WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 42 |

Сложность использования аналитических методов оценки активационных параметров связана с неприменимостью исходных данных для расчета, взятых из физических справочников [247], вследствие ряда особенностей модифицированного состояния материала поверхностного слоя. Их экспериментальная оценка, например, методами дифракции медленных электронов, спектроскопии поверхности и т. п.

весьма затруднительна и делает этот способ оценки нерациональным.

Интересная физическая концепция разрушения, развиваемая в работах Ламберта, Цвики, Борна, Фюрта, Сайбеля, Поляни, Орована и др., основана на связи механических и термических свойств материалов [243]. Так, Фюрт предложил рассчитывать удельную энергию U разрушения некоторого объема dV исходя из скрытой теплоты плавLT ления материала :

S U = dV L. (3.3) TS Ведущую роль скрытой теплоты плавления в энергетике процесса разрушения признавали И.А. Одинг, Н.Ф. Лашко и др. Предполагая, что в процессах плавления и пластической деформации металлов активированные атомы преодолевают один и тот же энергетический барьер, составленный силами межатомного взаимодействия, В.С. Иванова и Ю.И. Рагозин предложили идею энергетической аналогии этих процессов. В подтверждение данной гипотезы была получена линейная корреляция между экспериментальными значениями энергии предельной деформации и удельной энергией, найденной из выражения TS TX А = L - C dT - dT, (3.4) C р TS p p TX где T – температура плавления металла, Cp – разность между удельS ной теплоемкостью в жидком и твердом состояниях. Данная модель позволяла получать хорошие результаты для отожженных пластичных металлов ниже температуры рекристаллизации. Для хрупких и Ар деформированных металлов величина должна учитывать запасенную энергию в исходном состоянии.

Известны попытки аналитической оценки параметров кинетики повреждаемости и разрушения материалов на основе фундаментальных представлений физики металлов. В соответствии с дислокационной теорией прочности удельную энергию разрушения можно определить из выражения [121] А Q, (3.5) р кр кр где – критическая плотность дислокаций (для металлов 1011...см-1); Q – средняя энергия дислокаций на единицу дликр ны, которая в среднем равна [121] Gb Q =, (3.6) 3(1- µ ) µ где b – вектор Бюргерса; – коэффициент Пуассона; G – модуль сдвига.

Интегральную оценку удельной энергии единицы длины дислокации можно найти как отношение выделившейся при рекристаллизации удельной энергии к общей длине дислокационных линий. Данный метод, требующий проведения калориметрических и электронно-микроскопических исследований, использовали в своей работе Бейли и Хирш [121].

Эксперименты [119] показали, что запасенная энергия зависит не только от скалярной плотности дислокаций, но и от характера их взаимного расположения и взаимодействия друг с другом и точечными дефектами. Однако даже в упрощенной постановке задача точной оценки энергии взаимодействия дефектов в обозримом будущем представляется маловероятной. Имея отдельные модели поведения некоторых видов дефектов, составить из них общую картину деформирования материала пока не удается вследствие астрономически большого числа и стохастического характера их возможных размеров, концентрации, комбинаций и т. д. Поэтому соотношение (3.5) является приближенным, и можно ожидать, что фактические значения запасённой энергии в приработанном материале поверхностного слоя могут существенно отличаться от расчетных значений, полученных по формуле (3.5).

Кроме того, можно подчеркнуть, что при всем разнообразии подходов к теоретической оценке энергии активации разрушения ни в одном из них не был отражен факт существенного влияния среды на прочность поверхностного слоя.

3.4. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Кинетическая теория находится в фазе интенсивного развития.

Появляются новые теории, объясняющие известные отклонения от уравнения С.Н. Журкова, наблюдаемые, например, при криогенных температурах, при сверхвысоких скоростях деформирования и т. д. В частности, при изучении кинетики разрушения материалов в условиях низких температур в работе [206] было показано, что при охлаждении материалов после определенных температур их долговечность перестает изменяться. Для объяснения данного эффекта авторы вместо представлений о термофлуктуационном механизме атомно-молекулярных переходов потенциальных барьеров привлекли квантовофлуктуационное понятие о туннельных переходах, время ожидания которых от температуры практически не зависит.

Все больше внимания уделяется электронной подсистеме в описании прочностных свойств материалов. Данное направление возникло по очевидным соображениям, поскольку сила связей между атомами обусловлена взаимодействием их электронных оболочек. Однако учет и описание электронных процессов в кинетике разрушения только начинают развиваться. Известны новые методики оценки активационных параметров разрушения материалов, основанные на аналогии электрического разрушения пленок диэлектриков при пробое и их механического разрушения. При этом зависимость времени ожидания пробоя от температуры и напряженности электрического поля подобны зависимости долговечности от температуры и механических напряжений [206]. Результаты испытаний керамик и полимеров подтвердили правомерность такого подхода [205] и показали, что в обоих процессах элементарные кинетические акты являются идентичными.

В работе [206] развивается модель, в которой в качестве первичного акта рассматривается ионизация молекул за счет стока электронов в «ловушки», где они накапливаются до критической величины, после чего наступает электрический пробой.



В данном разделе рассматриваются наиболее известные методы экспериментальных исследований активационных параметров разрушения материалов, а также предлагаются новые способы, адаптированные к оценке состояния тонких поверхностных слоев.

3.4.1. ОЦЕНКА ЗАПАСЕННОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ МАТЕРИАЛА В структурно-энергетическом подходе основной вклад в энергию активации разрушения вносит критическое значение скрытой энергии деформации (ее также называют «запасенной энергией», «накопленной энергией», «скрытой энергией наклепа» и т. д.). Данная энергия получила название скрытой, поскольку ее присутствие и аккумулирование в деформируемом металле не имеет внешних признаков и проявляется только в повышении сопротивления деформации и она выделяется при нагреве материала до определенных температур в процессе возврата или рекристаллизации, а ее величина зависит от природы метала, а также от его структуры и режимов деформирования [121].

Оценку энергии активации кинетических процессов при термическом воздействии производят методом микрокалориметрии [90, 132, 262, 239]. Данный метод заключается в том, что исследуемый материал нагревают до температуры, при которой происходит активация рассматриваемого процесса, и определяют высвобождаемую при этом тепловую энергию. Таким образом, можно определить энергию активации образования химических связей, деструкции молекул, а также процессов отпуска, рекристаллизации, сублимации атомов и др. Запасенную энергию пластической деформации в металлах этим методом можно определить за счет теплового эффекта, который сопровождает процесс перераспределения и аннигиляции дислокаций [121], активируемый нагревом материала до определенных температур. При этом происходит релаксация внутренних напряжений. При изотермическом отжиге происходит полная релаксация, протекающая в два этапа: сначала при динамическом возврате, затем при рекристаллизации. Таким образом, если после доведения материала до состояния предразрушения в ходе предварительных испытаний произвести его изотермический отжиг и оценить получаемый при этом тепловой эффект, можно определить энергию активации разрушения данного материала.

Калориметрический метод, основанный на измерении тепла, выделяемого в металле, использовали при изучении неупругости металлов под воздействием циклических нагрузок Гопкинсон, Вильямс, Хэг и др. Известны простейшие калориметрические методики оценки рассеянной в материале энергии (рис. 3.4, а), в которых образец 3 помещался в емкость 1 с охлаждающей средой 2 и образцу сообщалась знакопеременная вибрационная нагрузка. В процессе усталостных испытаний микроскопом 5 контролировалась амплитуда виброперемещений, а термометром 4 – нагрев среды 2 под действием тепловыделения в материале. В других методиках испытываемый образец помещался в поток охлаждающей жидкости; при этом тепловыделение в деформируемом материале оценивалось по разности температуры потока до контакта с образцом и после него.

Калориметрические измерения тепловых эффектов являются объективным и достаточно точными. При усталостных испытаниях материалов этот метод часто применяется для оценки той части энергии, которая рассеивается в виде тепла и является «безопасной» с точки зрения повреждаемости материала. Недостатки данного метода – инерционность, необходимость контроля всех источников излучения тепла, сложность его использования при неоднородном напряженном состоянии [239], а также нечувствительность к структуре и анизотропии материала. Кроме того, нагрев трудно локализовать в исследуемом тонком поверхностном слое, накапливающем при трении упругие искажения кристаллической решетки. Таким образом, калориметрические испытания могут быть полезны только для приближенной, интегральной оценки запасенной энергии образцов при трении.

3.4.2. ИСПЫТАНИЯ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ МАТЕРИАЛА Наиболее представительная часть экспериментов по определению активационных параметров разрушения материалов была получена при термокинетических испытаниях образцов на длительную прочность при ползучести. При исследовании кинетики процесса ползучести материалов обнаружилось, что скорость деформации в зависимости от внешних факторов может быть достаточно хорошо описана выражением Аррениуса для оценки скорости химических реакций [257]:

E ln k = - + B, (3.7) R T где k – константа скорости реакции, Е – энергия активации химической реакции.

Это дало повод предположить, что в процессе деформации на микроуровне участвуют элементарные акты, имеющие термоактивационную природу, а скорость процесса, по аналогии с кинетикой реакций, контролируется высотой энергетического барьера, который удерживает активационную частицу материала в устойчивом состоянии. В кинетической теории в качестве активационных частиц принимают атомы и молекулы вещества, для которых возможны акты разрушения связей под действием тепловых флуктуаций. Так как тепловое поле кристаллов на микроуровне не является однородным, в результате случайного взаимодействия отдельные атомы могут приобрести избыточную кинетическую энергию, достаточную для самостоятельного преодоления энергетического барьера и перехода в новое устойчивое состояние. Такой подход впервые был успешно использован Кауцманом при исследовании текучести металлов при высоких температурах [257]. Теорию абсолютных скоростей реакций и математический аппарат химической кинетики применительно процессу повреждаемости твердых тел успешно использовали И.Г. Вагнер, С. Глесстон, К. Лейдлер, В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский и др.





Применительно к изучению длительной прочности и долговечности твердых тел термофлуктуационная теория нашла наиболее полное развитие в трудах С.Н. Журкова [102-105], который на основе анализа вероятности появления тепловых флуктуаций установил выражение (2.15) для оценки долговечности единичной связи в поле действующих механических напряжений. Основной мыслью его концепции является то, что разрушение межатомной связи происходит в результате появления случайного избытка кинетической энергии атома (термической флуктуации), а внешнее напряжение оказывает влияние только на величину потенциального барьера, уменьшая его. Отсюда видно, что неустойчивость материала, приводящая к его деформации или разрушению, может быть вызвана за счет термоактивационного и атермического механизмов. В терминах кинетической теории в первом случае интенсивность повреждаемости материала определяется вероятностью появления термических флуктуаций критической величины, достаточных для протекания элементарных кинетических актов. При нагреве материала возрастает средняя кинетическая энергия всех частиц и, соответственно, увеличивается частота появления термических флуктуаций. Во втором случае энергетический барьер преодолевается преимущественно за счет механического отклонения частиц от положения равновесия, что уменьшает величину критической флуктуации до уровня, характерного для данной температуры.

В результате анализа большого количества накопленного экспериментального материала по исследованию длительной прочности материалов С.Н. Журков вывел эмпирическое уравнение долговечности макроскопических тел, находящихся в поле действующих нагрузок и температур, которое оказалось подобным выражению Я.И.

Френкеля для оценки среднего времени ожидания термической флуктуации. Исследования энергии активации разрушения металлических образцов при растяжении в режиме высокотемпературной ползучести показали, что их величины весьма близки к энергии активации сублимации атомов. Это дало повод искать физический механизм, объединяющий данные процессы. В работе [207] этот механизм объясняют образованием вакансий, которые в большом числе появляются как при ползучести, так и при сублимации атомов. Таким образом, полученные данные указывали на вакансионный механизм роста пор и разрушения материалов при ползучести. Скорость деформации может быть описана выражением U( ) = exp, U( ) = U -, (3.8) 0 R T где – скорость ползучести; t – время до разрушения; – постоянp ный множитель; U() – эффективная энергия активации; U, – активационные параметры.

Работы по экспериментальной оценке активационных параметров материалов проводились путем многочисленных экспериментов по оценке материалов на ползучесть и длительную прочность. Среди них можно выделить два направления: первое развивали советские ученые В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.И. Томашевский, В.В. Шпейзман и др. под влиянием идей С.Н. Журкова о термофлуктуационной природе прочности материалов; второе развивалось школой под руководством Дж.

Дорна с опорой на теорию скоростей химических реакций. Различие между этими направлениями состоит в том, что в первом направлении исследования проводились на базе существующей термофлуктуационной теории; во втором за основу приняли феноменологическую зависимость, которая наиболее полно отвечала экспериментальным результатам, с тем чтобы создать экспериментальную базу для разработки новых теорий. Кроме того, несмотря на общий термодинамический подход, указанные школы использовали различные методы оценки активационных характеристик. Это привело к взаимодополнению выводов, полученных из анализа проведенных испытаний.

Известны методики [207, 221] оценки энергии активации разрушения материалов по результатам испытаний на длительную прочность на основе уравнения долговечности С.Н. Журкова (2.15). При этом образцы материалов подвергают нагружению (растяжению, сжатию, сдвигу), определяют долговечность при ряде значений темпер ( ) ратуры и напряжения (рис. 3.1, а), строят зависимости lg =f Tр (рис. 3.1, б), из которых по формуле (lg ) U( ) = 2,3 R (3.9) - (T ) определяют значения U() при различных нагрузках, строят зависиf мость U()= () (рис. 3.1, в). Энергию активации разрушения U находят путем экстраполяции величины U() при =0.

В авторском свидетельстве [65] с целью повышения точности оценки энергии активации материала при характерном для трения напряженном состоянии в известный способ внесен новый элемент, приближающий условия испытания к условиям трения. Повышение точности оценки достигается тем, что энергия активации определяется при напряженном состоянии испытываемых образцов, подобном напряженному состоянию поверхностного слоя материала при трении. Такое напряженное состояние достигается путем одновременного приложения к образцу сжимающей и сдвигающей нагрузки с эквивалентным напряжением 2 = + 3, (3.10) экв где – нормальная, – касательная составляющая действующих напряжений [3, 65].

lg 1 2 3 - - - -14 t 0 1 1,82 2,1 2,83 3,4 4 1/Т U, кДж/моль 10 15 20 25 30 35 40, кг/ммв 1 2 3 lg - - - 10 15 20 25 30, кг/мма б Рис. 3.1. К описанию методики оценки энергии активации разрушения:

а – пример результатов испытания на длительную прочность, 1 – 300 °С, 2 – 200 °С, 3 – 85 °С, 4 – 18 °С;

б – пример температурной зависимости, 1 – 10кг/мм2, 2 – 15 кг/мм2, 3 – 20 кг/мм2, 4 – 25 кг/мм2;

в – пример зависимости энергии активации от напряжений М М а б Рис. 3.2. Схема установки для испытания на длительную прочность:

Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.