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; sдв0 − 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 sдв(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 = Ri 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=sт, то работа демпфера возможна при условии s>sт. Это означает, что уровень напряжений в металле может снижаться (релаксировать) только до значений предела текучести в недеформированном состоянии. При напряжениях s<sт термического разупрочнения и релаксации напряжений в металле происходить не может.
Цель работы: изучение скоростной зависимости деформирующих напряжений.