К 1.2. Я.Н.Ройтенберг, Гироскопы, М., "Наука", 1975

В.А.Павлов, Гироскопический эффект, его проявление и

использование, Л., "Судостроение", 1972

Н.В.Гулия, Возрожденная энергия, "Наука и жизнь", 1975,

нр-7. К 1.3. А.А.Силин, Трение и его роль в развитии техники,

М., "Наука", 1976.

И.В.Крагельский, Трение и износ, М., "машиностроение",1968

Д.Н.Гаркунов, Избирательный перенос в узлах трения,

М., "Транспорт", 1969.

2. Д Е Ф О Р М А Ц И Я .

----------------------

2.1. Общая характеристика.

В самом общем случае под деформацией понимается такое изменение положение точек тела, при котром меняется взаимные расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить механические силы, электрические, магнитные, гравитационные поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.

В теории деформации твердых тел рассматриваются многие типы деформаций-сдвига, кручения и т.д. Формальное описание их можно отыскать в любом курсе сопромата.

Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она называется упругой, в противном случае имеет место пластическая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому деформация пропорциональна механическому напряжению.Если рассматривать деформации на атомарном уровне то упругая деформация характеризуется,прежде всего практически одинаковым изменением растояния между всеми атомами кристала; при пластических деформациях возникают дислокации-линейные дефекты кристалической решотки.

Величина деформации любого вида определяется свойствами деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следовательно,имея данные о деформации, можно судить либо о свойствах тела,либо о воздействиях; в некоторых случаяхи о том и о другом, а в некоторых- о степени изменения свойств деформируемого тела при том или ином внешнем воздействии.

А.с. 232571: Способ измерения спорных реакций машин и

станков в эксплуатационных условиях,отличающийся тем,

что,с целью определения реакций в спорах с резиновым

упругим элементом, измеряют величину деформации свобод

ной поверхности резинового упругого элемента, по кото

рой судят о величине опорной реакции.

2.1.1. С в я з ь э л е к т р о п р о в о д н о с т и

с д е ф о р м а ц и е й.

В 1975 году зарегистрировано открытие: обнаружена зависимость пластической деформации металла от его проводимости. При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластичность металла. Обратный переход понижает пластичность.

Напомним, что макроскопическая пластическая деформация осуществляется перемещением большого количества дислокаций, способность же кристалла оказывать сопротивление пластической деформации определяется их подвижностью.

Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при различных способах механических испытаний. В экспериментах было обнаружено значительное повышение пластичности металла /разупрочнение/ при переходе его в сверхпроводящее состояние. Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких десятков процентов.Детальное изучение явления разупрочнения привело к выводу,что "виновником" его следует считать изменение при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдельной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко уменьшаются при сверхпроводящем переходе.Таким образом, обнаружена прямая связь механической характеристики металлаего пластичности с чисто электронной характеристикой-проводимостью.

Главный вывод-электроны металлов тормозят дислокации в с е г д а.Сверхпроводящий переход помог выявить роль электронов и позволил оценить электронную силу торможения. Но переход в сврхпроводящее состояние- не единственная возможность влиять на электроны. Этому служит магнитное поле, давление и т.д. Ясно, что такие воздействия должны изменять и пластичность металла, особенно, когда электроны- главная причина торможения дислокаций.

Магнитное поле в сочетании с низкой температурой способны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость, теплопроводность,упругость,прочность и даже цвет. Появляются новые электрические свойства. Превращения происходят практически мгновенно- за 10 в11-ой и 10 в12-ой сек. Исходя из экспериментов ожидают использования новых эффектов в обычных условиях.

2.1.2. Э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й

э ф ф е к т в м е т а л л а х

Установлен электропластический эффект в металлах и доказана возможность его применения для практических целей. Открытие этого эффекта привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации, расширило представление о взаимодействии свободных электронов в металле с носителями пластической деформации-дислокациями.

Появилась возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением. Например, деформировать вольфрам при температурах не превышающих 200 гр.С и получить из него прокат с высоким качеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 10 в4-ой 10 в6-ой а/см./2 то величина эффекта будет будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений в металле. Электропластический эффект также линейно зависит от плотности тока (вплоть до 10 в5-ой а/см./2 ) и имеет большую величину при импульсном токе, а при переменном вообще не наблюдается.

Видна связь явления разупрочнения металла при сверхпроводящем переходе с электропластическим эффектом. В этом и другом случае происходит разупрочнение металла. Однако, если в первом случае в основе явления лежит уменьшение сопротивления движению и взаимодействию дислокаций при устранении из металла газа свободных электронов,во втором случае причиной облегчения деформации является участие самого электронного газа в пластической деформации металла. Электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дреф и поэтому ускоряющую движение и взаимодействие дислокацийе (или снижающую обычное электронное торможение дислокаций) Этот эффект уже находит свое применение на практике:

А. .. : "Способ снижения прочности металлов, например,при пластической деформации при котором через заготовку пропускают электрический ток отличающийся тем, что с целью снижения прочности металла при сохранении его низкой температуры, к заготовке прикладывают импульсы тока плотностью преимущественно 10 а/см./2, с частотой подачи 20-25Гц.

2.1.3. Ф о т о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т .

Естественно ожидать изменение пластических свойств и при других воздействиях на электронную структуру образца. Например, воздействие светового излучения на кристалы полупроводника вызывает в них перераспределение электрических зарядов. Не будет ли свет влиять на пластические свойства полупроводников? Советские ученые Осиньян и Савченко на этот вопрос отвечают утвердительно. Их открытие зарегистрировано под номером 93 в такой формулировке:

"Установлено ранее неизвестное явление,заключающееся в изменении сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света, причем максимальное изменение происходит при длинных волн, соответствующих краю собственного поглащения кристаллов".

В их опытах образцы полупроводников сжимались и растягивались до наступления пластической деформации. Затем образец освещался светом. Вызванное им перераспределение носителей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации носителей пластической деформации и тотчас прочность образца увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как прочность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначального значения.

Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного интересного явления - и н ф р а к р а с н о г о гашения фотопластического эффекта.

Эффект фотопластичности предполагается использовать для

разработки нового типа элементов автоматики, новой тех

нологии полупроводнико,для создания качественно новых

приемников видимого светового и инфракрасного излуче

ния.

2.1.4. Э ф ф е к т Б а у ш и н г е р а .

При упругих деформациях перемена знака внешнего усилия вызывает только изменение знака деформации,без изменения ее абсолютной величины. Если же под влиянием внешних усилий в металле возникают дислокации,т.е. наступает режим пластической деформации то упругие свойства металла изменяются и начинает сказываться влияние знака первоначальной деформации. Если металл подвергнуть слабой пластической деформации нагрузкой одного знака,то при перемене знака нагрузки обнаруживается понижение сопротивления начальным пластическим деформациям (эффект Баушингера). Возникшие при первичной деформации дислокации обуславливают появление в металле остаточных напряжений, которые складываясь с рабочими напряжениями при перемене знака нагрузки,вызывают снижение предела пропорциональности,упругости и текущести материала. С увеличением начальных пластических деформаций величина снижения механических характеристик увеличивается. Эффект Баушингера явно проявляется при незначительном начальном наклепе.Низкий отпуск наклепанных материалов ликвидирует все проявления эффекта Баушингера. Эффект значительно ослабляется при многократных циклических нагружениях материала с наличием малых пластических деформаций разного знака

2.1.5. Э ф ф е к т П о й н т и н г а .

Пойнтингом было установлено,что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату угла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом было доказано,что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля ЮНГА -это позволяет предполагать,что свойства материала остаются без изменений.

Эффект Пойтинга нашел применение в машиностроении.

Пример тому А.с.546456: Способ демонтажа прессовых сое

динений деталей типа вал-втулка путем воздействия на

охватываемую деталь усилием выпрессовки, отличающийся

тем, что с целью снижения усилия выпресовки, например,

подшипников качения с вала, перед выпрессовкой,охваты

ваемую деталь,например,вал, скручивают.

Малая величина эффекта позволяет указать на возможность его применения в некоторых областях измерительной техники. Калиброванные изменения радиуса- это переменный калибр толщины: радиальное сжатие с одновременным удлинением -это изменение (хотя и малое,но надежно калибрированное) электросопротивления проволоки и т. д.

2.2 Передача энергии при ударах. Эффект Александрова.

Коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к ударяющему зависит от отношения их масс-чем больше это отношение,тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах ударного действия всегда старались учесть это соотношение, по крайней мере,до 1954 года,когда Е.В.Александровым было установлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи растет лишь до определенного критического значения,определяемого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел (удар упругий) При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх критического коэффициента передачи энергии определяется не реальным соотношением масс а критическим значением этого отношения.

Соответственно,коэффициент востановления определяется формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энергии. Очевидно,этот эффект обязательно должен учитываться при проектировании машин ударного действия. Наглядная иллюстрация к тому:

А.с.. 203557 Механизм для воздействия на твердое тело

ударной нагрузкой,содержит два или более соударяющихся

элементов,причем один из них является рабочим, непос

редственно воздействующим на твердое тело, отличающийся

тем,что в нем предусмотрено средство для создания перед

каждым соударением элементов дополнительного зазора в

системе "соударяющиеся элементы-твердое тело" и один

или несколько из соударяющихся элементов, за исключени

ем рабочего, выполнены из материала с меньшим модулем

упругости, чем материал элемента.

На основе открытия Александрова создан так называемый механический полупроводник,в котором передача энергии практически осуществляется только в одном направлении, независимо от жесткости опоры. На этой основе уже создан новый отбойный молоток,который в два раза легче серийного и обладает большой производительностью.Теоретически доказана возможность и целесообразность бурения на глубинах до 100 м без погружения бурильной машины в скважину.

А.с..447496: Наддолотный утяжелитель,состоящий из несо

единенных между собой свободно установленных на буриль

ной колонне грузовых трубчатых элементов, отличающихся

тем,что с целью усиления ударных нагрузок на доло

то,каждый вышележащий грузовой трубчатый элемент имеет

большую массу по сравнению с нижележащими.

2.3. Эффект радиационного распухания металла.

Как бы не пытались исправить деформированную деталь, она все равно вспомнит свойдефект,частично востановит прежнюю покоробленность.Виной тому внутреннее напряжение в материалах. Они существуют всегда.Отжиг ликвидирует их в металлах, но при остывании, которое идет не равномерно,внутренние напряжения хотя и ослабленные,появляются вновь.С помощью холодной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно. Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.

При облучении нейтроны врываются в недра металла и, сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов) выбивают их из узлов кристалической решотки.Те,в свою очередь,ударяясь о другие ионы, либо остаются на месте,либо оставляют эти места свободными. Большая же часть ионов внедряется в междоузлия.Обрабатываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем.

Так вот, если изогнутую деталь подвергнуть радиоактивному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы, расталкивая ионы и атомы кристаллической решотки, начнут разгибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обычным измерительным прибором,следить за ней постоянно во время правки и закончить процесс точно на "нуле". Причем править можно в сборе, на готовой машине.

Действие радиации легко расчитать. Известно,что максимальное изменение объема стали при нейтронном облучении составляет 0,3% . Например,если подвергнуть облучению только средний участок стальной детали длиной 1000мм и высотой 50мм ,то устраняется прогиб в 2,5мм.

Не металические и композиционные материалы при облучении изменяют свой объем еще сильней.Например,пластмассы - до 24% .

С помощью радиации мы не просто выпрямляем деталь, а перераспределяем внутренние напряжения до нового равновесного состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому изделие самопроизвольно уже не разогнется. Этот способ защищен авторским свидетельством . 395147 (см.18.5.1)

2.4. С п л а в ы с п а м я т ь ю .

Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий, медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие усилия при восстановлении своей формы.

Этим воспользовались в Институте металлургии им. А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слежную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его поверхность наносят обычными приемами - с помощью проката, напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого другого металла или сплава.

Такой металлический слоеный пирог после нагревания вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким способом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозможные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников. В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места. В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает сложнейшие формы, приданные ей еще на Земле.

При соединении полых деталей с каркасом заклепки из сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с памятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирькупружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропустить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою форму - гирька поползет вверх, выключаем ток - гирька вновь спускается и т.д. По сути дела - это искуственный мускул. На этом принципе можно делать двигатели нового типа, использующие даровую энергию Солнца.

Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые: тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое.

Л И Т Е Р А Т У Р А

- - - - - - - - -

К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока

цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.

К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор

мация металлов, "Природа", 1977.

К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.

К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор

циональности и текущести при повторном нагружении,

"Заводская лаборатория", 1950, н'4.