Методика выполнения работы

1. Для проведения лабораторной работы используют образцы для растяжения из различных металлов − свинца, цинка, олова, алюминия, меди и других, причем для каждой бригады студентов подготавливают партию из 5 образцов одного металла.

2. Выполняют испытание образцов на растяжение при комнатной температуре, записывают диаграммы Р (D l) для различных скоростей деформации. Необходимым условием выполнения работы является различие минимальной и максимальной скоростей деформации не ме­нее чем в 100 раз. Для этого необходимо заранее рассчитать зада­ваемые на разрывной машине 5 скоростей растяжения для 5 испытуе­мых образцов.

3. По диаграммам растяжения 5 образцов строят диаграммы s(ε, ), аналогичные приведенной на рис. 11, для каждой скорости деформации  определяют  s_0,2, s_в, δ.

4. По данным п.3 строят зависимость s_0,2, s_в, δ ().

5. Выполняют анализ полученных зависимостей и объясняют, поче­му для некоторых металлов (Pb, Zn, Sn) существует явная зависимость s(), а для других (Си, Al, Fe) эта зависимость практически неощутима. Для подобного анализа целесообразно воспользоваться соотношениями (45)÷(49). В табл. 5 сведены данные, необходимые для расчетов. Коэф­фициент диффузии можно найти при помощи соотношения , где Д ₀- предэкспоненциальный множитель; Q - энергия актива­ции; R - универсальная газовая постоянная.

Т а б л и ц а  5

Некоторые свойства исследуемых металлов

Металл	а, нм	Д 0, м2/с, ·1014	Q, кДж/моль	, Дж/м2	D, кг/м3, ·10−3	m, кг/моль ·103
Рb	0,495	7,56	116,81	1,04	11,34	207,2
Zn	0,495	0,39	104,25	0,105	7,14	65,38
Sn	0,650	7,7	107,2	0,74	7,29	118,69
Al	0,405	1,71	142,35	1,04	2,7	27,0
Сu	0,362	0,33	205	1,12	8,93	63,55

Для удельной поверхностной энергии межзеренной границы в расчетах следует принимать = (0,15...0,6) , или =0,5 , а _гр=1,1 а, R ≈1·10⁻⁴ м.

 

Работа 7

РЕЛАКСАЦИЯ  напряжений  И  ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ

Релаксация (ослабление) напряжений - это явление уменьшения деформирующих напряжений; релаксация напряжений приводит к снижению сопротивления деформации при уменьшении скорости деформации, см. рис. 11. В основе релаксации напряжений при пластической деформации лежит термическое разупрочнение металла со стадиями отдыха, полигонизации и рекристаллизации. Термическое разупрочнение проявляется наиболее явно при высокой температуре и небольшой скорости деформации.

В согласии с принципом самоорганизации металл стремится сбросить деформационное упрочнение, приобретенное во время пластической деформации. Этот процесс развивается во времени и происходит одновременно с деформационным упрочнением.

Опыты на релаксацию напряжений проводят для определения основной характеристики процессов разупрочнения - времени релаксации λ, а также для определения вероятностной характеристики металла − плотности распределения вероятности времени релаксации р (l). За время l деформационное упрочнение уменьшается в e раз, где e - основание натуральных логарифмов. Время релаксации λ - величина вероятностная, а выражение

                                    (52)

определяет математическое ожидание времени релаксации; s_р(λ) - время релаксации в некотором микрообъеме. Плотность распределения вероятности времени релаксации р (l) определяют при помощи соотношения

.                                       (53)

Экспериментально установлено, что для любого из возможных механизмов релаксации, происходящих в микрообъемах с различными свойствами,

,                                           (54)

где s₀ - уровень заданных в системе напряжений (рис. 12); s_р - величина, на которую напряжения релаксировали (ослабли) ко времени t = t ₁; s₀-s_р - величина действующих в металле к данному времени t ₁ напряжений; - скорость релаксации; l - некоторая характеристика релаксационного процесса в металле, имеющая размерность времени и названная временем релаксации.

Рис. 12. Типичная зависимость изменения напряжений s во времени t при проведении опытов на релаксацию	Рис. 13. Кривые упрочнения и релаксации напряжений для низких (1) и высоких (2) температур испытания c участками релаксации (I) sр1 и (II) sр2

 

Исследуют релаксацию напряжений при помощи механических испытаний, например, опытов на растяжение. Металл быстро нагружают до заданного уровня напряжений деформационного упрочнения, а затем мгновенно останавливают захваты машины и фиксируют их. Характерная зависимость напряжений от времени t в подобных испытаниях представлена на рис. 13. Как видно, экспериментальная зависимость на рис. 13 может быть представлена как состоящая из двух участков. Первый участок, который наблюдается после остановки захватов разрывной машины при t = t ₀ и является переходным от деформационного участка к релаксационному, а на втором участке кривая s(ε) представляет собой падающую экспоненциальную кривую. При t → t _к Ds_упр→0, где Ds_упр - деформационное упрочнение. Такая зависимость, когда при некотором конечном времени испытания t → t _к Ds_упр→0, характерна для высоких температур, например, T ≥0,5 T _пл, где Т _пл - температура плавления, при которых активны диффузионные процессы.

Проведем опыты на релаксацию напряжений при низких температурах, например, Т £0,25 Т _пл, когда скорость диффузионных процессов низка. Выполнив испытания, получим зависимость Ds_упр(t), кривая 1 на рис. 13.

Можно отметить, что при низких температурах происходит релаксация напряжений, но величина релаксированных напряжений s_р (величина разупрочнения, происходящего во времени после снятия нагрузки) составляет всего 5¸10% от уровня достигнутого при деформации упрочнения. Таким образом, при низких температурах деформации релаксация напряжений незначительна, т.е. упрочнение снимается лишь частично. Полное снятие деформационного упрочнения возможно при повышении температуры за счет процессов термического разупрочнения (рис. 13, кривая 2).

Какие процессы лежат в основе низкотемпературной релаксации напряжений?

Проведем одновременную запись изменения напряжений и температуры при растяжении. На рис. 14, а, б представлены диаграммы s(t) и T (t) для стали 08Ю, где t - время испытания.

По графикам видно, что предел текучести стали составляет ~15 кгс/мм², а достигнутое к моменту остановки захватов машины деформирующее напряжение составляет ~22 кгс/мм². Увеличение температуры металла фактически начинается в момент начала пластической деформации и продолжается в течение всей деформации, а также в небольшом интервале времени (несколько секунд) после остановки захватов. Вслед за этим температура образца падает и практически выравнивается с окружающей средой к моменту времени 170¸175 с. При времени 175¸250 с на рис. 14, б отмечается второе, менее значительное повышение температуры, которое происходит после освобождения образца из захватов машины и снятия упругой деформации. Это повышение температуры отмечено на всех испытанных образцах нескольких различных металлов. Следовательно, если повышение температуры металла связано с релаксацией напряжений за счет частичного распада дислокационной структуры и переходом части упругих напряжений упрочнения в теплоту, то при низкотемпературной деформации возможно двойное проявление этого эффекта.

Первый температурный пик может быть взаимосвязан с упрочнением и релаксацией напряжений. Во время деформации внутренние напряжения в металле зависят от изменения структуры и температуры:

 ,                (55)

а)	б)
в)
	Рис. 14. Диаграммы испытания стали 08Ю: а - зависимость амплитуды сигнала, поступающего с тензодатчика от времени испытания; б - зависимость температуры от времени испытания; в - зависимость напряжений от степени деформации при прокатке: 1 - достигнутых при деформации напряжений s(e); 2 - напряжений после релаксации sр1(e); 3 - предел текучести металла после повторного нагружения. Величины sр 1 и sр разгр характеризуют уровень релаксированных напряжений под нагрузкой и при снятии упругих напряжений

где D S _стр0 - значение структурной энтропии при комнатной температуре Т ₀ в недеформированном состоянии; D Т - увеличение температуры металла во время деформации; напряжение  характеризуют деформационное упрочнение; напряжение  - характеризует ту часть упрочнения, которая обусловлена повышением температуры металла за счет деформации.

По завершении пластической деформации металл остывает, D Т →0, и напряжения  вместе с понижением температуры (D Т ®0) релаксируют, а энергия  выходит в окружающую среду в виде теплоты. При этом в образце сохраняется упрочнение, связанное с изменением структуры во время пластической деформации, что отражает сомножитель  в (55).

Таким образом, преобразование упругой энергии дефектов кристаллического строения в теплоту означает уменьшение накопленной металлом во время деформации энергии и релаксацию внутренних напряжений. Если после нагружения образца до напряжений s₀ и фиксации этих напряжений s₀=сonst (например, навесив на образец груз) регистрировать изменение его деформации, то можно заметить, что за время полной релаксации напряжений на величину s_р­  происходит пластическая деформация металла - последействие.

Определим величину деформации последействия во взаимосвязи с релаксацией напряжений . Пусть зависимость деформационного упрочнения от степени деформации описывается выражением 

Ds_упр= αε^β.

В результате релаксации упрочнение Ds_упр уменьшается от Ds₁ до Ds­₂. При постоянной внешней нагрузке при этом произойдет пластическая деформация металла до тех пор, пока деформационное упрочнение вновь не достигнет значений Ds₁, но уже за счет изменения структуры D S _{стр i}.

Напряжениям Ds₁ соответствует деформация ε₁=(Ds₁/α)^1/β, а напряжениям Ds₂ - деформация ε₂=(Ds₂/α)^1/β. Разность деформаций ε₁-ε₂=ε_посл даст величину деформации последействия.

Очень просто найти отношение

.                                       (56)

Например, при Ds₂=0,9Ds₁, b=0,7 ε_2­=ε₁(Ds₂/Ds₁)^1/β=0,86ε₁. Таким образом, величина последействия при s_р=const зависит от степени предварительной деформации ε₁. Например, при ε₁=0,05 (5%) ε₂=0,86×0,05=0.043, ε_посл=ε₁-ε₂=0,007 (0,7%). В тех же условиях при e₁=0,2 e_посл=0,028 (2,8%).

Итак, релаксация напряжений s_р1 (см. рис. 14), приводящая к незначительному разупрочнению при остановке захватов испытательной машины, вызывают пластическую деформацию - последействие, величина которого зависит от релаксационных свойств металла и степени предварительной деформации.

Релаксация напряжений при снятии внешних напряжений (при освобождении образца из захватов испытательной машины) может быть обусловлена теми же внутренними процессами, что и релаксация s_р1, например, рассредоточением дислокаций из скоплений под действием собственных полей напряжений скоплений. Для подтверждения факта релаксации напряжений при разгрузке внешних напряжений на рис. 14, в представлены графики зависимости напряжений начала пластического течения при повторном нагружении для образцов после предварительной деформации и разгрузки.

Как видно по графику, после небольших деформаций предел текучести металла может быть меньше, чем в отожженном состоянии. Это явление опытные мастера используют при дрессировке листового проката для управления его конечными свойствами.

Цель работы:  определение релаксационных свойств металла − времени релаксации l и плотности распределения вероятности времени релаксации р (l).