WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 19 | 20 || 22 | 23 |   ...   | 42 |

а – общий вид установки; б – эскиз реверсора; 1 – привод продольной, 2 – сдвиговой деформации Соотношение и определяется при экспериментальном измерении значения коэффициента трения для испытываемых образцов. В установке для испытаний, изображенной на рис. 3.2, а, для создания вращательного момента М применяли специальный реверсор (см. рис. 3.2, б).

В вышеприведенных методах принималось допущение о постоянстве величины энергии активации во всем диапазоне температур, который использовался при испытаниях образцов. Отчасти это было верно, поскольку в целях ускорения исследований подобные эксперименты проводили при высоких температурах (до 600 °С), при которых доминирующим механизмом деформации является высокотемпературная ползучесть [207, 221]. В настоящее время установлено, что деформация может осуществляться за счет различных механизмов, действующих на микроуровне, каждый из которых имеет собственную величину энергии активации. Доказательством тому являются эксперименты, поставленные Д. Дорном с сотрудниками [132].

Один из вариантов его метода [257] состоит в определении времени t, за которое при заданном напряжении =const и нескольких различных температурах достигается определенная деформация ползучести = const. Из зависимости lnt от 1/T, которая линейна, непосредственно следует величина энергии активации как наклон этой прямой.

Другой вариант основан на предположении, что малое и быстрое изменение (повышение или понижение) температуры в процессе ползучести при данном напряжении не вызывает изменений в структуре.

Если температуре Т отвечает скорость ползучести, измеренная непосредственно перед изменением температуры с Т до Т, а температу1 ре Т отвечает скорость ползучести 2, измеренная непосредственно после изменения температуры от Т до Т, то уравнение для оценки 1 эффективной энергии активации U() (с учетом механических напряжений) запишется как T T 2 1 U( ) = k ln. (3.11) T - T 1 2 Каждый из указанных приемов внес определенное уточнение в получаемый результат, однако принципиально не решил проблему оценки активационных параметров в материале поверхностного слоя с учетом его модификации.

Самые существенные изменения в материале поверхностного слоя происходят непосредственно в процессе трения вследствие механического и физико-химического взаимодействия контактирующих поверхностей, приводящего к деформации (наклепу), текстурированию материала, изменению его элементного состава (перенос вещества из контртела и внешней среды), химической модификации (преимущественно образование оксидов), изменению плотности, теплопроводности и др.

характеристик, что приводит к существенному отличию значений энергии активации разрушения материала в поверхностном слое и в объеме.

Известен способ исследования энергии активации разрушения материала поверхностного слоя методом микротвердости [158, 207], при котором измеряют диагональ отпечатков индентора D при разных температурах, нагрузках на индентор и продолжительности действия нагрузки (рис. 3.3, а). По измеренным данным D(t) находят мгновенную скорость внедрения индентора h (t) и соответствующее h ей напряжение, строят зависимость lg (t)-Hµ(t) для каждой темпера h туры, перестраивают в координатах lg (t)-1/Т при разных значениях h микротвердости Hµ (рис. 3.3, б) и путем экстраполяции lg (t)-1/Т при 1/Т=0 находят величину lgh. Затем по формуле h h U(Hµ )=2,3RTlg( / ) (3.12) f получают зависимость U(Hµ)= (Hµ), и путем экстраполяции при Hµ =находят энергию активации U (рис. 3.3, в).

Главное преимущество последнего способа состоит в том, что энергия активации разрушения исследуется в тонком поверхностном слое материала, отражающем аномалию его свойств, обусловленную границей твердого тела (обрывом связей) и последствиями его обработки. Однако при этом невозможно оценить влияние анизотропии механических свойств при совместном действии нормальных и касательных напряжений, действующих на поверхности при трении.

1 103 D, град-T 0 2 3 - -142 кг/мм -137 кг/мм - -135 кг/мм - - - - 20° С - - 85° С - - 150° С - - ln h 0 20 40 ВРЕМЯ, с U0, кДж/моль - 150° С - 85° С - 20° С 0 120 130 МИКРОТВЕРДОСТЬ, Н, кг/ммв б а Рис. 3.3. К описанию способа оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя методом микротвердости:

а – зависимость размера диагонали отпечатков от времени выдержки;

б – зависимость скорости внедрения индентора от обратной температуры;

в – зависимость энергии активации от нагрузки Существует вариация данного способа, когда при испытании на разрывных машинах задают скорость деформации и температуру образцов, после чего измеряют действующее напряжение и также подставляют эти значения в формулу (2.15). Из выражения (2.15) сначала рассчитывают величину эффективной энергии активации U()=U -·. Затем U определяют методом графической экстраполя0 ции зависимости U()=f() до точки =0, а коэффициент оценивают как тангенс угла наклона этой зависимости.

Благодаря возможности создания при испытаниях различных схем напряженно-деформированного состояния, варьирования температурных условий, позволяющих активировать широкий спектр кинетических процессов, данный способ получил широкое распространение. Однако получаемые при этом оценки характеризуют состояние материала в объеме, а не в поверхностном слое. Таким образом, установленные требования выполняются не полностью.

3.4.3. ИСПЫТАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ МАТЕРИАЛА Механическое воздействие на материалы даже при нагрузках ниже предела упругости сопровождается их неупругой деформацией.



При малых нагрузках холодная пластическая деформация развивается в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах, при высоких – происходит макропластическое течение. В работе [248] показано, что истинные деформации при различных видах нагружения (растяжение, волочение, сдвиг и др.) могут достигать значений = 10 и выше, причем с повышением степени деформации зависимость между напряжениями и деформациями становится почти линейной. В работе [187] также показана почти линейная зависимость скрытой энергии деформации от степени деформации, при этом относительная деформация доходила до 1,6. Большая часть потраченной на деформацию механической энергии рассеивается в виде тепла, но некоторая часть запасается в виде энергии упругих искажений кристаллической решетки, на что впервые было указано Хортом [248]. Исследования показали [232], что при деформациях менее 20% медь аккумулирует 8..12%, алюминий – 7...8%, сталь – 12...16% всей затраченной энергии. При статической деформации скрытая энергия доходит до 10...15%, а при динамической – до 20...25% от всей рассеянной энергии [187]. Именно запасенная в материале часть энергии является ответственной за его разрушение при любых формах повреждаемости, в том числе и при деформации трением, когда энергия накапливается в приповерхностном слое [18]. Так, И.Д. Файнерман отмечает [172], что на изнашивание затрачивается энергия меньшая, чем работа силы трения, так как часть этой работы (большая часть!) затрачивается на излучение тепла, звука, экзоэлектронную эмиссию и др. процессы.

С ростом запасенной энергии интенсивность ее поглощения уменьшается в несколько раз. В момент разрушения величина накопленной энергии достигает критического значения. После снятия деформирующих усилий запасенная энергия частично релаксирует.

Степень релаксации зависит от материала, вида напряженно-деформированного состояния и длительности «отдыха». При длительных выдержках в условиях комнатной температуры релаксация вызывает незначительные снижения макронапряжений: для малоуглеродистых сталей – 4...5%, для углеродистых сталей (0,2...0,4%) – 3%, для меди – 15...20% [232]. Для определения величины скрытой энергии используют различные косвенные энергетические характеристики: полная затраченная работа, энергия теплового излучения и т. д. Так, запасенную энергию можно найти как разность между затраченной работой и эмитированной энергией (в виде тепла, акустических эффектов и т. д.). В случае создания условий, близких к изотермическим, в материале запасается почти вся затраченная на деформацию энергия, поэтому с определенной степенью точности их можно принять равными.

Способы обеспечения изотермических условий могут быть различными. Например, такая оценка активационных параметров разрушения при механической активации материала может выполняться при условии, что скорости деформации достаточно велики, чтобы за время данного процесса не успевал произойти теплообмен, или в том случае, если действующие при испытаниях нагрузки близки к истинной прочности материала. В этом случае можно принять, что 0 и tр. Это допущение оправдано тем, что при действии максимальных для данного материала нагрузок скорость деформации и время до разрушения принимают также максимальные значения. Поэтому такие нагрузки способны вызвать практически мгновенную потерю устойчивости (разрыв, деформацию) испытываемого образца. Еще один способ приравнять работу разрушения к изменению плотности внутренней энергии материала – выполнять деформацию в условиях хорошего теплоотвода, чтобы обеспечить изотермический характер данного процесса. При указанных допущениях первое слагаемое в энергетической модели (2.30) становиться пренебрежимо малым, так как отношение t приближается к единице, а его логарифм – к p нулю. Таким образом, процесс можно рассматривать как атермический.

Механическая энергия, затраченная на активацию какого-либо процесса, имеет смысл работы А напряжений по изменению объема тела или A = dV = FdL L работы сил по перемещению материала на пути, т. е..

V L Таким образом, энергию активации пластической деформации можно интерпретировать как плотность механической работы, затраченной на пластическое оттеснение элементарного объема dV, или работы сил по перемещению частиц материала на элементарном пути dL.

Анализу методов оценки скрытой энергии разрушения и исследованию кинетики энергетических изменений в процессе пластической деформации материалов посвящены работы М.А. Большаниной, В.Е.

Панина, Э.Л. Титчнера, Л.М. Клербро, М.Е. Харгривса, Б.К. Барахтина, С.А. Иванова, П.П. Петрова и др. [18, 121], которые впервые установили основные закономерности накопления скрытой энергии деформации. Суть полученных ими результатов сводится к следующим положениям [121]: 1) по мере деформации материала интенсивность роста скрытой энергии убывает с тенденцией к насыщению; 2) накопленная энергия деформации значительно превышает энергию упругой деформации материала; 3) физически скрытая энергия формируется за счет образования и взаимодействия линейных, точечных и др. дефектов кристаллической решетки.

Удельная энергия механически активируемого разрушения при пластической деформации может быть найдена методом планиметрирования как площадь под кривой «истинное напряжение – истинная деформация» [121] (рис. 3.4, д). Для расчета данной площади применяются различные методы [239], основанные на выборе той или иной аппроксимирующей зависимости, описывающей истинную диаграмму деформирования.





4 3, а б в t ист W Z0 ZАмплитуда колебаний max р Z0max А B t Ар а в р г д е F в Fmax а ж з и s Ас А а Рис. 3.4. Схемы различных методов оценки энергетических параметров разрушения материалов l р с э Один из вариантов данного подхода представлен в методике Швиннинга, в которой образец, находящийся под нагрузкой, периодически разгружают, находят его диаметр в наименьшем сечении и (1- ) определяют эффективное удлинение = вплоть до разрушеэ с с ния образца, после чего строят зависимость «напряжение – эффективная деформация» (рис. 3.4, ж), площадь под которой и давала величи э Ас = d ну энергии разрушения при пластической деформации э. На основе анализа механических свойств пластичных металлов Л. Жильмо и Ж. Шиной предложили следующее выражение для расчетной Ас оценки [121]:

a a n А n+А n+k А 1+ 1 э Ас = ( + 2 ) + 4,6 (1+ )lg + (1+ ) - s b b э b э, (3.13) 3 1+ 1+ 1- э где s, b – соответственно пределы текучести и прочности; – относительное удлинение к моменту разрыва. Некоторые из полученных Л. Жильмо экспериментальных результатов по определению удельной энергии разрушения различных материалов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.Данные [121] по энергии активации разрушения металлов при механической активации МЕТАЛЛ Та Fe Ni Al Sn Zn (0.032C%) Удельная энергия разруше- 13,7 6,5 6,4…6,9 5,5 0,4…1 0,ния А, кДж/моль с Традиционно характеристики механических свойств материалов определяют по классическим диаграммам деформирования при одноосном растяжении. В этом случае работу, затрачиваемую на разрушение материала при разрыве, можно упрощенно рассчитать как полА = Fmax l ную площадь диаграммы растяжения (рис. 3.4, з), где – коэффициент заполнения диаграммы (например, для стали Ст=0,85…0,87) [3]. Недостаток данного подхода заключается в сложности учета возрастающей неоднородности напряженно-деформированного состояния материала образца с повышением нагрузки. Применительно к поверхностным слоям работу деформации при индентировании методом DSI (continues-depth-sensing indentation testing) также на3 А = mFmax m 1,2...1,ходят как функцию максимальной нагрузки, где [244].

Известно, что при упругом нагружении твердого тела в материале запасается потенциальная энергия, которая после разгрузки высвобождается и затрачивается на восстановление его исходной формы.

Однако фактически количество запасенной и высвобожденной энергии не одинаково, материал всегда поглощает энергии больше, чем отдает, вследствие частичного рассеяния энергии на тепло (внутреннее трение) и аккумулирования в материале в виде энергии упругих искажений кристаллической решетки (дефектов). Способность материала поглощать подводимую извне энергию называется демпфирующей способностью, для оценки которой существует множество методов: калориметрический метод, метод Кимбала-Лазана, фазовый метод, метод резонансной кривой, метод статической петли гистерезиса, метод динамической петли гистерезиса и др. [239].

Метод свободных затухающих колебаний заключается в возбуждении в материале данных колебаний (например, однократным ударом) с последующим расчетом логарифмического декремента колеба) ) An, An+ 1, An+ k ний = ln( An An+ 1 k ln( An An+, где – амплитуды затухаю1 k k щих колебаний, соответственно текущая, следующая и после коле баний (рис. 3.4, е). При небольших значениях величина относительного рассеяния энергии составляет = 2. Данный метод имеет широкое использование в работах Г.С. Писаренко и др., его отличают простота и точность. При этом необходимо учитывать потери энергии в заделке, влияние формы и размеров образцов, вида напряженного состояния и др. трудноучитываемые факторы. Кроме того, величина декремента затухания, будучи связанной с поглощаемой материалом энергией, не является в полном смысле энергетической характеристикой процесса, его термодинамическим параметром.

Метод Кимбала-Лазана позволяет при вращении консольно закрепленного образца с грузом на его свободном конце определять D = Kп H рассеиваемую в единице объема энергию по формуле, где max Kп max – максимальное напряжение в образце, – постоянная, зависяН щая от формы образца, – общее горизонтальное перемещение при реверсировании, замеренное на конце образца (рис. 3.4, б) [239]. При этом величина составляет = 2 Н y, где y – вертикальный прогиб конца образца. Метод прост и нашел широкое практическое применение, но корректность результатов страдает из-за неоднородности напряженного состояния по сечению испытываемого образца.

Фазовый метод оценки неупругой энергии, рассеиваемой в материале, основан на измерении сдвига фаз между эпюрами напряжений и деформаций. Причем деформации опережают напряжение. Коэффициент относительного рассеяния энергии равен = D W = 2 sin, где упругая деформация за полуцикл равна W = 2, а неупруго рассеa a D = sin янная энергия составляет (рис. 3.4, в). Метод достаточно a a интересен и ценен тем, что в настоящее время не представляет проблемы одновременная запись эпюр напряжений и деформаций для точной оценки сдвига фаз, построения полной петли гистерезиса и последующего расчета рассеянной в материале энергии. Главный недостаток метода – ангармонизм изменения деформаций во времени при больших нагрузках.

Последний метод на практике используются редко из-за относительной сложности постановки эксперимента и недостаточного обоснования корректности (косвенности) получаемых данных. В литературе имеется мало сведений о результатах его применения, что затрудняет оценку области эффективного использования [239].

Pages:     | 1 |   ...   | 19 | 20 || 22 | 23 |   ...   | 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.