🗊Презентация Механизмы релаксации напряженно-деформированного состояния металла деталей машин. Модели вязко-хрупкого перехода

Тема 4. Механизмы релаксации напряженно-деформированного состояния металла деталей машин. Модели вязко-хрупкого перехода. 4.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла деталей машин. Холодная деформация 1. Закономерности структурных превращений в материалах с увеличением степени их пластического деформирования. 2. Текстурообразование металлов при холодном деформировании. Анизотропия свойств деформированных полуфабрикатов. 3. Влияние нагрева на строение и свойства сплавов после холодной деформации. Отдых. Полигониация. Рекристаллизация. Диаграмма рекристаллизации. 4.2. Концентрационная релаксация напряженно-деформированного состояния металла 4. Формирование неравновесных твердых растворов в результате деформации, закалки, фазового превращения. 5. Примеры концентрационной релаксации (перераспределения легирующих элементов) при растяжении и шлифовании. 6. Закономерности изменения физико-механических свойств и структурно-химических параметров двухфазных (α+β) деформированных металлических материалов при их нагреве. 4.3. Релаксация напряженно-деформированного состояния металла за счёт формирования зародышевой трещины 7. Критическая степень пластической деформации. Критический размер зародышевой трещины. 4.4. Влияние скорости и температуры пластической деформации на релаксацию напряженно-деформированного состояния металла. 8. Скорость пластической деформации конструкционного материала от способа его обработки. 9. Влияние на структурную релаксацию температуры деформирования. 10. Влияние температуры и скорости деформирования. Условия сверхпластичности металлов и сплавов. 4.5. Влияние вида напряженного состояния. Модели вязко-хрупкого перехода. 11. Влияние вида напряженного состояния на свойства металлических материалов. 12. Диаграмма механического состояния Я.Б.Фридмана. 13. Модель вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость. 14. Оценка работы зарождения и распространения трещин в материале по испытаниям на ударный изгиб

Механизмы релаксации напряженно-деформированного состояния металла

4.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла.

4.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла

4.1.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла

4.1.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла

4.1.2.Текстурообразование металлов при холодном деформировании. Анизотропия свойств деформированных полуфабрикатов по мере увеличения степени деформирования, формируются закономерные структуры: сначала по ламинарным (сдвиговым) механизмам и далее по ротационным (поворотным). Влияние холодной деформации:

4.1.3. Влияние нагрева на строение и свойства сплавов после холодной деформации Рассмотрим изменение свойств до и после наклепа. Пластическая деформация переводит металл в структурно-неустойчивое состояние. Поэтому, естественно, должны возникать процессы, возвращающие этот металл в относительно устойчивое состояние. Чем выше температуры, тем более активно развивается этот процесс.

4.1.3. Отдых (Т 0,2 Тпл.) К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляции, уменьшение общего количества дефектов кристаллической решетки и перераспределению их в зернах с образованием более равновесных конфигураций, уменьшение внутренних напряжений. Отдыхом – называется совокупность процессов, направленных на уменьшение внутренних напряжений за счет формирования и уменьшения плотности дефектов в деформированных кристаллах Отдых – самая низкотемпературная из стадий термического возврата. Это термически активируемый процесс. Изменение прочностных свойств деформированного металла во времени при нагреве можно оценить по формуле: d / dt = A exp (– Q / RT) / t где, Q – энергия активации процесса отдыха, связанная с энергией активации самодиффузии по формуле: Qотдыха = 0,5 Qсамодифф

4.1.3. Полигонизация (Т 0,2…0,3 Тпл.) В 1949 году Р.Кан, исследуя свойства деформированного изгибом монокристалла цинка, обнаружил, что дислокации из исходного состояния (хаотическое распределение) перестроились в стенки, разориентирующие монокристалл на небольшие углы. Полигонизация заключается в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации, начинают собираться, образовывать дислокационные стенки и создавать ячеистую структуру, которая является значительно менее энергоемкой конфигурацией, более устойчивой и может затруднять процессы, развивающиеся при более высокой температуре (рекристаллизации). Полигонизацией – называется образование субзерен разделенных малоугловыми границами (МУГ), путем перераспределения дислокаций Возвратом – называют самопроизвольные процессы происходящие как при отдыхе, так и при полигонизации. Коалесценцией (рекристаллизацией на месте, in situ) – называется разновидность полигонизации при сливании субзерен и их укрупнении до размеров зерен.   Субзерна, образовавшиеся при полигонизации, с увеличением времени и с повышением температуры отжига, стремятся укрупниться. Коалесценция субзерен сопровождается разворотом решетки одного или обоих субзерен, чтобы образовалась единая ориентация. Процессом контролирующим коалесценцию, является объемная диффузия. Различают коалесценцию парную и групповую.

4.1.3. Полигонизация (Т 0,2…0,3 Тпл.)

4.1.3. Рекристаллизация (Т  0,3…0,4 Тпл.) Основным стимулом для протекания процесса рекристаллизации является снижение дислокационной плотности и уменьшение внутренней энергии системы за счет образования новых зерен. Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между Трекр. и Тпл. существует простая связь: Трекр. = а  Тпл. где а – коэффициент зависящий от чистоты металлов. Чем выше чистота металлов, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов с обычной чистотой а = 0,3…0,4 . Рекристаллизацией первичной – называется процесс образования и роста новых зерен с более совершенной структурой, окруженных высокоугловыми границами, за счет исходных деформрованых зерен той же фазы.   Исх. Деформация Возврат Рекристаллизация I Рекристаллизация II  Рекристаллизацией вторичной (собирательной) – называется процесс интенсивного роста новых зерен при повышенной температуре. Известно, что рост кристаллов ­– процесс самопроизвольный, определяемый стркмлением системы к уменьшению внутренней энергии за счет сокращения суммарной поверхности границ раздела зерен. Возможны три механизма роста зерен: Зародышевый – состоящий в том. что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры, но в меньшем количестве. Поэтому, конечные зерна вырастают до более крупных размеров. Миграционный – состоящий в перемещении Г.З. и увеличении размера зерна. Слияние зерен – состоящее в постепенном "растворении" границ зерен и объединении мелких зерен в одно крупное. Следует напомнить, что процесс рекристаллизации (по аналогии с кристаллизацией) можно охарактеризовать двумя параметрами: скоростью зарождения центров рекристаллизации (n) и скоростью их роста (c). В зависимости от их количественного соотношения, зерна вырастают до разных размеров. При nс – формируется мелкозернистая структура. При nс – крупнозернистая.

4.1.3. Диаграмма рекристаллизации Рассмотрим основные зависимости роста зерен от степени наклепа, температуры и времени нагрева. На примере алюминия. В зависимости от степени предварительной деформации, размер зерна изменяется сложным образом

4.1.3. Диаграмма рекристаллизации

4.2. Концентрационная релаксация напряженно-деформированного состояния металла деталей машин.

В процессе термомеханического воздей­ствия (ТМВ) и теплосмен, по сечению механически обрабатываемых заготовок (особенно больших толщин) возникает повышенная склонность металла к деформационной и температурной неоднородности, что обусловливает появление в объеме заготовок механических и термических внутренних напряжений на макро-, микро- и субмикроскопическом уровнях, которые наряду с высокой дефектностью кристаллической решетки, повышают предел растворимости фаз и вызывают пересыщение легирующими и примесными атомами. Для своей самоорганизации, перехода к относительному равновесию, система реализует два релаксационных механизма: структурный и концентрационный. Неравновесным твердым раствором – называется твердый раствор, находящийся в упруго-напряженном состоянии, в котором атомы металла основы смещены относительно своих равновесных узлов в кристаллической решетке. Неравновесные твердые растворы могут быть получены в результате: - пересыщения легирующими элементами при быстром охлаждении (закалке); смещения атомов основы из своих равновесных узлов в кристаллической решетке при деформации или облучении; - пересыщения точечными дефектами (вакансиями) при полиморфного фазового превращении (смене кристаллической решетки);

Как показали результаты анализа химического состава испытанных на растяжение образцов из стали 20 и сплава титана Ti – 5,4Al, как в зоне излома, так и в исходном металле, полученные с помощью метода Оже-спектроскопии, (рис. ), деформирование металла вызывает перераспределение в нем легирующих элементов.

Перераспределение легирующих атомов в металле, было обнаружено и при технологической обработке, например, при шлифовке авиационных лопаток из двухфазного (+) титанового сплава ВТ9. На рис. представлена дифрактограмма рентгеновского излучения, полученная с поверхности детали до (рис. а) и после (рис. б) шлифовки. Видно, что поверхностное деформирование металла привело к растворению в нем второй  – фазовой составляющей, приведя в пересыщению по  – стабилизирующим элементам  – твердый раствор. Исчезновение на поверхности детали «мягкой»  – фазы привело к так называемому ее «альфированию» и к снижению в 100 раз числа циклов до разрушения авиационных лопаток.

4.2.6. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ от ТЕМПЕРАТУРЫ Т10 (10% высокотемпературной β-фазы) ( распад β-фазы)

4.2.6. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ от ТЕМПЕРАТУР Т15 и Т20 (15% и 20% высокотемпературной β-фазы)

4.2.6. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ от ТЕМПЕРАТУР Т30 и Т50 (30% и 50% высокотемпературной β-фазы)

4.2.6. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ от ТЕМПЕРАТУР Т75 и Тпп (75% и 100% высокотемпературной β-фазы)

4.2.6. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ от ТЕМПЕРАТУРЫ Т100 ( 100% гомогенной β-фазы)

4.3. Релаксация напряженно-деформированного состояния металла за счёт формирования зародышевой трещины.

При достижении критической величины пластической деформации и формировании зародышевой микротрещины, в материале открываются его новые «способности» - оказывать сопротивление распространению трещины. Учёные назвали такую способность материала – трещиностойкостью. Расход (диссипация, затраты) энергии на образование свободных поверхностей оценивается по формуле: WS = S F = S 2l где, WS – энергия трещины (затраты на разрушение), Дж S – удельная поверхностная энергия, Дж / м2 F – площадь свободной поверхности, м2 l – длина трещины;  – минимальное действующее напряжение приводящее к росту трещины.

4.4. Влияние скорости пластической деформации на релаксацию напряженно-деформированного состояния металла.

В процессе пластической деформации, во время эволюции субструктуры материала, происходит перераспределение внутренних напряжений. Важно напомнить, что каждому типу субструктуры соответствует определенная плотность дислокаций, и для ее формирования требуется определенное время, тем большее, чем ниже температура нагрева. Отсюда становится понятным, почему увеличение скорости деформирования и снижение температуры задерживает эволюцию структурообразования. При этом тормозятся релаксационные процессы, и возрастает сопротивление деформированию. Для сохранения целостности материала изделия, на смену сдвиговым, ламинарным механизмам приходят высокоскоростные механизмы фазовых превращений. Для сравнения, в таблице 6 приведены скорости пластической деформации, которые реализуются в материалах при различных видах их технологической обработки, испытаниях, и при работе конструкций.

Релаксационные процессы вносят большой вклад в формирование структуры и, соответственно свойств, при пластической деформации. Этот вклад состоит в том, что одновременно с процессами упрочнения и формирования субструктуры деформированного состояния происходят процессы разупрочнения (превращения субструктур). Разупрочняющие процессы происходят тем интенсивнее, чем больше время, температура, степень, и меньше скорость деформирования материала. Введем понятия: (d / dt)деформ. – скорость деформирования материала, (d / dt)релакс. – скорость релаксации (например, рекристаллизации) материала. В таком случае можно дать определения горячей и холодной пласт. деформации. Горячей деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях сопоставимых со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.  (d / dt)релакс Теплой деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях больших по сравнению со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.  (d / dt)релакс. Холодной деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях много больших по сравнению со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.   (d / dt)релакс. Физическая сущность быстрого процесса деформирования состоит в том, что за сверхкороткое время, внешнее приложенное напряжение может вызвать пластическую деформацию только по скоростному механизму фазовых (мартенситных) превращений. В материале не успевают срабатывать релаксационные процессы, затрудняется теплообмен между деформируемой зоной и окружающей средой. Поэтому происходит переход от изотермической деформации к адиабатической, подключаются ротационные механизмы пластической деформации. Возникшая локализация пластической деформации сохраняется вплоть до разрушения. Оценку динамического предела текучести т(динамич.) в зависимости от скорости деформирования * можно произвести по формуле: (динамич.)(статич.)lg(*(динамич.) *(статич.)) где, т(статич.) ­– величина предела текучести материала, полученная при обычном стандартном испытании на растяжение со скоростью (d/dt)(статич.) = 10 -3 с -1; С увеличением скорости деформирования, происходит увеличение прочности, снижение пластичности и вязкости разрушения материала.

Как показали опыты Витмана проведенные вдавливанием алмазного конуса в образцы из стали, меди, алюминия, с увеличением скорости нагружения твердость металлов возрастала. Например, для образцов из свинца была построена зависимость:

С повышением температуры наблюдается увеличение атомной подвижности, что приводит к различным физико-химическим процессам. Для анализа используют так называемые гомологические (сходственные) температуры, Т / Тпл Рассмотрим обобщенную температурную зависимость приведенного сопротивления течения для поликристаллических материалов с различной кристаллографической решеткой.

Сущность процесса разрушения состоит в следующем. Напряжение при достижении им предела текучести вызовет пластическую деформацию, т.е. приведет в движение дислокации. Если препятствий для свободного перемещения дислокаций нет и они не возникают в процессе деформации, то деформация может быть сколь угодно большой. При растяжении образец может удлиниться в десятки и сотни раз, превращаясь в подобие проволок. В некоторых случаях (при определенных температурах и скоростях деформации некоторых металлов) это наблюдается и носит название сверхпластичность. Конечно, так удлиниться на многие сотни, и, даже тысячи процентов образец сможет лишь тогда, когда не возникает местное сужение (шейка). Если возникает шейка, то деформация локализуется и в таком металле, в конечном итоге, произойдет разделение образца на два куска, но тогда, когда в месте разделения сечение утонилось до нуля. Это не редкий случай. Значит, сверхпластичность может наблюдаться тогда, когда в процессе деформации пластичность металла не уменьшается и не образуется локальной деформации (шейки). Под сверхпластичностью следует понимать способность материала равномерно пластически деформироваться без упрочнения.

4.5. Влияние вида напряженного состояния. Модели вязко-хрупкого перехода.

4.5.11. Влияние вида напряженного состояния на свойства металлических материалов В механике деформируемого твердого тела общепринятым является классифицировать разрушение на хрупкое, вязкое и смешанное. Однако, в общем случае, на механизм разрушения влияние также комплекс других факторов: режим нагружения, температура испытания, вид, а точнее «жесткость» напряженного состояния. Показатель напряженного состояния - коэффициент жесткости () — безразмерная величина для количественной оценки напряженного состояния, отражающий соотношение нормальных и касательных напряжений, Напряженное состояние характеризуется отношением  = tmax / Snmax где,  – коэффициент жесткости напряженного состояния, tmax – истинное касательное напряжение, Snmax – приведенное истинное нормальное напряжение, – напряжение, которое было приведено к той же деформации при одноосном растяжении. Значения коэффициента жесткости при разных видах нагружения приведены в таблице Таблица. Значения коэффициента жесткости при разных видах нагружения.

При деформировании металлического образца, скольжение происходит по кристаллографической системе, которой соответствует максимальное скалывающее напряжение. Линии скольжения являются прямолинейными, если скольжение происходит только по одной системе, и волнистым, если скольжение происходит по нескольким системам скольжения. Расстояние между линиями скольжения убывает с увеличением степени деформации и составляет 100…1000 мкм. Критическим скалывающим напряжением (tК) – называется напряжение, действующее в плоскости скольжения вдоль направления скольжения. Критическое скалывающее напряжение не зависит от ориентации кристалла, является постоянной величиной и составляет примерно 10-4 от модуля сдвига G. Таблица. Значения критических скалывающих напряжений кристаллов при комнатной температуре

4.5.12. Диаграмма механического состояния Я.Б.Фридмана Для любого напряженного состояния можно построить обобщенную кривую течения, где gmax – деформация срезом. Snmax – приведенное истинное нормальное напряжение, – напряжение, которое было приведено к той же деформации при одноосном растяжении. Луч проведенный из начала координат характеризует определенное напряженное состояние, которое оценивается показателем  = tmax / Snmax если tmax >> Snmax способ нагружения является мягким (сжатие,  = 2,0) tmax << Snmax способ нагружения является жестким (растяжение,  = 0,5) tmax ≈ Snmax способ нагружения является средним (кручение,  = 0,8) Таким образом, увеличивая коэффициент жесткости  за счет применения более мягкого способа нагружения (сжатия) можно перевести металл в пластическое состояние.

Сериальная кривая для определения порога хладноломкости Т50 и работы распространения трещины аР в материале.

КСU – при радиусе надреза R =1 мм, KCV – при радиусе надреза R = 0,25 мм, KCT – при концентраторе в виде трещины (R0).

Спасибо за внимание