- 2 *
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы заметно усилился интерес исследователей к широкому классу новых материалов, используемых в народном хозяй-стве. Техника в своем развитии предъявляет все более строгие требования, вытекающие из непрерывно усложняющихся условий работы этих материалов.
С каждым годом появляются новые и непредвиденные условия, в которых должен работать материал и перед конструкторами вырастают задачи, для решения которых необходимо обращаться к еще не изученным свойствам. К числу таких задач последнего времени относится конструирование сооружений, работающих при циклических тепло-сменах, нередко, в интервале сотен градусов. В переменном температурном поле работают детали и узлы целого ряда механизмов и машин* Переменные температурные воздействия испытывают атомные реакторы, ракетные системы, тепловыделяющие элементы и регулирующие стержни реакторов, летательные аппараты разнообразного назначения, обшивка летательных аппаратов, прессштампы и валки для горячей обработки металлов, лопатки газовых турбин и многие детали целого ряда устройств.
Работу металла в условиях циклических теплосмен начали изучать недавно, но уже обнаружена совершенно неожиданная и опасная особенность их поведения в виде необратимого и, часто, очень большого формоизменения даже при отсутствии нагрузки. Из-за отсутствия надлежащих расчетных критериев это приводит к созданию аварийности или даже катастрофической ситуации.
При нагревании все тела изменяют свои размеры, причем по возвращении к исходной температуре параметр кристаллической решетки принимает прежнее значение. Следует отметить, что полная обратимость изменения междуатомного расстояния далеко не всегда сопровождается обратимостью внешних параметров твердого тела.
~ 3 -
Указанные характеристики не изменяются, даже если взаимное расположение атомов и структурное состояние тела окажутся новыми, а вместе с ними появится и остающееся формоизменение. Эти формоизменения в большинстве случаев имеют место, хотя остаются незамеченными вследствие своей малой величины (порядка 1% от теплового расширения). Однако, при многократных теплосменах такие формоизменения накапливаются и после большого числа циклов достигают большой величины.
Известны случаи, когда за несколько тысяч температурных циклов размеры изделия увеличивались в 5-10 раз. В качестве примера на рис.1.2 приводятся заимствованные из работ разных авторов фотографии образцов из разных металлов снятых до и после периодической тепловой обработки. Р&к видно из рис.1, после 1300 нагревов и охлаждений от 550°С до 50°С образцы увеличивали свою длину примерно в 2,5 раза, а за 3000 циклов - почти в б раз. Аналогично ведут себя многие другие материалы: металлы и неметаллы, моно-и поликристаллы, аморфные и кристаллические тела.
Вредное влияние теплосмен в свое время как раз и побудило приступить к изучению проблемы поведения материалов в переменном температурном поле.
В диссертационной работе на основе анализа многочисленных экспериментальных данных в области физики деформируемых тел и материаловедения предложена модель формоизменения и в ее рамках исследуется влияние переменных температурных нагрузок как при приложенных внешних нагрузках так и без них на деформацию вследствие температурного последействия в условиях установившейся ползучести.
Научный интерес к данной проблеме поддерживается несколькими эффектами Г31] , которые сопровождаются циклическим колебанием температуры. Основными из них являются термическая усталость от термического удара, необратимое тепловое формоизменение, измене-
■
-4 -
Рис.1.1. Деформация урановых образцов при циклическом температурном воздействии между 50 и 550°С. Слева - до и после 1300 циклов, справа - до и после 3000 циклов.
Рис.І.2. Формоизменение урановых образцов до и после циклического термического воздействия* включающего
превращения, а - исходный образец, б - после 50 циклов, в - после 100 циклов, г - после 187 циклов, д - после 250 циклов, е - после 1000 циклов.
»
- 6 -
ние эффективной скорости ползучести, различие пределов текучести при изменении температуры, увеличение внутреннего трения в момент нагрева или охлаждения и его изменения в результате циклического температурного воздействия.
Проблема необратимого теплового формоизменения, обусловленного действием теплосмен возникла в связи с так называемым "ростом чугуна" и аналогичным поведением других металлов подверженных переменному температурному воздействию. Много работ в этом направлении появилось в связи с наблюдениями Фута и Ван-Эга, открывших эффект формоизменения урана [135] . В дальнейшем по этому поводу появилось очень много публикаций советских и зарубежных авторов. Такими явились изучение формоизменения металлов с некубической пространственной решеткой Чизуиком и Келманом [124,125] . Бурке и Туркало [134] и другими авторами [116,122,141]. Наиболее тщательная серия экспериментов по микроструктурному исследованию поликристаллических металлов с некубической решеткой, которые испытывали действие теплосмен, принадлежит Боасу и Хоникомбу [132], а также (в более позднее время) этим вопросом занимались Р.И.Гарбер, С.ЯЗаливодный и А.М.Михайловский, В.М.Жукова [59,72] и другие [94*III] . Что касается необратимого теплового формоизменения металлов и сплавов, вызванного действием тепловых градиентов, то наиболее полные исследования принадлежат А.А.Бочвару с сотрудниками [20], А.А«Зуйковой [4б] и другим. Изменение эффективной скорости ползучести и характеристик временной зависимости прочности при переменных температурах интенсивно изучается начиная с работ Броффи и Фурмана [133] , описавших катастрофическое увеличение скорости деформации под действием теплосмен. Ползучесть металлов с некубической пространственной решеткой под действием теплосмен исследовалась также А.С.Бочвором с сотрудниками [20], Мак-Интошем и Хиллом [74] , Андерсоном и Бишопом [_130], Рардиером и Миллером [139] и другими. Что касается других явлений,
- 7 -
которые сопровождаются циклическим температурным воздействием, то в [60]изучалось изменение различных механических свойств в материалах подвергнутым теплосменам. Имеются сведения о большой роли фактора изменения температуры на различие пределов текучести [Ц6,122] и упругости [138] в металлах с некубической пространственной решеткой, об увеличении внутреннего трения в момент
*
нагрева или.охлаждения, его изменении в результате циклического температурного воздействия [95] и т.д.
Помимо урана [116,124,125,135,141] и его сплавов (с цирконием, ниобием, титаном, ванадием, хромом, молибденом, алюминием, германием, железом, серебром, оловом, танталом, торием, палладием и другими легирующими элементами [29,74] , а также чугуна [19] , формоизменение достоверно зафиксировано и на таких металлах, как многочисленные стали [34] и жаропрочные сплавы [59,72], алюминий [71] и другие металлы и сплавы.
Проблема ползучести относится к компетенции физики твердого тела, материаловедения и механики сплошных деформируемых сред.
Любую физическую теорию ползучести, которая заключается в изучении структуры и элементарных субмикроскопических актов атомно-молекулярных перегруппировок, составляющих физическую сущность явления пластической деформации реальных твердых тел [45,58,92,93, 120] считают правильной если из нее вытекает совпадающая с экспериментальной зависимость между скоростью ползучести £ , прило-
женным напряжением (о и температурой Т • Физические теории ползучести, которые в состоянии предсказать основные характеристики процесса для одноосных видов нагружения обходят определение деформации при сложных видах нагружения.
В ряде работ [45,58,81,85,121] ползучесть исследуется на основе закономерностей генерации и распространение дислокаций. Теория дислокаций в затруднении дать количественное описание ползу-
- 8 -
чести в более сложных условиях, ограничиваясь качественным объяснением наблюдаемых явлений при необратимой деформации*
В материаловедческом подходе исследования процесса ползучести [1,47,54,88,113,127] важное значение имеет физическая природа и механизмы элементарных актов деформирования и ее взаимосвязь от условий деформирования, а также эволюция структурных изменений в материале в ходе деформирования. Предполагается, что первая и вторая стадии ползучести могут быть объяснены на основе взаимодействия механического упрочнения и термического разупрочнения .
Рассматривая феноменологические теории ползучести, основными из которых являются теории упрочнения, старения, течения и наследственности, можно сказать, что во многих случаях, в связи с постулированием различных моделей, в которых исследуемая среда наделяется рядом идеальных свойств (сплошности, однородности, изотропности, вязкости, пластичности и др.), проводится целый ряд допущении [49] , что упрощает задачу и тем самым отдаляет ее от реальной картины.
Что касается теории упрочнения [32,61,87,115,129,] , то здесь упрочнение в произвольный момент времени определяется суммарной величиной необратимой деформации, накопленной к этому моменту. Считая*, что незначительная мгновенная пластическая деформация не оказывает упрочняющего влияния на последующую ползучесть, за меру упрочнения принято [9б] величину накопленной деформации ползучести. Обобщение теории упрочнения дается в работах [32,115,127].
Сущность теории старения заключается в том, что решающее значение в изменениях, происходящих в напряженно-деформированном состоянии металла со временем, принадлежит явлениям, зависящим от длительности пребывания образца под нагрузкой. Предполагается, что при заданной температуре между деформацией, напряжением и
- 9 -
временем существует функциональная зависимость
Ф,(рн,0,4)-О (1Л)
т.е.как и по теории малых упруго-пластических деформаций, напряжения и деформации связаны конечными соотношениями в которых время является параметром.
В отличие от теории старения, теория течения связывает функциональной зависимостью при заданной температуре скорость деформации ползучести, напряжение и время
Фа (рн ,<М)= 0. (1.2)
Теория течения, которая была предложена Давенпортом [13б] , может быть по своей структуре отнесена к теории старения, поскольку, как и в теории старения считается, что напряженно-деформированное состояние материала определяется длительностью пребывания под нагрузкой. Широкое развитие этой теории нашло в работах многих авторов [53,55,56,7б1.
Применяя принцип реологического моделирования Л.Больцманом и Вольтерра была разработана теория наследственной упругости, обоснованная на принципе суперпозиции деформаций, которая получила обобщение в работах Ю.Н.Работнова [97,98] на случай нелинейной деформации, где завиоимость между напряжениями, деформацией и временем выражается в виде ^
Ч)(е)= ©(■£) + <[кМ-г)6'(д:')сН:, (1.3)
О
где Ц*(б) - функция деформации, описывающая диаграмму растя-
жения, к0:-Ч0 - ядро.
Теория предшествующих явлений, в отличие от рассмотренных выше теорий ползучести, дает возможность описать явление обратного последействия.
Все эти теории ползучести составлялись только для случая
- 10 -
линейно-напряженного состояния* В случае пространственного напряженного состояния постулируется применимость гипотез пластичности для ползучести.
Предположение об однородности деформированного состояния всех структурных элементов, наделив каждый структурный элемент свойствами установившейся ползучести и изотропного упрочнения при пластическом деформировании использовал Бесселинг [13] для анализа многоосного состояния. Модель Бесселинга на случай бесконечного числа структурных элементов обобщили Ю.И.Кадашевич и В.В.Новожилов в работах [5052] , где предложен вариант теории ползучести поликристаллических материалов, в котором* в феноменологические рассуждения вводятся соображения статистического характера. Условия равновесия и совместности деформаций, записанные для набора элементов, определяют макросвойства исследуемого материала. Возможные пути объединения некоторых вариантов построенных моделей предлагаются в работе [43] .
В последние годы получила развитие энергетическая интерпретация физико-химических процессов и элементарных микроскопических актов, которые протекают в твердых телах при их деформировании. В работах такого направления [14,21,120] используются принципы термодинамики необратимых процеосов.
Следует отметить трудности и ограничения, которые возникают при использовании существующих теорий.
К примеру, если теория старения и дает наиболее простые, с математической точки зрения, результаты при расчете деталей на ползучесть, она имеет свои недостатки [16,97] . Кроме того она не отражает таких явлений ползучести, как обратное последействие, упрочнение и много других. Этих явлений ползучести не отражают и теория упрочнения, хотя она и хорошо качественно описывают ползучесть при постоянных и ступенчатых нагрузках. Упомянутые выше
- II -
феноменологические теории ползучести (упрочнения,старения и течения) не учитывают взаимного влияния деформации ползучести и мгновенной пластической деформации, а также разупрочнения материалов и возврата исходных пластических свойств в процессе деформирования.
Эти эффекты являются особенно существенными при расчете конструкций, которые работают при умеренных и высоких температурах, не говоря уже о их работе в переменном температурном поле.
При оценке характеристик ползучести в переменном температурном поле возникает вопрос, можно ли на основании результатов экспериментов при постоянной температуре предсказать поведение материала в сложных условиях, когда температура меняется по любой наперед заданной закономерности. Математически он сводится к нахождению аналитической зависимости между уравнением, описывающим изотермическую ползучесть при постоянном напряжении
(1.4)
(где 1 - время, Т - температура, имеющая смысл постоянного
параметра, ^ - функция, определяемая по данным эксперимен-
тов), и уравнением ползучести для случая, когда температура является функцией времени :
е-ЦТАМ (1.5)
Попытки описания величины деформации ползучести в условиях изменяющейся температуры простым усреднением выражения (1.4) по форме температурного цикла большей частью приводили к неправильным результатам. Это означает, что функции ^ и в уравне-
ниях (1.4) и (1.5) разные. Соответственно, скорость ползучести при переменной температуре зависит не только от мгновенного значения температуры, но и от температурной предыстории материала [70,51]
- 12 -
Необходимым условием необратимого теплового формоизменения (если его механизм есть релаксация напряжений) является наличие достаточно больших температурных напряжений. Избыточную деформацию, накопленную в течение такого релаксационного периода,принято называть деформацией температурного последействия.
Одними из основных феноменологических теорий температурного последействия являются формальная теория, дисперсионная теория и теория упрочнения - разупрочнения [25] .
Формальная теория исходит из того, что поскольку любая реальная среда релаксационна по своей природе, температурное последействие в ней можно учесть вводя нужное количество релаксационных внутренних параметров [70] .
По дисперсионной теории предполагается, что реальное тело всегда неоднородно по своей структуре* Существенно различать два вида неоднородностей: I) нарушения в структуре с характерными размерами искажений порядка атомных (вакансии, внедренные атомы, их комплексы, дислокации, ошибки упаковки, примеси и т,п.) и 2) неоднородности с характерными размерами столь большими по сравнению с атомными, что внутри них свойства среды можно описывать макроскопическими параметрами, предполагая последние одинаковыми по всему объему неоднородности. В дисперсионной теории учитываются только неоднородности второго типа, т.е.только "коллективное дальнодействие". Важным пунктом дисперсионной теории является то, что здесь температурное последействие появляется лишь постольку, поскольку из-за пространственной дисперсии свойств среды возникает температурно зависящая пространственная дисперсия напряжений.
По теории упрочнения-разупрочнения учитываются неоднородности первого типа [75,131] . Здесь общепринятой точкой зрения является признание того факта, что при деформации поликристаллов, на основной атермичный по своей природе механизм деформационного уп-
- 13 -
рочнеиия, накладывается второй процесс, связанный с отдыхом материала, скорость которого так или иначе контролируется термической активацией. Именно на основании данного утверждения и развивается математическая концепция упрочнения-разупрочнения.
У вышеизложенных феноменологических теориях ползучести изучается и неизотермическая ползучесть. В работах [15,91] рассматривались варианты теории течения в которых температура вводилась в качестве параметра. В некоторых теориях ползучести, основанных на учете микронеоднородности пластической деформации [40,48,110] принимается, что параметры, определяющие локальный закон течения, зависят от температуры. Ползучесть металлов, для которых влияние изменения температуры учитывается через зависимость от нее констант жесткости, податливости, и коэффициента линейного расширения кристаллической решетки, рассматривалась в работах [41-43].
Как это уже было показано выше многочисленные эксперименты [23,24,39,86,89] выявляют, что в процессе ползучести имеются сложные макроскопические эффекты и простые усреднения по фор^е температурного цикла большей частью приводят к неправильным результатам.
Такое различие в поведении материала при ползучести в условиях постоянной и переменной температуры обычно объясняется несколькими причинами [25] :
1. Появлением напряжений I рода из-за различия в коэффициентах теплового расширения составных частей конструкций, в результате фазовых превращений в отдельных деталях или из-за неодновременного нагрева и охлаждения отдельных областей (в образце, машине или деталям).
2. Изменением скорости ползучести при фазовых превращениях, наблюдающемся тогда, когда во время колебания температуры верхняя или нижняя температура цикла попадает в область фазового перехода (аллотропического превращения).
- 14 -
3. Появлением термических напряжений П рода в некубических металлах (поликристаллах) из-за анизотропии коэффициента теплового расширения различных зерен, а в гетерогенных системах из-за разницы в тепловом расширении отдельных фаз,
4. Неодинаковым уровнем упрочнения при разных температурах.
5. Специфическим упрочнением, сопровождающим колебания температуры.
Перечисленные факторы приводят к несоответствию между око-ростьго ползучести сразу после изменения температуры и стационарной скоростью ползучести при данной температуре.
В основу изложенных выше феноменологический теорий температурного последействия принимается, что температурное последействие естественным образом вытекает из релаксационных свойств среды вообще и что оно является "рядовым” механическим эффектом.
В диссертационной работе исследуется одновременно ползучесть и деформация температурного последействия материалов с учетом микромеханизма деформирования на основе синтеза дисперсионной теории, теории упрочнения - разупрочнения и концепции скольжения. Дисперсионная теория базируется на том, что температурное последействие появляется потому, что из-за пространственной дисперсии свойств среды возникает температурно зависящая пространственная дисперсия напряжений. Теория упрочнения-разупрочнения отображает два противоборствующих процесса в деформированном теле, это накопление дефектов и процесс релаксационного типа - уничтожение дефектов. Концепция скольжения базируется на описании закономерностей остаточных деформаций элементарных частиц тела и на усреднении этих закономерностей.
Основной задачей работы является описание законов неизотермической деформации.
Работа может представить как научный, так и практический
- Київ+380960830922