Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

с так называемым динамическим гистерезисом. Он возникает в тех случаях, когда под действием приложенного напряжения в материале происходят какие-то перестройки, требующие времени. Неупругая деформация при упругом последействии - типичный для металлов пример протекающего во времени релаксационного процесса. Для релаксационного внутреннего треиия характерны зависимость от частоты колебаний и температуры и независимость от амплитуды колебаний.

Наиболее важна температурная зависимость релаксационного внутреннего трения Qj-Q~5ech[(H/pR){\IT-

-1Ятах)]; где Ои Q- -внутреннее трение при заданной температуре Т и Гтах; Н - энтальпия активации (как

в любом термически активируемом процессе); р - коэффициент.

Зависимость от обратной температуры должна иметь вид симметричной кривой с

максимумом при l/Tmas. По

экспериментальным данным, в области температур от нескольких градусов Кельвина до 0,5-0,6 Гпл величина Q- монотонно и почти лииейио воз-

0 250 500 750 1000 Т,К

Рис. 16. Температурная зависимость внутреннего треиия никеля (В. С. Постников)

растает, а при дальнейшем повышении температуры растет экспоненциально. Во многих случаях иа монотонно возрастающий фон накладываются пики, каждый из которых имеет свою природу (рис. 16).

Помимо релаксационного различают euje гистерезисное и резонансное внутреннее трение. Гистерезисное внутреннее трение связано со статическим гистерезисом, когда форма и площадь его петли (см, рис, 15) не связаны с временными (релаксационными) процессами и поэтому ие меняются в зависимости от частоты нагружения, но сильно зависят от амплитуды. Гистерезисиые потери энергии при колебании вызываются различными перестройками структуры металла дислокационной и иногда магнитной природы. Рассеяние энергии за счет внутреннего трения происходит при частоте вынуждающей силы, близкой к частоте собственных колебаний. Источником этой разновидности внутреннего трения в металлах могут быть закрепленные в каких-то точках дислокации, колеблющиеся под действи-

ем внешних сил в вязкой среде. Резонансное внутреннее трение проявляется только при больших частотах нагружения - в районе мегагерцевого диапазона. От амплитуды колебаний оно, как и релаксационное внутреннее трение, не зависит.

Из экспериментальных методов исследования внутреннего трения наиболее распространен метод крутильного маятника. В прям,ом крутильном маятнике (рис. 17, а) образец в виде проволоки или ленты используется в качестве упругого подвеса, к нижнему концу которого

Рис. 17. Схема прямого (а) и перевернутого (б) крутильных маятников:

i - образец; 2 - инерционная масса; 3 - захваты

Рис. 18. Зависимость амплитуды от частоты вынужденных колебаний

рез

крепится инерционная масса, снижающая частоту крутильных колебаний до 1 Гц. Это позволяет регистрировать колебания визуально, наблюдая за перемещением светового зайчика, отраженного от закрепленного иа маятнике зеркала. Инерционная масса в прямом маятнике может вызывать заметные растягивающие напряжения в образце, что искажает результаты опытов. Тогда используют другую конструкцию - перевернутый крутшгьный маятник (см. рис. 17,6). Здесь инжний конец образца закрепляется неподвижно, а инерционная масса крепится к верхнему концу и поддерживается подвесом из материала с малым затуханием.

Возбуждение образца сводится к его закручиванию на определенный угол a=2ltolGd, где / - длина; rf -диаметр; О - модуль сдвига образца; /о -исходное максимальное напряжение сдвига на его поверхности.

Возбуждение производится обычно внешними электромагнитами или устройством, работающим по принципу гальванометра, рамка которого жестко скреплена со скручивающей системой.

Непосредственно в результате эксперимента на установках типа крутильного маятника определяют начальную Ао и какую-то конечную амплитуду п-ного колебания Л„, а также время Тп, необходимое для такого уменьшения амплитуды. По результатам этих замеров рассчитывают логарифмический декремент затухания У = 1п{Ао/Ап)/{тп). где (О - используемая частота колебаний. Определенную величину v можно пересчитать в Q- по формуле (21).

Помимо методов свободных колебаний, к которым относится рассмотренный выше, для измерения внутреннего трения используют также метод вынужденных колебаний и ультразвуковые методы.

Вынужденные колебания возбуждают в системе образец-маятник. При этом частота колебаний са должна быть близка к резонансной. Варьируя (О, строят резонансную кривую - зависимость амплитуды вынужденных колебавши от частоты (рнс, 18). Величина затухания TIO теории пропорциональна ширине резоиаисиого максимума. Величина внутреннего трения

= ]/]/з (Д(о/(йпез)-

(22)

Рис. 19. Блок-схема резонансной низкочастотной установки для измерения внутреннего трения (М. А. Криштал, С. А. Головни): / - фотодиод; 2 -переходная втулка: 3 - транзисторный усилитель; 4-мик-ровыклгочатель; 5 - осветитель; в - редуктор; 7 - низкочастотный ге-йератор; 8, -цанговые зажимы; 5-образец; /О - выпрямитель; /2 - электропечь; 13 - батарея конденсаторов; 14 - выпрямитель; IS - терморегулятор; 16 - термопара; 17 - соленоид; 18 - ЛАТР; /5- реле; 20 -штанга; 2/--сферическоезеркальце; 22 - магнит; 23-рамка; 24 -демпфер: 25 - осциллограф: 26- полупрозрачная шкала; 27- транзисторный усилитель

Этот метод рекомендуют примеиять при исследовании материалов с высоким Для них резонансный максимум достаточно широк и

величина Дса может быть измерена достаточно точно.

В методе свободных колебаний частоту колебаний можно менять в диапазоне 10--10 Гц. В резонансных методах вынужденных колебаний частота колебаний достигает сотен килогерц. В мегагерцевом диапазоне частот используют ультразвуковые методы определения внутреннего трения. Например, в импульсном ультразвуковом методе измеряется уменьшение амплитуды импульса при прохождении его через образец. Внутреннее треине Q-=Яa/я, где а - коэффициент поглощения, характеризующий ослабление ультразвукового импульса в образце; X - длина волны импульса.

Современные экспериментальные установки по измерению внутреннего трения - это сложные, в ряде случаев полностью автоматизированные устройства, работающие совместно с ЭВМ. На этих установках параллельно с внутренним трением могут измеряться и модули упругости. На рис. 19 в качестве примера показана блок-схема резонансной установки, позволяющая проводить измерения иа проволочных образцах диаметром 0,8 и длиной 120 мм. Частота колебаний может меняться в диапазоне !-100 Гц, а амплитуда деформации ЫО-- 5-10-3. в установке используется схема прямого маятника, вынужденные колебания которого возбуждаются электромагнитной системой. Она же регистрирует резонансные частоты образца 9. Последний помещается внутрь трубчатой электропечи 12 и соленоида 17 с водяной рубашкой.

Образец крепится в цанговых зажимах 5 и . Нижний зажим через переходную втулку 2 связан с верхней полуосью рамки 23. Нижняя полуось рамки опущена в масляный демпфер 24. Рамка с полуосями находится в зазоре полюсных наконечников сильного подковообразного магнита 22. С помощью этой системы и сообщаются образцу крутильные колебания.

Оптическая часть установки состоит нз осветителя 5, сферического зеркальца 21, закрепленного на верхней полуоси рамки, и полупрозрачной шкалы 26.

Величину внутреннего трения рассчитывают тю формуле (22). Для измерения резонансной частоты используют набор штанг 20 разной длины, которые крепятся в переходной втулке прн одной и той же рамке. В результате меняется момент инерции системы. Резонансная частота фиксируется на шкале генератора, что повышает точность определения внутреннего трения.

Глава 111

пластическая деформация

и деформационное упрочнение

Пластическая деформация является результатом необратимых смепдеиий атомов. В кристаллах эти смещения атомов в большинстве случаев происходят путем движения дислокаций, что является основным атомным механизмом

Другие механизмы пластической деформации -диффузионный массоперенос и зернограничное скольжение - будут рассмотрены в гл. Vni.

пластической деформации. Движение дислокаций может вызывать макропластнческую деформацию образца путем либо скольжения, либо двойникования. Конечным итогом такого движения является сдвиг одних отдельных частей кристалла относительно других (рис. 20, а) или сдвиг и

Ддойиики

Рис. 20. Схемы пластической деформации скольжением (а) и двойиикованием (б)

поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига (рис. 20,6). Иногда эти два способа формоизменения рассматривают как механизм пластической деформации, хотя иа самом деле н при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации остается перемещение дислокаций. И все же микро- и макрокартины пластической деформации скольжением и двойникованнем существенно различаются и нх анализируют отдельно.

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения. Поэтому деформация скольжения будет рассмотрена в первую очередь н наиболее подробно.

1. Низкотемпературная пластическая деформация металлов скольжением и деформационное упрочнение

Картина пластической деформации

Классическая схема деформации скольжением при растяжении (см. рис. 20, а) напоминает сдвиг карт в колоде. «Карты» здесь - это отдельные участки образца (группы атомных плоскостей). В элементарном виде механизм сдвига одной части кристалла относительно другой можно представить как результат пробега через него дислокации, например краевой, длиной, равной ширине кристалла (рис.

21). Чем больше количество движущихся дислокаций и длиннее суммарный путь их перемещений, тем больше величина макропластической деформации. Продемонстрируем это иа следующем примере.

Предположим, что деформация скольжением осуществляется только за счет движения краевых дислокаций, Рас-

Рис. 22. Схема к выводу уравнения связи сдвиговой деформации с длиной пробега дислокации ►

Рис. 21. Схема сдвига верхней половины кристалла относительно нижней в результате пробега через него краевой дислокации

смотрим образец - кристалл (рис. 22), в котором краевая дислокация АВ при своем скольжении иа длину I в плоскости CDAB произвела частичный сдвиг верхней половины кристалла относительно нижней. Величина относительного сдвига g составит g=x/L2, где х - среднее относительное смещение частей кристалла, выраженное в долях от вектора Бюргерса Ь: х- (SIS)b. Здесь S = lLz - площадь участка плоскости скольжения, прочерченного дислокацией; So=LiLs - вся возможная площадь плоскости скольжения в пределах образца. Следовательно, x-{l/Lx)b, а g~ (l/m)b.

Если в рассматриваемой плоскости скольжения путь / пройдут N аналогичных дислокаций, то g=(lN/LiL2)b.

Умножим числитель и знаменатель иа L3, получим g= = (lLzN/LiL2L)b, где LN - суммарная длина всех дислокаций, L1L2L3 - объем кристалла, а отношение этих величин есть плотность дислокаций р. Теперь можно дать конечную формулу, связывающую величину макроскопической деформации сдвига с плотностью дислокаций, длиной их пробега и вектором Бюргерса:

g = рЫ. (23)

Аналогичное выражение получается и при анализе перемещения винтовых и смешанных дислокаций.

В реальных металлах и сплавах, как правило, еще до начала деформации имеется много дислокаций разных тн-