Неупругие эффекты в металлах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Неупругие эффекты в металлах

10.06.2021

Развитие различных неупругих эффектов (внутреннее трение, гистерезис, прямое и обратное упругое последействие, релаксация напряжений), а также явлений усталости, проявляющихся в области макроскопической упругой деформации и определяющих качество пружинных сплавов, определяется уровнем развития процессов пластической деформации как обратимой (неупругой), так и необратимой остаточной. Это положение было впервые выдвинуто Н.Н. Давиденковым, указавшим, в частности, на то, что внутреннее трение при повышенных напряжениях обусловлено микропластической деформацией. Таким образом, для уменьшения неупругих эффектов и повышения усталостной прочности надо создать препятствия микропластической деформации, т. е. обратимому и необратимому движению дислокаций, эффективность которых и характеризуется величиной порога упругости или предела микротекучести (условного предела упругости).
Неупругие эффекты в металлах

Неупругие эффекты отчетливо проявляются в неоднозначной связи напряжений с деформацией, что характеризует петля упругого гистерезиса (рис. 9). Эта неоднозначность — главный фактор, ограничивающий класс точности и надежности машин и приборов. Сказанное относится не только к собственно силоизмерительным приборам (где работают динамометрические скобы, вибрационночастотные датчики, пружины, манометрические мембраны, сильфоны, трубки Бурдона), но и к электроизмерительным приборам, в которых противодействующий момент создают упругие элементы (моментные волоски, шлейфы, подвески, растяжки, нити гальванометров и т. п.).

Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что многие упругие элементы работают при высоких напряжениях — одного порядка с условным пределом упругости (микротекучести). Поэтому, хотя эффекты зинеровской неупругости, проявляющиеся при весьма низких напряжениях, действуют и в области высоких напряжений, они перекрываются много большими эффектами, связанными с движением дислокаций.

Степень развития неупругой деформации можно выявить, используя разницу в коэффициентах Пуассона для чисто упругой деформации, включающей неупругую деформацию. Известно, что для истинно упругой деформации поликристалла коэффициент Пуассона равен 0,25, а для области пластической деформации значение коэффициента поперечной деформации, исходя из условий постоянства объема, должно быть равно 0,5.

По данным работы, в области упругой деформации и до предела упругости коэффициент поперечной деформации алюминия и сплавов алюминия, измеренный с помощью метода муаровых сеток, практически не изменяется и только по достижении напряжений, соответствующих пределу упругости, он начинает сильно возрастать, асимптотически приближаясь к 0,5. Сильный рост коэффициента поперечной деформации, также стремящегося к 0,5, по достижении начала пластического течения отмечается в платине, серебре, золоте. Эти экспериментальные данные находятся в соответствии с теорией Надаи о поведении твердых тел в переходной области деформации — от упругой к упругопластической.

В то же время весьма надежные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что с ростом напряжений, когда еще не фиксируется заметная остаточная деформация, коэффициент Пуассона возрастает именно за счет неупругой деформации.

Согласно, при нагружении величина неупругой деформации изменяется по параболическому закону

где К — так называемый коэффициент микропластичности, введенный А.В. Гурьевым. В начале разгрузки неупругая деформация епл практически не меняется. Далее темп снятия епл нарастает. Она снимается полностью, когда о —> 0 (рис. 10).

Можно показать, что при разгрузке, как и при нагружении, изменение неупругой деформации характеризуется зеркальносимметричной параболой.

Прямые измерения отношения ширины петли упругого гистерезиса в условиях поперечной деформации к ширине ее в условиях продольной деформации показали, что его величина постоянна и равна 0,5. Это означает, что, действительно, та часть деформации, которая создает гистерезис, по своему механизму пластическая. Ниже порога упругости она является неупругой (необратимой), а выше — остаточной.

Можно показать, что величина относительного гистерезиса (у = Г/еmax, где Г — наибольшая ширина петли) или относительной вариации ( b = В/оmax, где В — наибольшая разность напряжений при прямом и обратном ходе и одной величине) прямо связана с удельным рассеянием энергии.

Для петли, образованной двумя симметричными отрезками парабол, из уравнений (1) и (2) легко найти площадь петли, определяющую потерю энергии за счет неупругой деформации:

Тогда удельное рассеяние энергии

«Коэффициент микропластичности» А.В. Гурьева К служит коэффициентом пропорциональности между относительным гистерезисом и напряжением. Линейную зависимость w(о) действительно наблюдал ряд авторов для невысоких напряжений.

При повышенных напряжениях часто наблюдается более или менее резкий подъем кривой w(o). Напряжение, отвечающее этому подъему, очевидно, характеризует порог упругости и соответствует, согласно теории Люкке—Гранато, началу гистерезисного движения дислокаций, определяя прочность их закрепления (блокировки). При этом чем выше приложенное напряжение, тем больше число дислокаций, претерпевающих гистерезисное движение. Однако формула Люкке и Гранато, характеризующая амплитудную зависимость внутреннего трения и его связь с дислокационной структурой, в одних случаях оказалась приемлемой, а в других нет. Как показано в работе, для области возрастающих амплитуд теория Люкке и Гранато некорректна. Это, возможно, связано с тем, что закрепление дислокаций в технических металлах происходит не в отдельных точках, а по всей их длине и вначале разрушаются атмосферы, а затем от них освобождаются дислокации. Число этих дислокаций, естественно, растет с увеличением амплитуды. Однако независимо от того, соответствуют экспериментальные результаты теории Люкке и Гранато или нет, сам метод определения амплитудной зависимости внутреннего трения, позволяющий оценивать степень блокировки дислокаций и число гистерезисно двигающихся дислокаций, бесспорно имеет важное значение для развития теории упрочнения сплавов. Зная зависимость w(o), можно определить начало перехода в область микропластических деформаций и таким образом установить положение порога или предела упругости.

P.И. Гарбер и Н.Н. Могильникова считают, что по амплитудной зависимости внутреннего трения можно установить положение предела упругости. Они указывают, что для этого необходимо дополнительное наложение монотонного и быстро нарастающего напряжения при упругих свободно затухающих колебаниях. Рост декремента затухания наблюдается при возрастающих затратах энергии на работу пластической деформации в микрообъемах. За предел упругости реального твердого тела авторы предлагают принимать такую величину интенсивности касательных напряжений, при которой нарастает составляющая декремента за счет пластической деформации.

Помимо величины пределов упругости, гистерезиса и внутреннего трения, важное значение для оценки пружинных сплавов имеет интенсивность релаксационных процессов.

Релаксационные процессы — релаксация напряжений, прямое и обратное упругое последействия — осуществляются в результате элементарных актов пластической деформации, задержанных во времени. Следовательно, в отличие от гистерезиса эти неупругие эффекты существенно зависят от продолжительности нагружения. Первоначально созданная деформация может нарастать, если в некоторый момент в каком-то объеме, обычно там, где действуют локальные пиковые напряжения, например, где находятся скопления дислокаций, возникают условия для дальнейшей деформации. При отсутствии изменений внешних условий и нарушения механического состояния в результате самопроизвольных внутренних превращений развитие деформации возможно лишь вследствие перераспределения внутренней энергии между микрообъемами сплава за счет тепловых флуктуаций. Известно множество релаксационных процессов такого рода. Однако большинство из них дает весьма малые неупругие деформации. Большие неупругие деформации, зависящие от напряжения, создаются движением дислокаций.

При малых напряжениях и низких температурах не может произойти тепловая активация источников дислокаций. Эти малые напряжения в момент их приложения могут лишь вызвать изгиб линии дислокации или в крайнем случае сорвать дислокации с мест их закрепления (спонтанная деформация). Последующее нарастание неупругой деформации, происходящее во времени, является результатом перемещения заторможенных дислокаций под действием тепловой активации к положениям с меньшей энергией, т. е. по существу микротекучестью.

Действительно, заторможенная одиночная дислокация может получить энергию для преодоления препятствий без прироста действующих напряжений только за счет тепловых флуктуаций. Однако такая деформация не обязательно будет полностью обратимой после снятия нагрузки. Если после разгрузки остались внутренние напряжения, то возможна и самопроизвольная обратная деформация во времени.

При протекании релаксационных процессов в металле могут происходить структурные изменения, ведущие к замедлению нарастания неупругой деформации. Таким процессом может быть блокирование перемещающихся дислокаций примесями. Тогда после разгрузки дислокации окажутся в ином положении, чем до нагрузки, и появится остаточная деформация Возможна также и другая причина иного положения дислокаций после разгрузки. В самом деле при выгибании линии дислокаций под действием приложенных напряжений меняется характер отдельных ее участков и, например, винтовая дислокация приобретает характер почти краевой в участках, близких к узлам дислокационной сетки, что оказывает существенное влияние на энергию связи с атомами примесей, а следовательно, и на силу отрыва, которая, таким образом, может отличаться от наблюдавшейся в металле до нагружения.

Процесс релаксации напряжений представляет собой по существу ползучесть в области малых остаточных деформаций и под снижающейся нагрузкой, что можно видеть по математической эквивалентности законов, определяющих их кинетику. Для этих двух процессов характерен общий механизм деформации. Основные факторы, определяющие скорость релаксации, — движение и генерация дислокаций.

Здесь важно рассмотреть изменение поведения дислокаций в процессе релаксации напряжений при различном их исходном значении.

При напряжениях ниже предела упругости релаксация в условиях многократного повторного нагружения быстро затухает практически до нуля. Это может происходить за счет исчерпывания легкоподвижных дислокаций, которые либо останавливаются у препятствий, либо блокируются в результате структурных изменений (возникновение сегрегаций, выделений, течение фазовых превращений и т. п.), либо связываются с имеющимися сетками дислокации, либо, наконец, выходят на поверхность кристаллов. Как показано методом ямок травления, новых дислокаций в этом случае не возникает.

При напряжениях выше предела упругости и до предела текучести величина релаксации напряжений при многократном повторном нагружении постепенно уменьшается, но не до нулевого значения. Поскольку в данном случае количество движущихся дислокаций не снижается, это может происходить только вследствие появления новых дислокаций в результате процесса генерации. На этой стадии релаксации в кристалле, по данным, фиксируются ряды дислокаций, не вышедших на поверхность.

На стадии легкого скольжения, т. е. при напряжениях выше предела текучести, релаксация при многократном повторном нагружении слабо затухает при увеличении числа циклов, что связано с действием источников дислокаций. В указанной области напряжений скорость релаксации может скачкообразно изменяться. Задержка релаксации, по данным, связана с флуктуационным характером процесса генерации дислокаций, а не процессом прорыва дислокаций через задержавшее их препятствие. При еще более высоком уровне напряжений, соответствующем стадии упрочнения, релаксация при многократном повторном нагружении постепенно уменьшается. Поскольку при этом плотность дислокаций достаточно велика, они смещаются на небольшие расстояния. Однако действие многочисленных источников приводит в конечном счете к значительной остаточной деформации. О том, что процесс релаксации связан с развитием микропластической деформации, свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа.

Установлено, что в меди и алюминии в ходе релаксации при 20° С (до 500 ч при начальной деформации еобщ = 0,1%) происходят дробление и разворот блоков, т. е. те же процессы, что и при малых пластических деформациях. Показано также, что деформации, оставшиеся после нагрузки, соответствуют u = 0,50, как и должно быть для пластической деформации. Коэффициент uобщ, измеряемый (под нагрузкой) в процессе релаксации, нарастает по затухающей кривой. Если (uобщ экстраполировать на т = 0, то для начального момента u = 0,25, как при абсолютной упругости. Интересно, что при снятии нагрузки при релаксации алюминия в течение 500—1000 ч (при eобщ = 0,02-0,21%) деформация разгрузки имеет также u = 0,25/0,02.

Таким образом, разгрузка сопровождается очень незначительным неупругим эффектом: большинство обратимых смещений дислокаций в процессе релаксации становятся необратимыми.

Из сказанного выше следует, что структурные превращения, происходящие в процессе релаксации напряжений — выход легкоподвижных дислокаций на поверхность, возникновение новых более устойчивых конфигураций дислокаций, образование различных сегрегаций, выделение избыточных фаз и т. п. — приводят к получению более стабильного состояния и более высокого упрочнения. Поэтому и наблюдается постепенное затухание нарастания остаточной деформации. Именно в этом и заключается ценность многих специальных технологических процессов (заневоливание, тренировка и т. д.), широко используемых для стабилизации характеристик упругих элементов.

Релаксационная стойкость сплавов возрастает с ростом степени закрепления дислокаций, с повышением однородности и стабильности структуры и субструктуры. В то же время высокое сопротивление малым пластическим деформациям обычно достигается в сплавах при нестабильном их состоянии. Поэтому для повышения релаксационной стойкости и достижения высокого предела упругости экспериментально устанавливают оптимальную степень нестабильного структурного состояния сплавов.

Неупругая деформация релаксационных процессов и гистерезиса имеет общий дислокационный механизм. При изучении упругого гистерезиса монокристаллов алюминия установлено, что если прервать циклическую деформацию при некотором напряжении и дать пройти упругому последействию, то дальнейшая циклическая деформация продолжается по старой петле (рис. 11). При упругом последействии смещаются те же самые дислокации, которые дают гистерезис. Разница только в том, что при гистерезисе их движение вызвано приращением напряжения, а в релаксационных процессах оно идет за счет тепловой активации при о = const или при еобщ = const.

Пружины приборов редко работают в условиях чистой релаксации, так как при этом полная деформация, как сумма упругой и пластической составляющих, не равна постоянной величине. Такой процесс можно называть релаксацией напряжений без зафиксированных связей. Чаще постоянной остается нагрузка, т. е. идет прямое упругое последействие. Естественно считать, что при равных напряжениях и температурах оно имеет тот же механизм, что и релаксация напряжений. Разница заключается в том, что в последнем случае напряжение снижается, отчего релаксация затухает быстрее. Последействие будет идти дольше и накопит большую деформацию.

Однако не менее часто упругие элементы работают в условиях знакопостоянного цикла изменения общей деформации (или напряжения), в результате чего так же, как и в условиях релаксации или ползучести нарастает остаточная деформация. Хотя эти изменения могут происходить и при напряжениях, меньших предела выносливости и, следовательно, не могут привести к разрушению, они вместе с тем могут вывести рабочие характеристики упругих элементов за пределы допустимых. Указанный процесс накопления остаточной деформации за счет уменьшения упругой можно назвать циклической релаксацией, или циклической ползучестью. Характер изменения остаточной деформации в зависимости от продолжительности нагружения или числа циклов нагрузки весьма напоминает статическую ползучесть, так как здесь можно выделить две, а при повышенных напряжениях и все три стадии развития пластической деформации, включая и разрушение (рис. 12).

Прямое упругое последействие по определению идентично ползучести. Практически ползучестью считают обычно только процессы, протекающие при таких напряжениях и температурах, когда возможны три (или хотя бы две) стадии: замедляющаяся деформация, установившаяся ползучесть, ускоренное течение до разрушения. Ясно, что для пружин допустимы лишь первая стадия (иногда называемая также микроползучестью) и отчасти вторая. В случае состаренной (340° С, 20 мин) бериллиевой бронзы деформация прямого упругого последействия под нагрузкой 412 Мн/м2 (42 кГ/мм2) меняется во времени по закону eт = k ln т (логарифмическая ползучесть). По отношению к общей деформации эта величина незначительная (ет = 7*10в-4 через 10 мин и 24*10в-4 через 100 мин). Этот же закон изменения деформации ползучести отмечен и при испытании меди, мягкой и низколегированной стали при нормальной температуре, но абсолютная величина деформации и скорость ползучести у этих материалов, естественно, различны. У пружинной ленты из стали У7А при о = 1160 Мн/м2 (118 кГ/мм2) относительное последействие за 45 ч составляло ет = 150*10в-4, а в случае стали У12А при 850 Мн/м2 (86 кГ/мм2) оно было равно 35*10в-4. В алюминии для a = 5,9-38,2 Мн/м2 (0,6-3,9 кГ/мм2) (при о0,003 = 57,4 Mн/м2 (5,85 кГ/мм2) величина относительного последействия (за 1 ч) линейно растет с напряжением ет = kо.

Обратное упругое последействие представляет собой последействие (деформацию) под действием остаточных напряжений. Поскольку эти напряжения заведомо меньше первоначально приложенного о и убывают во времени, обратное последействие идет медленнее и дает меньшую деформацию, чем прямое. У алюминия величина обратного последействия (за 1 ч) меняется с напряжением также по закону е = ka, но k здесь втрое меньше, чем при прямом нагружении.

С переходом напряжений через порог (или предел) упругости о0 релаксационные процессы и, в частности, процессы последействия ускоряются.

Под напряжением соответствующий механизм пластической деформации начинает действовать самопроизвольно. При о < о0 недостающее напряжение Ао должно компенсироваться энергией тепловых флуктуаций. При данной температуре испытания вероятность флуктуаций требуемой величины определяется характеристической температурой сплава, слабо зависящей от его структуры. Тогда интенсивность процессов последействия для данной группы сплавов определяется величиной Ао, а при данном напряжении о — величиной атермического порога упругости (о0) каждого сплава. Исключение составляют сплавы, структурно неустойчивые при температуре испытания, в которых под нагрузкой развиваются фазовые превращения. В них в зависимости от кинетики превращений возможен случай, когда при достаточно высоком пороге упругости, определенном по кратковременному нагружению, будет значительная остаточная деформация после длительных нагружений. Структурно неустойчивым сплав может стать также в результате предварительного наклепа. Что же касается неустойчивости тонкой структуры наклепанных сплавов, претерпевающих возврат, то такого рода неустойчивость должна сказываться и в понижении порога упругости, так что указанная взаимозависимость о0 и последействия для них, по-видимому, остается в силе.

Несмотря на возможность остаточных деформаций ползучести или релаксации, ниже о0 атермический предел (порог) упругости, или предел микротекучести, с большим основанием можно считать основной характеристикой пружинных сплавов, имеющей определенный физический смысл и большое прикладное значение.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: