Методика выполнения работы

1. Для проведения лабораторной работы используют образцы для растяжения из алюминия, меди, стали или других металлов и сплавов, температура плавления которых не ниже 600°С.

2. Образцы испытывают на растяжение по методике, изложенной в описании к работе 1, получают зависимость s(ε), аппроксимируют её при помощи выражения (11), определяют коэффициенты аппроксимации α и β.

3. Рассчитывают плотности распределения безразмерных внутренних напряжений f (s^*)по соотношению (30), полагая при этом, что максимальные их значения наблюдаются при переходе от упругой деформации к пластической, т.е. при ε=s_пц / E, где s_пц − предел пропорциональности металла. Тогда

.                                 (33)

3. Функцию f (s) нормируют из условия (32).

4. Рассчитывают значения структурной энтропии при помощи выражения (31). Обработку экспериментальных результатов (опытов на рас­тяжение) целесообразно выполнять на персональном компьютере.

5. Анализируют структурное состояние металла и уровень его неравновесности, их влияние на пластичность. Сравнивается значение энтропии исследуемого металла, со значением равновесной энтропии S ₀, которая для температуры Т =298 К определяется по справочным данным (табл. 3). Для других температур значение равновесной энтропии определяется по соотношению

где Dс _р - изменение теплоемкости металла при изменении температуры от 298 К до Т.

Т а б л и ц а 3

Значение равновесной энтропии для ряда металлов, Дж/моль·К

Металл	Be	Mg	Al	Ti	Fe	Ni	Cu	Mo	Re
	9,553	32,72	28,37	30,71	27,19	29,92	33,39	28,62	37,25

 

Величина D S _стр характеризует уровень запасенной (диссипированной) в металле во время пластической деформации энергии, которая связана в виде дефектной структуры и высвобождается при нагреве:

D Е _дис= − Т D S _стр, Дж/моль.                                  (34)

Результаты расчетов заносят в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Экспериментальные значения коэффициентов аппроксимации и вероятностных характеристик металлов

№п/п	sт0, МПа	α, МПа	β	f (s*)	D S стр, Дж/моль·К	D Е, Дж/моль

 

Работа 4

ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ

И СТРУКТУРНАЯ ЭНТРОПИЯ

Изучение структуры и свойств металлов за последние десятилетия позволило сделать вывод о том, что любое изменение структуры не­избежно влечет за собой изменение свойств, в первую очередь прочностных и пластических. Взаимосвязь структуры металла и уровня внутренних напряжений s _s в нем можно выразить соотношением

,                                           (35)

где Т ₀ - температура, при которой определено значение DS_cтp; D и m − плотность и молярная масса материала. Фактически сомножитель  является размерным коэффициентом корреляции s _s, и D S _стр. С учетом (31) можно записать

,

где −константа.

Приняв в качестве условия пластичности

s = s _s,                                                  (36)

можно утверждать, что предел текучести металла s _s обусловлен структурой металла, т.е D S _cmр, а фактически − вероятностной функцией f (s^*).

Структурная энтропия, как функция аддитивная, состоит из отдель­ных составляющих, учитывающих вклад того или иного структурного элемента:

D S _cтр = D S _{cтр 0} + D S _лег + D S _ф.п + D S _cтр(e) +...,                 (37)

где D S _cтр0 учитывает, присутствие границ, примесей, дислокаций и других дефектов в отожженном материале; D S _лег учитывает вклад легирования в формирование структуры; D S _ф.п − вклад полиморфных (фазовых) пре­вращений; D S _cтр(e) −вклад пластической деформации.

Каждый из компонентов выражения (37) с учетом (35) задает соот­ветствующее изменение прочности металла. Следовательно, формулы (35) и (37) являются математическим описанием положения, согласно которому любое изменение структуры влечет за собой изменение свойств обрабатываемого металла.

Металл, как мы уже отмечали, система вероятностная, поэтому от­дельные стадии формирования структуры при пластической деформа­ции для разных микрообъемов смещены во времени , где −скорость деформации, с⁻¹. Это свидетельствует отом, что при одной и той же величине деформации εв металле можно найти различные стадии структурообразования.

Структура деформированного металла формируется на фоне существующей структуры, которая включает в себя множество отдельных элементов − границы зерен или фаз, дислокации, примеси в виде выделений или отдельных атомов, вакансий, пор и т.д. Во время пластической деформации в ме­талле возникает огромное количество дополнительных дефектов атомно-кристаллического строения, вы­строенных определенным порядком, который часто называют структурой деформированного металла. Сценарий формирования структуры разворачивается по принципу: исходная структура ® дислокации леса ® клубковая структура ® ячеистая структура ® фрагментированная структура ® разрушение, причем структурный переход ячеистая структура ® фрагмештрованная структура сопро­вождается изменением механизма деформации и упрочнения, и, следовательно, изменением закона s(ε). Чембольше деформация металла, тем более сложные и совершенные структуры я нем возникают. Типичная зависимость структурной энтропии от степени деформации для различных металлов представлена на рис. 9.

Цель работы: изучение характера деформационного упрочненияи изменения структурной энтропии D S _стр во время пластической деформации.