледяного зерна на приложение нагрузки

Тейлор отмечал, что деформация кристалла может быть полностью определена измерениями в шести независимых направлениях; если объем кристалла при этом остается постоянным, число направлений уменьшается до пяти. На основании этого он пришел к выводу, что кристалл может сохранять свой объем (произвольно меняя форму) до тех пор, пока деформация происходит в пяти независимых направлениях. Следовало бы ожидать, что при деформации массы, состоящей из таких кристаллов, на контактах между ними не произойдет существенных изменений. Если число действующих независимых направлений сдвига меньше пяти, местные напряжения, противостоящие приложенной нагрузке, будут возникать за счет сил связи с окружающей средой (на каждый из кристаллов давят соседние, и напряжения распределяются по всем кристаллам равномерно). Возможно, что эти силы (связи между кристаллами) служат источником увеличения сопротивления деформации всего тела.

При экспериментах с мелкозернистым льдом, описание которых приводилось выше, нагрузка была приложена перпендикулярно к длинным (геометрическим) осям зерен, базисные плоскости которых в основном были параллельны длинным осям. Это приводило к тому, что деформация происходила главным образом в двух направлениях, причем текучесть в направлении длинных осей зерен была значительно меньше, чем в перпендикулярном ему направлении. При двумерной деформации такого типа постулированное Тейлором количество независимых направлений, в которых может возникать сдвиг (пять направлений), уменьшается до двух, расположенных в плоскости деформирования.

Лед имеет только одну действующую плоскость сдвига, и сопротивление сдвигу в пределах этой плоскости не зависит от направления. Таким образом, при условиях сжатия, которые создавались во время опытов, в каждом столбчатом зерне сдвиг мог происходить только в одном направлении. Когда лед деформирован, некоторые зерна не могут изменить свою форму так, чтобы приспособиться к деформации; в результате между этими зернами возникают местные (локальные) напряжения; описанные выше механизмы деформации (отдельных зерен) представляют собой реакцию зерен на такие напряжения. Деформация отдельных зерен (согласно сказанному выше) и создает второе независимое направление сдвига, благодаря которому в столбчатых зернах происходит произвольное изменение формы в плоскости, перпендикулярной их длинным осям.

Первая реакция льда на приложение нагрузки — упругая деформация, которая, по-видимому, включает в себя перемещение дислокаций, что подтверждается наблюдениями Брайанта и Масона, а также Голда. Это удалось проследить благодаря необратимому сдвигу, связанному с перемещением дислокаций, созданию источников возникновения дислокаций и установлению зон или полос сдвига. Все дефекты структуры (участки, на которых они расположены) будут перемещаться таким образом, чтобы при этом ослаблялись местные напряжения. При наличии соответствующего изгибающего момента формируются субграни и полосы скручивания. Если дислокации не поглощаются субгранями и не блокируются внутри кристаллов, они перемещаются к граням.

Наблюдения показывают, что все явления, которые происходят внутри ледяного зерна, — сдвиг, формирование субграней, полос скручивания или изгиба — приспосабливают к общей деформации лишь центральную часть зерна, не снимая напряжения о грани, на которую оказывается давление. Иногда возникающая на этом участке интенсивная перестройка структуры свидетельствует о том, что здесь в основном и происходит согласование взаимного положения зерен в процессе деформации. Первый признак такой перестройки — смещение грани зерна. Чтобы удовлетворить условиям, возникающим в процессе деформации, зачастую оказывалось достаточно комбинации смещения граней и сдвига (при том льде, который использовался в наших экспериментах). Увеличение деформации сопровождалось более существенной перестройкой структуры, например формированием ячеек. Если при смещении или повороте грани на ней не возникало структурных нарушений (трещин), то вместо этого появлялись другие дефекты, например дислокации, причем в тех случаях, когда скорость распространения последних была недостаточной для соответствующего увеличения местной деформации (речь идет о том, что деформация зерна должна быть одинаковой на всех участках.- Перев.), в таких областях возрастали локальные напряжения, приводящие к возникновению микротрещин. Такое растрескивание может привести к тому, что на некоторой части грани появится мелко раздробленный лед.

Известный интерес вызывает такая особенность деформации, как формирование каверн (воздушных полостей). Возможно, что они возникают в плоскостях, поперечных по отношению к местным напряжениям растяжения, вызванным сжимающей нагрузкой. Хотя они и могут служить зародышами трещин, очевидного подтверждения этого пока не получено. Их формирование в тройных точках и в местах пересечения плоскостей скольжения с субгранями вполне согласуется с объяснением, предложенным Джифкинсом. Появление воздушных полостей должно способствовать ослаблению локальных растягивающих напряжений.

Некоторые зерна оказываются ориентированными таким образом, что их базисные плоскости не параллельны и не перпендикулярны основным напряжениям, в силу чего плоскость сдвига в них отсутствует. Эти зерна следует рассматривать как особо прочные участки внутри ледяной массы, определяющим образом воздействующие на характер деформации соседних с ними зерен. Под действием сжимающей нагрузки направление течения материала (льда в нашем случае) из таких участков будет перпендикулярным направлению приложенной силы.

Зерна, у которых плоскости сдвига расположены параллельно или перпендикулярно приложенному усилию, будут испытывать сжатие в направлении этой силы и растяжение в направлении, перпендикулярном ей. По-видимому, можно ожидать, что растягивающие напряжения будут возрастать по мере увеличения деформации; когда они превысят некоторый предел, во льду появятся трещины. Наличие во льду «потенциальных трещин» (ослабленных участков, например каверн) способствует его разрушению. Однажды возникшая в зерне трещина «помогает» ему «приспособиться» к дальнейшей деформации. Трещины обычно  возникают в плоскостях, параллельных (или близких к этому) сжимающему усилию, что объясняется направлением растягивающих напряжений; следовательно, и трещины (или плоскости, в которых они расположены) возникают в основном параллельно базисной плоскости или перпендикулярно ей. Любопытно, что эти трещины появляются во льду на первичной стадии ползучести. При текучести под давлением они представляют собой как бы постоянную структурную модификацию даже при очень сильных деформациях, и их можно рассматривать как «приспособленные» трещины.

При более низких скоростях текучести таких трещин становится меньше и они начинают появляться через более продолжительное время после начала сжатия. При температуре окружающего пространства-10° С и скорости текучести, соответствующей приложению нагрузки около 6 кг/см2, они возникают весьма редко; это свидетельствует о том, что процессы, происходящие на участках граней внутри зерен (смещение граней и образование каверн и ячеек), в совокупности со сдвигом, появлением каверн, формированием субграней и полос скручивания не дают локальным напряжениям возможности достигнуть разрушающих значений. В этих условиях появление трещин ограничивается первой и второй стадиями ползучести.

/> />

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

Свежие записи