Механизмы деформации и режим ползучести

Механизмы деформации и режим ползучести

Практически все описанные выше наблюдения механизмов деформации проводились на первой и второй стадиях ползучести. Третья стадия имела место только при экспериментах по изучению деформации при наибольших нагрузках.

В общих чертах изучение механизмов деформации проводилось по схеме, предложенной Шуйским. Кроме механизмов, описанных Шуйским, изучалось формирование полос скручивания и воздушных каверн, а также возникновение трещин как реакция на приложенную ко льду нагрузку. Шуйский связывает тот или иной механизм деформации с величиной приложенной ко льду нагрузки и сопутствующей ему скоростью текучести; эксперименты показывают, что в тех температурных условиях, при которых проводились опыты, скорость текучести, вероятно, является главным фактором; скорость текучести определяет способ деформации зерна, с помощью которого оно может наилучшим образом «приспособиться» к смещениям в окружающей его среде. При небольших скоростях текучести такими способами являются смещение граней зерен, полигонизация и изгиб, а также формирование субграней, полос скручивания и каверн. Для более высоких скоростей текучести этого оказывается недостаточно, и тогда возникают трещины и искривление граней. Помимо скорости текучести, важное значение, вероятно, имеют величина деформации и время действия нагрузки. Последнее характерно для необычного режима ползучести и, как показали опыты Стейнеманна, для начала третьей стадии текучести.

Несмотря на то что сопротивление сдвигу на базисной плоскости отдельного недеформированного кристалла льда по мере увеличения деформации уменьшается, это явление нельзя рассматривать как источник необычного режима ползучести, наблюдавшегося в мелкозернистом льду, за исключением, быть может, наиболее ранней стадии деформации. Эта точка зрения подтверждается данными наблюдений, согласно которым противодействие деформации значительно большее (относительное) у совокупности кристаллов, чем противодействие деформации по базисной плоскости, а необычный режим ползучести в массе ледяных зерен заканчивался прежде, чем относительная деформация достигала 0,5%, в то время как в отдельных кристаллах она составляла 10-20%.

Во время экспериментов температура льда все время поддерживалась на уровне 10° С ниже температуры таяния. Поскольку давление в воде в процессе замерзания не увеличивалось, деформация зерен льда до приложения нагрузки либо не происходила, либо была незначительной. Эксперименты показывают, что необычный режим ползучести недеформированного мелкозернистого льда связан со способами, с помощью которых зерна «приспосабливаются» (реагируют) к деформации соседних зерен. Эти способы определяются в первой стадии текучести. Их возникновение представляет собой необратимый процесс, определяемый местной кристаллографической ориентировкой и геометрией граней зерен, скоростью деформирования, характером приложенной нагрузки и, вероятно, температурой. Если способы деформации зерен определяются уже в первой стадии ползучести, то скорость деформации во второй стадии может быть определена по скорости распространения дислокаций и других дефектов, вызванных приложением нагрузки по направлению к ячейкам (базисные клетки кристаллической решетки) и граням зерен.

Штейнеман и Глен утверждают, что третья стадия ползучести связана с рекристаллизацией. Ни один из экспериментов, в которых применялись сравнительно небольшие нагрузки, не был доведен до третьей стадии. Деформации, при которых текучесть достигала третьей стадии, были получены только при нагрузках около 15 кг/см2. При этих испытаниях растрескивание, вызванное «согласованием» взаимного положения зерен, было чрезвычайно интенсивным. Начало третьей стадии оказывалось связанным с разрушением структуры, которое вызвано этими трещинами и последующими разрывами вдоль плоскостей, приблизительно параллельных направлению максимального сдвига 18]. Различие в характере возникающих трещин определялось положением этих плоскостей.

Применение результатов исследования в прикладной гляциологии. Несмотря на то что использованный в опытах лед был однородным по своей структуре и кристаллографической ориентировке зерен, все же можно сделать некоторые общие выводы, имеющие отношение к технике возведения различных сооружений из льда. Чтобы сдвиг произошел по базисным плоскостям кристаллов, в этом направлении должно быть ориентировано напряжение сдвига. В момент приложения нагрузки такое напряжение возникнет сначала в большинстве зерен, однако оно сохранится только в тех из них, в которых нагрузка вызывает напряжение сдвига. Имеется множество практических примеров, когда нагрузка направлена таким образом, что в базисных плоскостях кристаллов напряжения сдвига отсутствуют.

Например, при изменении температуры воздуха основные термические напряжения в ледяном покрове озер и рек распространяются главным образом в плоскости, параллельной поверхности. То же относится и к стационарной сосредоточенной нагрузке и з первом приближении к медленно движущемуся грузу. Если базисные плоскости ледяных зерен параллельны поверхности льда или перпендикулярны ей, при некоторых ситуациях, которые могут возникнуть в природных условиях, напряжение сдвига в них будет равно нулю. Этим и объясняется, в частности, что термически напряженный ледяной покров может оставаться в этом состоянии в течение продолжительного времени, не претерпевая каких-либо заметных изменений, и в то же время часто трескается при просверливании в кем отверстий или даже при ходьбе. Если термические напряжения сохраняются в течение длительных периодов времени, они могут оказывать чрезвычайно важное воздействие на несущую способность льда, в частности это относится к льдинам толщиной до 50 см. Аварии, возникающие на предприятиях канадской целлюлозно-бумажной промышленности из-за внезапного разрушения льда (на реках), зачастую объясняются напряжениями и как следствием их трещинами во льду, возникающими в результате изменения температуры.

В последние годы значительное внимание уделяется различным полевым и лабораторным исследованиям по количественному определению прочности льда, что весьма важно для решения ряда инженерных проблем. Поскольку реакция льда на деформацию определяется взаимосвязью между приложенным к нему усилием, конфигурацией граней зерен и их кристаллографической ориентировкой, а также значениями напряжений и температуры, возникает вопрос, можно ли использовать данные таких испытаний для решения технических задач, учитывая, что лед при этом может находиться в самых разных условиях. Возможно, что решение таких проблем будет получено непосредственно из полевых наблюдений и что наибольшую пользу принесут испытания под нагрузкой, учитывающие качественные характеристики льда.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.