Неполная упругость металлов

В области упругой деформации, где действует закон Гука, у металлов и сплавов наблюдается ряд отклонений от чисто упругого поведения.

Одним из известных проявлений неполной упругости металлов является эффект Баушингера. Он заключается в том, что при повторном нагружении пластически слабодеформированного образца в обратном направлении его сопротивление малым пластическим деформациям снижается. Это снижение может быть достаточно заметным. Так, у некоторых сталей и титановых сплавов оно достигает 15-20%.

Допустим, мы растянули образец на 1-2% (до точки а на рис.2.6). Теперь снимем нагрузку и будем подвергать его сжатию. Кривая напряжение-деформация (о¢ес) будет лежать ниже соответствующей кривой (о¢b), которую мы получили бы при повторном растяжении.

Если точка b соответствует здесь началу пластической деформации, то отрезок bc=d _б представляет так называемую баушингеровскую

деформацию, которая является одной из основных количественных характеристик эффекта Баушингера.

Процесс, определяющий этот эффект, состоит в обратном движении дислокаций, порожденных различными источниками при первоначальном растяжении. На начальных стадиях деформации постепенно растущее число генерируемых дислокационных петель движется относительно легко и на значительные расстояния вплоть до остановки у каких-либо барьеров. Возникающая дислокационная структура достаточно стабильна и мало меняется при разгрузке.

Поэтому при повторном растяжении сопротивление деформированию либо несколько возрастает, либо практически не меняется по сравнению с первоначальным. При изменении же знака напряжения дислокации вынуждены двигаться обратно по направлению к источникам.

В результате перемещение дислокаций начинается при более низких напряжениях и появляется дополнительная баушингеровская деформация.

После значительной предварительной пластической деформации

(>2-3%) перераспределение дислокаций при обратном нагружении затрудняется и баушингеровская деформация приближается к нулю.

Особенно большое практическое значение имеет эффект Баушингера при эксплуатации и испытаниях в условиях циклического нагружения.

К важным проявлениям неполной упругости металлов относится упругое последействие. Оно свидетельствует о том, что не вся обратимая деформация металла является чисто упругой. Возьмем образец и создадим в нем напряжение в пределах упругого участка кривой напряжение-деформация. После разгрузки такой образец будет иметь те же размеры, что и до нагружения. Проследим, как будет изменяться его удлинение во времени под действием приложенного напряжения и после разгрузки. Соответствующая диаграмма представлена на рис. 2.7.

Оказывается, что наш образец деформируется чисто упруго, т.е. с очень большой скоростью лишь на величину OC, а затем удлиняется медленнее, по закону, близкому к параболическому. После разгрузки в точке K происходит очень быстрое снятие чисто упругой деформации (KM»OC), а затем – относительно медленное вплоть до 0К – остальной деформации. В конце концов в точке N образец имеет исходные размеры, но ясно, что далеко не вся обратимая деформация является чисто упругой.

Механизм упругого последействия может быть связан с перемещением точечных дефектов, например в металлах с ОЦК решеткой – атомов примесей внедрения. До нагружения эти атомы располагаются в междоузлиях, например на середине ребер кубической решетки, статистически равномерно (рис. 2.8а). Под действием напряжения происходит постепенное перераспределение примесных атомов. Они стремятся занять междоузлия на ребрах вдоль оси нагружения (см. рис.2.8б), где вызывают наименьшие искажения решетки.

В результате каждая элементарная ячейка и весь образец удлиняются вдоль направления действия нагрузки. Причем происходит это не мгновенно. Поскольку переход примесных атомов в новое положение требует диффузионных перескоков, он продолжается достаточно длительное время. После разгрузки происходит обратное перераспределение примесных атомов, и образец принимает исходные размеры (см. рис. 2.7, участок MN). Более общей причиной упругого последействия считается структурная и химическая неоднородность технических металлов и сплавов. При напряжениях значительно ниже тех, которые вызывают пластическую деформацию металла, в отдельных его зернах начинается локальная

(микропластическая) деформация, связанная с перемещением дислокаций. В нашем эксперименте, когда на образец действовало постоянное напряжение, после почти мгновенной упругой деформации до точки C (см. рис. 2.7)

удлинение может продолжаться за счет микропластической деформации, постепенно затухая из-за сопротивления упругой среды, окружающей пластически деформирующиеся объемы. После разгрузки упруго продеформированные участки не могут полностью вернуться в исходное состояние, так как этому препятствуют пластически продеформированные области. Под действием остаточных напряжений в этих областях постепенно идет обратная пластическая деформация, которая приближает размеры образца к исходным.

Упругое последействие может в ряде случаев проявляться на практике. Например, из-за него после деформационной правки или после сварки может возникать поводка изделий. Упругое последействие вызывает нежелательное увеличение деформации пружин и мембран, работающих под нагрузкой в точных приборах.

Скорость упругого последействия, а также его величина зависят от состава, структуры металла и условий его испытания. Увеличение гетерогенности структуры, неоднородность пластической деформации, облегчение ее под воздействием различных факторов усиливают эффект упругого последействия. Например, повышение температуры резко увеличивает скорость последействия (в цинке на 50% при повышении температуры на 15⁰C). Закалка стали и ее пластическая деформация усиливают склонность к упругому последействию из-за увеличения неоднородности структуры.

Таким образом, в металлах еще до начала макропластической деформации (на упругом участке кривой напряжение-деформация) возможны неупругие явления, такие, как движение дислокаций, точечных дефектов, перемещение атомов в области границ зерен и т.д. Эти явления, сопровождающиеся местными пластическими деформациями, наблюдаются при низких напряжениях и имеют важное практическое значение.

Неупругие эффекты служат причинами внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри металла при механических колебаниях. Линии диаграммы напряжение-деформация при нагрузке и разгрузке из-за неполной упругости металлов не совпадают

(рис. 2.9), а образуют петлю гистерезиса. Ее площадь и характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения.

Внутреннему трению уделяется большое внимание в связи с большим практическим значением способности металлических материалов к рассеиванию энергии при нагружении в упругой области. Знание величины внутреннего трения необходимо для грамотного выбора материала, работающего в определенных условиях. Например, демпфирующие материалы для разного рода амортизаторов, способные быстро гасить колебания, должны обладать большим внутренним трением. Такие материалы обладают повышенным сопротивлением усталостному разрушению при возникновении резонансных колебаний в процессе эксплуатации.

Многие детали измерительных приборов, наоборот, не должны рассеивать упругую энергию, чтобы обеспечить малую инерционность и высокую точность измерений. Такие детали должны изготавливаться из материалов с малым внутренним трением.

Лекция разработана «___»________200__г.

_______________________Фигуровский Д.К.