WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

В момент снятия внешней нагрузки образец приходит в неравновесное состояние, и сразу в образце начинаются процессы релаксации, ведущие его к новому состоянию равновесия.

Экспериментально подтверждено в [10],

что в новом состоянии равновесия плотность материала образца та же, что и до деформирования. Напряжения в образце в основном релаксировали к прежнему состоянию, как показали измерения микротвёрдости, тогда как макротвёрдость возросла вследствие роста объёма зернограничной фазы [10].

Деформирование образца продолжается в течение времени. Разность температур Т0 и Т1.определяет Q1 – нагрев образца за время сжатия. Соответ-ственно, скрытая энергия пластической деформации определяется разностью работы ЕП, затраченной на пластическое деформирование, и выделенным теплом Q1 (зона I на рисунке). Далее следует ниспадающий линейный участок Т1-Т2 с характерным временем, и затем пологий участок, соответствующий процессу остывания образца в атмосфере. Продолжительность процесса деформирования намного меньше характерного времени :. Конечное состояние образца характеризуется выделенным теплом Q2. Зона II на рисунке отражает скрытую энергию структурного превращения, которая, в свою очередь, определяется удельной плотностью поверхностной энергии и приростом площади свободной поверхности :

.

Зона III на рисунке характеризует конечное состояние образца. Таким образом, по завершении эксперимента по динамическому сжатию скрытая энергия определяется разностью ЕП и Q2. Это есть сумма скрытой энергии пластической деформации и скрытой энергии структурного превращения.

Поскольку ни скрытую энергию пластической деформации, ни скрытую энергию структурного превращения нельзя извлечь в виде работы, а лишь в форме тепла на плоскости Температура-Энтропия (иными словами, при отжиге), уместно назвать их соответственно скрытой теплотой пластического деформирования и скрытой теплотой релаксационного структурного превращения.

В результате динамического сжатия в разрезном стержне Гопкинсона-Кольского микроструктура поликристаллического образца меняется вследствие дробления и поворота зёрен друг относительно друга. Появление свободных поверхностей зёрен приводит к ослаблению энергии связи поверхностных атомов, что является толчком к возникновению диффузионного массопереноса. Этот процесс, с одной стороны, блокирует обратное движение зёрен, а с другой – увеличивает объём и поверхность зернограничной фазы. Соответственно, возрастает доля поверхностной энергии в общем энергетическом балансе.

Непосредственно после завершения процесса деформирования в течение продолжительного времени () образец существует в неравновесном состоянии. По-видимому, в течение этого времени происходит диффузионный массоперенос, в результате которого заполняются пустоты, образовавшиеся в процессе деформирования [14]. Линейность зависимости можно объяснить тем, что диффузионный процесс управляется абсолютной температурой образца, которая значительно больше малых изменений температур, обусловленных деформационным процессом.

В соответствии с Рис.5, в процессе термодинамического движения материала образца к равновесному состоянию температура образца снижается. Если считать, что образец представляет собой простую однородную среду, то изменение энтропии для него может быть записано в виде: (k – постоянная Больцмана).

Поскольку. Но изменение энтропии в процессе перехода к равновесному состоянию не может быть убывающим. По-видимому, даже такой простой материал, как медь, в процессе деформирования нельзя рассматривать как однофазную среду. Медь, как и все металлы и сплавы – поликристаллическая среда (если монокристаллы не выращены специально). В результате измельчения зёрен возрастает объём зернограничной фазы в поликристалле. Таким образом, существование второй фазы в поликристал-лической меди – зернограничной – имеет решающее значение для объяснения энергетического баланса пластически деформированного поликристалли-ческого тела. Кажущееся уменьшение энтропии на самом деле должно быть компенсировано той её частью, которая связана с ростом зернограничной фазы.

В работе [15] рассмотрен атомный механизм миграции границ зёрен. На основе полученного в ней выражения для скорости миграции границы можно записать скорость диффузионного массопереноса вдоль границ в виде:

,

где С – некоторая константа, Т – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная; – свободная энергия активации Гиббса миграции границы. Интегрируя это выражение, получим массу диффундирующих атомов в виде линейной зависимости с характерным временем. Эту массу можно оценить по результатам измерений запасённой энергии, которая накапливается в зернограничной фазе. По справочному значению удельной плотности поверхностной энергии можно определить площадь свободной поверхности, а затем полный объём несплошностей. Соответственно, может быть найдена полная масса продиффундировавшего вещества, учитывая постоянство его плотности и, в конечном счёте, величина.

Четвёртая глава носит вспомогательный характер и имеет целью получить дополнительные механические характеристики для описания процесса пластического деформирования. Для этого была разработана методика и проведены измерения плотности и твёрдости образцов меди, подвергнутых многократному динамическому сжатию [10].

ВЫВОДЫ

  1. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка – разрезной стержень Гопкинсона-Кольского, реализующая однократное нагружение образца.
  2. Предложена оригинальная схема эксперимента с последовательным нагружением образцов и измерением баланса энергии процесса дефор-мирования. Для определения тепловой составляющей энергии впервые в подобную экспериментальную установку встроен адиабатический калориметр.
  3. Разработана оригинальная конструкция электромагнитного датчика скорости перемещения, который обладает существенными преиму-ществами по сравнению с датчиками тензорезистивного типа. Калиб-ровки электромагнитного датчика показали хорошую повторяемость результатов и стабильность работы. Высокий рабочий ресурс датчика позволяет рекомендовать его к применению на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского и аналогичной экспериментальной технике.
  4. Разработана оригинальная конструкция оптического датчика переме-щений для измерения деформации образца, позволяющая осуществлять измерения величины деформации образца без использования численных процедур.
  5. Получены экспериментальные результаты исследования процесса запасе-ния энергии медными образцами при последовательном нагружении образцов и при одноразовом нагружении образцов с возрастающей вели-чиной остаточной деформации.
  6. Предложен механизм накопления энергии в структуре материала образца в результате динамического сжатия. Экспериментально доказано, что при написании определяющих уравнений пластичности с учётом термодина-мических закономерностей процесса высокоскоростного деформирования исследуемый поликристаллический материал нельзя рассматривать как однофазную систему.
  7. Сделан вывод о том, что калориметрические измерения показывают истинную величину накопленной энергии в равновесном состоянии образца. Процесс накопления энергии связан с увеличением объёма зернограничной фазы, т.е. с измельчением зёренной структуры. Показано, что одновременные измерения эволюции температуры с помощью инфра-красной камеры и калориметра позволяют определять существенную термодинамическую характеристику деформирования – свободную энергию активации Гиббса.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Кольский Г. Исследование механических свойств материалов при больших скоростях нагружения. // Механика, Вып.4. – М.: Издательство иностранной литературы, 1950. – C. 108–128.
  2. Hodowany J., Ravichandran G., Rosakis A.J., Rosakis P. Partition plastic work into heat and stored energy in metals // Exper. Mech. – 2000. – V. 40. – P. 113–123.
  3. Bever M.B., Holt D.L., Titchener A.L. The stored energy of cold work // Pergamon Press Ltd. – 1973. – 191 pp.
  4. Hodowany J., Ravichandran G., Rosakis A.J., Rosakis P. On the partition of plastic work into heat and stored energy in metals; Part I: Experiments // GALCIT Technical Report SM No. 98-7, California Institute of Technology, Pasadena, CA. – 1998.
  5. Pandey K.N., Chand S. Deformation based temperature rise // A view. Int. J. of Pressure Vessels and Piping. – 2003. – V. 80. – P. 673–687.
  6. Mason J.J., Rosakis A.J., Ravichandran G. On the strain and strain-rate dependence of the fraction of plastic work converted into heat: an experimental study using high-speed infrared detectors and the Kolsky bar // Mechanics and Materials. – 1993. – V. 17. – P. 135–145.
  7. Rosakis P., Rosakis A.J., Ravichandran G., Hodowany J. A thermodynamic internal variable model for the partition of plastic work into heat and stored energy in metals // J. Mech. Phys. Solids. – 2000. – V. 48. – P. 581–607.
  8. Nemat-Nasser S., Isaacs J.B., Starrett J.E. Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments // Proc. R. Soc. Lond. – 1991. – V. A435. – P. 371–391.
  9. Barannikov V., Nikolaeva E. The effect of strain rate of dynamically loaded copper on temperature accumulation // J. Phys. IV France. – 2003. – V. 110. – P. 195–199.
  10. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Экспериментальное изучение термодинамики нагруженной меди // Физическая мезомехани-ка. – 2005. – Т.8, №2. – С. 107–112.
  11. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Применение датчиков перемещений и скоростей перемещений на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского // Сб. научн. трудов. Вычислительная механика. – Пермь, 2004. – №2. – С. 34-40.
  12. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Простой электро-магнитный датчик мгновенных деформаций // Заводская лаборатория. – 2007. – Т.73, №3. – С. 66–68.
  13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч. 1 // М.: Наука, 1976. – 584 с.
  14. Гарбер Р.И., Гиндин И.А. Физика прочности кристаллических тел // УФН. – 1960. – Т.LXX, вып.1. – С. 57–110.
  15. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы зёрен // М.: Мир, 1975, 375 с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

  1. Barannikov V., Nikolaeva E. The effect of strain rate of dynamically loaded copper on temperature accumulation // J. Phys. IV France. – 2003. – V. 110. – P. 195-199.
  2. Николаева Е.А. Особенности динамической калибровки стержня Гопкинсона-Кольского // Математическое моделирование систем и процессов. – 2003. – №3. – С. 87-93.
  3. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Применение датчиков перемещений и скоростей перемещений на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского // Сб. научн. трудов. Вычислительная механика. – Пермь, 2004. – №2. – С. 34-40.
  4. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Экспериментальное изучение термодинамики нагруженной меди // Физическая мезомехани-ка. – 2005. – Т.8, №2. – С. 107-112.
  5. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Термодинамические аспекты высокоскоростного деформирования меди // Деформация и раз-рушение материалов. – 2005. – №3. – С. 16-19.
  6. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Электромагнитный датчик мгновенных деформаций // Деформация и разрушение материа-лов. – 2006. – №9. – С. 45.
  7. Баранников В.А., Николаева Е.А., Касаткина С.Н. Простой электро-магнитный датчик мгновенных деформаций // Заводская лаборатория. – 2007. – №3. – С. 66-68.
  8. Баранников В.А., Николаева Е.А. Энергетический баланс динамически нагруженной меди // Cб. материалов, XVII Петербургские чтения по проблемам прочности, 10-12 апреля 2007 г., с. 266.
Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»