Рис.3. Влияние температуры на закономерности деформационного упрочнения                                                        монокристаллов никеля

Физически величина модуля упругости Е определяется,
главным образом, силами межатомной связи и слабо зависит от наличия в структуре вторичных фаз. Модуль упругости приближенно можно считать обратно пропорциональным параметру решетки а:

                                                                                                     (1)
С повышением температуры увеличивается амплитуда: тепловых колебаний ионов относительно точек равновесия в решетке металла, соответственно увеличиваются межатомные расстояния — параметры решетки. Как следствие, с ростом температуры модуль упругости должен уменьшаться. Температурный коэффициент η уменьшения модуля Е можно
установить по коэффициенту линейного расширения а, который является макроскопическим аналогом коэффициента теплового роста параметров решетки. Как показал Я. Б. Фридман, отношение η/а (температурного коэффициента модуля упругости и теплового расширения) для каждого металла
есть величина постоянная, равная -0,04. Учитывая, что коэффициент термического расширения большинства металлов колеблется в пределах (4,6 — 17) мк-1, температурный коэффициент модуля упругости должен составлять      1 — 4.10-4 или 1— 4% на 100°С.

 Эксперименты (рис.4) подтверждаются расчетами: при повышении темпе-
ратуры на 100 °С изменение модуля упругости составляет 2 — 4%.
Как следует из выражения (1), зависимость Е (Ти)
является параболической. Однако поскольку зависимость модулей упругости от температуры очень слабая, она часто представляется в виде прямой.
       

Рис. 4. Температурная зависимость модуля упругости металлов

Величина предела текучести GТили критического напряжения сдвига τг имеет довольно сложную зависимость от температуры испытаний (рис.5). Как правило, понижение температуры приводит к увеличению предела текучести. Причем степень зависимости τТ(Ти) определяется чистотой металлов. Для чистых металлов понижение температуры увеличивает критическое
напряжение τТ в меньшей степени, чем для сплавов. Увеличение содержания примесей и легирующих элементов сопровождается усилением температурной зависимости предела текучести. Качественно на кривой температурной зависимости τТ(Ти) можно выделить три уча-
стка: 1 — низко-, 2 — средне- и 3 — высокотемпературный. Первый и третий участки характеризуются довольно значительной зависимостью τТ от температуры, на втором участке критическое напряжение практически постоянно.

Рис. 5. Влияние температур на предел текучести ГЦК – металлов.

      Сложность температурном зависимости предела текучести
обычно связывается с различием механизмов Деформации и характера формирующихся  дислокационных структур при различных температурах,; испытаний. Действительно, при различных температурах существенно изменяется вклад термических флуктуаций в величину сопротивления пластической деформации. Значительно различаются возникающие при равной деформации плотность  дефектов кристаллического строения-вакансий, дислокаций; характер и устойчивость атмосфер и кластеров; размеры совершенство блоков мозаики. Для упрощения анализа  температурной зависимости τТ(Ти) предел текучести часто рассматривают как сумму трех независимых компонент; атермической τG, термической τ* и структурной Куd-1/2
 τТ= τG+ τ*+ Куd-1/2                                                                                                  (2)

     Атермичсская компонента предела текучести зависит от
температуры только косвенно через модуль сдвига (или упругости). Величина атермической составляющей определяется сопротивлением движению дислокаций, создаваемым силовыми полями дальнего действия. Например, полями упругих взаимодействий дислокаций, движущихся в параллельных плоскостях скольжения, полями упругих  взаимодействий
скоплений дислокаций с границами зерен или блоков матрицы или с частицами второй (упрочняющей) фазы. Атермическая компонента напряжения, течения в явном виде формирует уровень предела текучести в среднетемпературном
интервале, ограниченном сверху гомологической температурой ~0,4 — 0,45, снизу ~0,02 — 0,25 (от температуры плавления металла па Кельвину) .
    Термическая компонента τ* прямо зависит от температуры
и скорости деформации, поскольку она обратно пропорциональна величине термических, флуктуаций энергии, облегчающих дислокациям преодоление близкодействующих барьеров. В ГЦК – металлах величина активационного объема составляет 2 — 13 нм2, т. е. путь - перескока дислокаций за
счет флуктуаций энергии может достигать 1,2 — 2,5нм. Следовательно, барьерами для дислокаций в ГЦК – металлах являются дислокации леса, пороги, дефекты упаковки.

Рассмотрим механизм. преодоления барьеров дислокацией за счет термических, флуктуаций. Пусть подвижная дислокация ММ за счет напряжения. τТ приблизилась к препятствиям в виде дислокаций леса Л образовала синусоидальные петли с радиусом R. Лес дислокаций представ-
ляется потенциальным барьером, который оказывает дислокации сопротивление движению в соответствии с зависимостью силы отталкивания F от пути перемещения дислокации в направлении препятствия. Минимальная
общая энергия U0, необходимая для преодоления барьера,
равна площади ОВЕ, а минимальная суммарная сила — F0.
Часть требуемой работы ОАD дислокация совершает за счет действующего напряжения τТ приближаясь к лесу на расстояние ∆х. Остальная часть энергии может быть получена только с помощью флуктуаций энергии, возбуждающих тепловые колебания линии дислокации. При этом работа - Uф,
совершаемая за счет термической активации, пропорциональна площади треугольника СDЕ. Как видно на графике, Uф
составляет лишь часть требуемой работы. Вторую часть работы совершают с помощью термической флуктуации силы упругих взаимодействий. Графически работа упругих сил равна площади прямоугольника АВСD, высота которого равна действующей на линию дислокации силе τТbl, а ширина — пути активации ∆х'. Вероятность возникновения флуктуаций
энергии, равных U0, определяется по формуле
                                                                                 (3)                                                                                                     
Когда возникает требуемая флуктуация энергии, линия дислокации под действием суммарной силы F0 перескакивает из заторможенного положения ММ в свободное NN и под действием напряжения τТ продолжает движение до следующего препятствия РР.

Влияние термической компоненты τ* на величин предела текучести
 наиболее выражено в интервале температур
 ниже 0,2ТплК. При отмеченных температурах зависимость τТ (Т) графически представляется в виде крутопадающей кривой, асимптотически, переходящей в горизонтальный, среднетемпературный участок. Резкая зависимость предела текучести от температуры при Ти<0,2ТплК объясняется следующим образом. С повышением температуры механических испытаний возрастает амплитуда тепловых колебаний линий подвижных дислокаций относительно положений равновесия, соответствующих приложенным напряжениям. Как
следствие, это сопровождается увеличением вероятности р возникновения флуктуации с энергией Uф и уменьшением величины термической компоненты τ*. Соответственно уменьшается предел текучести τТ= τG+ τ*+ Куd-1/2. При температурах в интервале (0,2 — 0,4)ТплК флуктуации энергии настолько велики, что они обеспечивают возможность преодоления близкодействующих препятствий при любой температуре, если приложено напряжение, равное

τТ= τG+  Куd-1/2. Поэтому температурная зависимость предела текучести на
среднетемпературном участке практически отсутствует (определяется лишь зависимостью τТ(Ти) ).

 Влияние структурной компоненты на критическое напряжение начала течения проявляется в соответствии с зависимостью Петча — Холла через произведение Куd-1/2, где d характеризует размер блоков мозаики, устойчивых при температуре механических испытаний, а коэффициент Ку— кон-
центрацию напряжений и дефектности решетки на границах блоков. Размер блоков и плотность, дефектов кристаллического строения зависят от температуры механических, испытаний. Действительно, избыточная концентрация дефектов при соответствующих температурах, может аннигилировать, а неустойчивая их конфигурация, в том числе из-за измельчения блоков мозаики, может перестроиться непосредственно
в процессе деформации на пределе текучести.Однако возможность отжига дефектов и их перестройки в процессе механических испытаний зависит от температуры. Как правило, в процессе испытаний в низко- и среднетемпературном интервале может наблюдаться лишь аннигиляция и перестройка вакансий и смещенных атомов. В высокотемпературном ин-
тервале механические, испытания сопровождаются не только
генерацией и накоплением дислокаций и вакансий, но и их
аннигиляцией и перестройкой их конфигураций в соответствии с плотностью и субструктурой, устойчивой при температуре механических испытаний. Другими словами, при высокотемпературных испытаниях происходит приспособление дислокационной субструктуры к условиям нагружения за счет
протекания процессов возврата или рекристаллизации. Так как с повышением температуры равновесные размеры блоков мозаики и зерен возрастают, то соответственно уменьшается и предел текучести, причем в высокотемпературном интервале зависимость τТ(Ти) является крутопадающей подобно низкотемпературной ветви.

  Температура Тр перехода от среднетемпературного (горизонтального) интервала к высокотемпературному  (крутопадающему) является критерием жаропрочности. Этот критерий физически определяет границу чувствительности компоненты Куd-1/2 к изменению температуры. Ниже Тр структурная компонента оказывается постоянным слагаемым предела текучести, выше Тр компонента Куd-1/2 оказывает влияние на τТ превалирующее над τG + τ*. Температура Тр особенно четко выявляется при изображении
температурной зависимости предела текучести в полулогарифмических координатах.

Температурная зависимость предела текучести
стабильных металлов и сплавов с ОЦК – решеткой

Для монокристаллов из металлов и сплавов с ОЦК – решеткой характерна истинная диаграмма деформации, на которой в общем случае наблюдается лишь две стадии пластической деформации: множественное скольжение и скольжение с переползанием. Стадия легкого скольжения присуща только диаграммам, полученным в среднем температурном интервале. Следует также заметить, что вид истинной и условной диаграмм зависит от температуры испытаний. При испытаниях при повышенных температурах физический предел текучести не наблюдается, степень деформационного упрочнения мала и максимум на кривых расположен ближе к начальной части диаграммы. По
мере понижения температуры постепенно начинает проявляться физический предел текучести, увеличивается его значение и отношение GT/GB. При испытаниях в низкотемпературном интервале предел текучести совпадает по величине с пределом прочности, и на диаграмме пропадает участок деформационного упрочнения.
      Зависимость  предела текучести  структурно-стабильных металлов с ОЦК – решеткой от температуры испытаний  по внешнему виду подобна зависимости τТ(Ти) для. металлов с ГЦК – решеткой. На кривой τТ(Ти) также наблюдается три участка, причем низко- и высокотемпературные  участки имеют значительный наклон, среднетемпературный – горизонтален. Отличие температурной зависимости предела текучести для ОЦК – металлов от  τТ(Ти) для ГЦК – металлов состоит в более резком увеличении напряжения течения при понижении температуры ниже (0,15-0,2) ТплК.

Рис.6. Температурная зависимость предела текучести ОЦК – металлов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Иванов А. И. Поведение металлов при повышенных нестационарных температурах и нагрузках. 1982

2.     Лозинский М. Г. Строение и свойство металлов и сплавов при высоких температурах. 1963

3.     Писаренко Г. С. Прочность материалов при высоких температурах. 1966

Страницы: 1, 2, 3, 4