Скоростная зависимость прочности металла

Скоростной фактор, наряду с температурным, является важнейшим в практике обработки металла давлением, поскольку определяет как энергосиловые характеристики процесса, так и свойства металла, приобретенные им в результа­те всего цикла обработки. Скорость деформации в реальных схемах об­работки материалов изменяется в широких пределах − от 10⁻⁴ до 10⁴ с⁻¹ и рассчитывается как величина деформации за единицу времени t

,                                                  (42)

или в среднем для всего процесса деформирования металла

.                                                   (43)

При растяжении усредненнно можно принять, что V ₀=D l / t, где V ₀ − ско­рость движения захватов разрывной машины. Тогда

,                                            (44)

где l ₀ − длина рабочей части образца (см. рис. 1).

Влияние скорости деформации особенно сильно сказывается при повышенных температурах Т >0,5 Т _пл. В этих условиях во время пластической деформации одновременно с упрочнением протекают процессы термического разупрочнения. Процессы разупрочнения связаны с распадом структур, возникающих при де­формации, имеют диффузионный характер и происходят за счет движе­ния дефектов кристаллического строения − вакансий, дислокаций и гра­ниц.

Чем больше значение , тем выше уровень дефор­мирующих напряжений, поскольку разупрочнение, имеющее диффузионную природу, успевает протекать за время  в меньшей степени.

Среди процессов термического разупрочнения выделяют отдых, полигонизацию и рекристаллизацию. Если эти процессы происходят не­посредственно во время пластической деформации, то они называются динамическими. При отдыхе дислокационная структура металла харак­теризуется уменьшением плотности дислокаций одного знака Dρ⁽⁺⁾ и Dρ⁽⁻⁾, уменьшением радиуса кривизны дислокаций и незначительным снижением их общей плотности. Во время полигонизации дислокации образуют малоугловые границы (углы разориентации составляют доли градуса), разделяющие весь объем зерна на субзерна. Процесс во многом аналогичен образованию новых границ при пластической деформации.

Во время рекристаллизации в деформированном металле могут обра­зоваться зародыши новых зерен, существенно отличающиеся кристал­логра-фической ориентацией от остального объема зерна. Новые границы при полигонизации или рекристал­лизации появляются, если при температуре деформации Т выполняется условие

.                                          (45)

где Ds - внешние напряжения; - внутренние, связанные с присутствием структуры металла, которую образуют дефекты кристал­лического строения; − удельная поверхностная энергия новой границы; а _гр − среднее расстояние между атомами через новую границу; − энергетический барьер для возникновения новой границы.

Если граница в деформированном металле образовалась, то наряду с существующими границами она приобретает диффузионную подвиж­ность. Движущими силами миграции границ является разность внутрен­них напряжений, действующих на атомы, которые находятся на границе, и на атомы, лежащие на свободной поверхности металла:

D S _стр(e)³ .                                         (46)

где R - локальный радиус кривизны границы. Для процесса миграции границы, происходящего при отсутствии внешних напряжений, напри­мер, когда металл вышел из очага деформации, уравнение движущих сил имеет вид

D S _стр(e) .                                        (47)

По окончании первичной рекристаллизации идет собирательная, для которой движущей силой являются напряжения

.                                                  (48)

Процесс миграции границ заканчивается, если граница приобретает прямо­линейность, т.е. при R®¥. На своем пути граница «заметает» дефекты кристаллического строения, энергия которых D S _стр(e) расходуется частично на сам процесс миграции, а частично рассеивается в окру­жающее пространство в виде теплоты.

Кинетика миграции границ может быть описана уравнением

.                               (49)

где k − постоянная Больцмана, k =1,38·10⁻²³ Дж/К; R - средний радиус зерна в металле; Д − коэффициент диффузии при температуре Т; s_дв0 − движущие силы процесса, согласно выражениям (46)÷(48); l − время релаксации.

Выражение (49) определяет размер зерна R ко времени t _к. При t _к®¥ R _¥= , т.е. R _¥ - максимальный путь, который может пройти граница зерна во время миграции под действием сил s_дв(t). Фактически R _¥ представляет собой максимальный размер зерна, который формируется в деформированном металле в результате термического разупрочнения. Тогда, согласно (49), для текущего времени t

.                                        (50)

При помощи (50) можно найти время, при котором зерно достигнет заданного размера R = R_i при известной температуре отжига:

.                                           (51)

При этом скорость разупрочнения металла . Влияние скорости деформации на значение деформирующих на­пряжений особенно велико, если  соизмеримо со скоростью деформа­ции . В этом случае кривые s(ε) имеют вид, показанный на рис. 11. По­добный характер зависимостей s(ε, ) для T =const можно пояснить при помощи модели упруговязкопластической среды с упрочнением, меха­нический аналог которой рассмотрен в работе 3 и показан на рис. 8. Поскольку элемент Ньютона − демпфер, имитирующий разупрочнение, включен последовательно пружине h, характеризую­щей деформационное упрочнение металла, а это общее звено парал­лельно элементу Сен-Венана s=s_т, то работа демпфера возможна при условии s>s_т. Это означает, что уровень напряжений в металле может снижаться (релаксировать) только до значений предела текучести в не­деформированном состоянии. При напряжениях s<s_т термиче­ского разупрочнения и релаксации напряжений в металле проис­ходить не может.

Цель работы: изучение скоростной зависимости деформирующих напряжений.