книги / Микропластичность и усталость металлов

При сот= 1 значение внутреннего трения достигает максимума Qmax=iA/2, а Мд= (MIt+Mp)/2. Релаксационные процессы в метал­

пропорциональная зависимость от о и затухающее (или резонан­

сное) восстановление во времени еДОп(0 = е-Р* еш *, где р — мате­ риальная константа. Площадь, образуемая на кривой деформации о—е, возрастает во времени и становится больше, чем для релак­ сационного процесса [30]*. Уменьшение динамического модуля при периодическом нагружении приводит при определенных условиях к понижению сопротивляемости материала деформации и к его раз­ рушению в условиях быстрого нарастания нагрузки и к росту ам­ плитуды колебания.

Внутреннее трение материала образца оценивается по ширине резонансного пика (или впадины) на кривой зависимости амплитуды перемещения от частоту колебаний при постоянной амплитуде воз-

буждающей силы или зависимости этой амплитуды перемещения от частоты при постоянной амплитуде колебаний [31]-. За меру вну­ треннего рассеяния энергии можно принять величину

ной связью между а и еДОп и мгновенным восстановлением еДОп во времени: efl0nfO=const. Даже при весьма малых нагрузках зави­ симости между напряжениями и деформациями при циклическом на­ гружении металлов являются нелинейными. Часть энергии, определя­ емая площадью петли гистерезиса AW, расходуется в металле на необратимые процессы. При упругом гистерезисе процессы могут быть вызваны движением и взаимодействием дефектов кристаллического строения в микрообъемах, термо- и магнитоупругими эффектами. Пластический гистерезис наблюдается при высоких напряжениях и связан с элементарными актами пластической деформации в объемах зерен или субзерен поликристалла. В области напряжений, близких к пределу усталости, на форму петли гистерезиса одновременно влияют все отмеченные факторы. Предложен ряд зависимостей, опи­ сывающих петлю упруго-пластического гистеризиса, для учета рас­ сеяния энергии при циклических колебаниях, которые можно пред­ ставить в обобщенном виде [32]*:

( 6)

где f(80/e) — функция, описывающая форму петли гистерезиса; а — структурный параметр.

Внутреннее трение обычно характеризуется при таких испыта­ ниях относительным рассеянием энергии за цикл колебаний Ч', оп­ ределяемой как отношение площади петли гистерезиса AW к полной энергии системы W:XV=\AW/W. Параметры петли гистерезиса могут быть определены и по виброграмме затухающих колебаний. Лога­ рифмический декремент колебаний i6 связан с другими характеристи­ ками внутреннего рассеяния энергии при малых их значениях изве­ стным соотношением:

Имеются и другие меры поглощения энергии колебаний в твер­ дых телах — инкремент колебаний, коэффициент поглощения зву­ ковой волны в материале и т. д.

Гистерезисная неупругость для изучения микропластичности представляет наибольший интерес, так как является прямым след­ ствием этого явления при статическом, динамическом и циклическом нагружении материала. Типичные результаты эксперимента по мик­ родеформации и внутреннему трению для технически чистого слабодеформированного железа представлены на рис. 8. Проявлением нелинейного поведения после предварительного деформирования рас­ тяжением (или кручением) является образование закрытой петли на кривых кг — е или б — е при нагружении и разгрузке. Напряжение cTupi (или деформация вкрО соответствует началу образования за­ крытых петель; при напряжении, равном а Кр* наблюдается откры-

тая петля гистерезиса. Соответствующая деформация бкР2 ПРИ из­ мерениях амплитудных зависимостей внутреннего трения обнаружи­ вается по характерному повышению интенсивности рассеяния энер­ гии или по нарастанию фона затухания (б0 в связи с накоплением ос­ таточной деформации [33]. С этого момента остаточная деформация 8Р и фон затухания увели­ чиваются по мере нарастания амплитуды напряжения (или деформации).

Преимуществом опытов по мнкродеформации перед обыч­ ным экспериментом по внут­ реннему трению является воз­ можность непосредственного измерения величины деформа­ ции еР при а^егкрг. Сопо­ ставление величии микродеформацип с амплитудными за­ висимостями внутреннего тре­ ния для широкого круга мате­ риалов показало, что имеется их полное соответствие. На рис. 9 приведены результаты таких испытании для диспер­ сионно твердеющего сплава на основе а-латуни [34] и высо­ кочистой меди. В выбранной системе координат хорошо

видны стадийность процесса и критические напряжения смены мсханизма в микропластической области нагружения.

Современные требования, предъявляемые к установкам, и схемы их построения. Измерения внутреннего трения и констант упругости распадаются на два класса: абсолютные и относительные. В первом случае исследователя интересуют расчетные значения величин ттеупругих и упругих характеристик, во втором — их зависимость от различных факторов, таких как амплитуда, температура, время, напряженность магнитного или электрического поля и т. д. В системах первого класса основная цель — высокая абсолютная точность, для систем второго направления необходима чувствительность к малым изменениям структурных или внешних параметров. За короткий пе­ риод (20—30 лет) экспериментальная техника определения харак­ теристик неупругости в твердых телах получила широкое развитие, накоплен достаточный опыт эксплуатации приборов, установок в фи­ зическом металловедении и прикладной механике.

Можно выделить несколько основных групп установок и при­

боров для изучения процесса внутреннего трения и постоянных упру* гости:

а) ручные, неавтоматизированные установки типа крутильного маятника с визуальной регистрацией и отсчетом затухающих коле­ баний; б) полуавтоматические установки, оснащенные счетчиками импульсов, дискриминаторами, самопишущими осциллографами, уп­ равлением нагрева образца и т. д.; в) автоматические приборы, в * которых процессы измерения и регистрации данных в аналоговой или дискретной форме полностью автоматизированы (приборы сиабжс-

ны программирующим задающим устройством, определяющим после­ довательность эксперимента); г) полностью автоматизированные системы, работающие совместно с ЭВМ и содержащие устройства ввода — вывода информации.

Обоснованный выбор методики исследования и направления конструирования автоматической аппаратуры возможен на основе анализа схем построения установок и погрешностей измерений. Из-

Т,Та, МПа Т,МПа Snn-103

а —сплав ЛАНКМц [34]; б — медь /[99,999% (по массе)]

вестно, что уравнение движения элементов устройств испытатель­ ных установок можно представить в следующем виде [35i]*:

где х, х и х — соответственно перемещение, скорость и ускорение при

упругих и неупругих параметров. При автоколебательном возбуж­ дении (F» = kx, k — коэффициент усиления усилителя обратной свя­

И могут реализоваться различные условия работы колебательной системы (частота колебаний образца при автоколебаниях всегда со*

ответствует собственной частоте). При возникают затухающие колебании, при $<.k — нарастающие колебания, характеризующиеся величиной инкремента колебаний, а при P= fc — стационарные коле­

электрической, электромагнитной, электростатической и т. п.) образ­ ца с датчиком и возбудителем колебаний. Например, при электромаг­ нитном возбуждении [36] мощность возбудителя колебаний можно оценивать как произведение! напряжения катушки на силу тока, про­ текающего в ней: Q“ l = n k t где & =1/JJ/£/D, VB и UD— соответственно напряжения в катушке возбуждения и на датчике колебаний.

На рис. 10, а представлены схемы автоматической аппаратуры непрерывного измерения внутреннего трения установок низкочастот­ ного и среднечастотного диапазона. На примере блок-схемы изме­ рительных систем типа крутильного маятника можно видеть, что основным принципом автоматизации является создание автоколе­ баний маятника со стабилизацией амплитуды колебаний. Сигнал дат­ чика Д после усиления и выпрямления сравнивается с опорным ста­ билизированным сигналом от блока опорного стабилизированного напряжения ОН, а их разность определяет коэффициент усиления усилителя к, управляющим возбудителем колебаний В. Для низко­ частотного диапазона работы автоколебательной системы наиболее сложной проблемой является выбор датчика — преобразователя ме­ ханических колебаний маятника для получения сигнала, пропорцио­ нального его угловой скорости. Для автоматической аппаратуры диа­ пазона килогерцевых частот характерно наличие измерительных, ре­ гистрирующих и анализирующих блоков. Колебания образца, рас­ положенного в испытательной камере, в виде сигнала датчика Д поступают через предварительный усилитель У1, полосовой фильтр ПФ, фазовращатель ср и усилитель УЗ на возбудитель колебаний В. Второй контур схемы обеспечивает постоянство амплитуды коле­ баний, сравнивая в блоке сравнения БС усиленный усилителем У2 продетектированный сигнал с опорным напряжением ОН. Сигнал с

соответственно после линейного и квадратичного детектирования по­ ступают на вход блока контроля и регистрации. Последняя возмож­ на с помощью координатных самопишущих приборов КСП или в цифровом виде путем аналого-цифрового преобразования АЦП. Амплитуда деформации образца контролируется показаниями протарированного вольтметра V, колебания — осциллографом О, а их частота определяется частотомером Ч по периоду колебаний. При­ веденная схема отражает многие общие черты и принципы конструи­ рования автоматических приборов низкочастотного и килогерцевого диапазонов.

Для метода затухающих колебаний основными направлениями автоматизации измерений внутреннего трения являются: автоматиче­ ская запись виброграмм, применение автоматических дискримина­ торов и счетных устройств или таймеров, аналоговое логарифмиро­

вание сигналов и аналогово-цифровое преобразование всех пара­ метров затухающих колебаний для последующего ввода информации в цифропечатающие машины, самописцы, ЭЦВМ. Автоматизация из-

мереннй для резонансных методик достаточно проста: автоматиза­ ция процесса изменения частоты вынужденных колебаний с записью сигнала, пропорционального амплитуде колебаний, или поддержание фиксированной частоты, близкой к резонансной, при изменении тем­ пературы нагрева образца. Метод вводимой мощности позволяет решить вопрос выполнения непрерывных измерений внутреннего трения при изменении температуры, амплитуды колебаний или вре­ мени испытаний.

Основными требованиями к аппаратуре являются обеспечение высокой точности и чувствительности установок. Абсолютная точ­ ность измерений Q-1 и М на лучших современных установках со­ ставляет: для крутильных маятников ±2,5%, для резонансных стер­ жней 0,3 и 0,1% и для импульсных методов 10 и 0,01% соответст­ венно. Построение чувствительных приборов и установок возможно на основе их автоматизации и повышения разрешающей способности. Для автоматической аппаратуры чувствительность измерений внут­ реннего трения достаточно высока: для маятниковых систем ±0,03, резонансных — до 10~4% и для аппаратуры бегущих волн 10~5% А. А. Морозюком было показано, что достаточная разрешающая спо­ собность автоматических установок с электромагнитным возбужде­ нием (отношение сигнал/шум>500) может быть достигнута при выпол­ нении следующих условий: фактор шума входного каскада (пред­ варительного усилителя) 77ш =2--3, коэффициент усиления — не ме­ нее 60 дБ при высоком входном сопротивлении. Схема сравнения должна обеспечить высокую стабильность (порог срабатывания де­ тектирующего устройства практически равен нулю, стабильность опорного напряжения не более 10-8 В). Обеспечение высокой раз­ решающей способности установок особенно важно при проведении относительных измерений характеристик при изучении структурных превращений в металлах и сплавах.

Эти общие требования обеспечения точности и чувствительно­ сти испытательных установок определяют задачи конструирования составляющих ее узлов и блоков. Измерительная и регистрирующая аппаратура должна разрабатываться на базе современных эле­ ментов и решать такие вопросы, как сохранение линейности выход­ ных сигналов преобразующих устройств или датчиков, устранение искажений, отделение ненужной информации и многие другие..Спе­ цифические трудности возникают при обеспечении контролируемого влияния условий внешнего воздействия на образец (температура, вакуум, нагружение, магнитное или электрическое поле и т. д.), ко­ торые являются общими и для других направлений развития науч­ ного приборостроения.

Одним из наиболее важных классификационных признаков ме­ тодов возбуждения колебаний при измерениях Q -1 и М, характери­ зующих физическую природу характера распространения упругих колебаний в твердых телах, является вид упругих волн, возбуждае­ мых в образце: стоячие или бегущие. Стоячие волны возбуждают в системе, составной частью которой является образец (например, крутильный маятник), или непосредственно в самом образце (резо­ нансный стержень); бегущие волны — на поверхности образца (релеевские волны) или в его объеме (импульсный метод). Форма ко­ лебаний образца обусловливает тип возбуждения колебаний: про­ дольный, поперечный или сдвиговой. Тип колебаний предопределя­ ет во многом не только конструктивные особенности установок, но и класс измеряемых характеристик материала (например, модуль Юнга или модуль сдвига). По способу возбуждения возможна до­ статочно полная классификация блоков — механический, электро­ магнитный, пьезоэлектрический, лазерный и т. д. Однако более це­ лесообразно объединить их по более общему признаку — на спосо­ бы независимого внешнего возбуждения и самовозбуждения.

Классификационную схему блоков измерения определяют два фактора: цели измерений и способы их выполнения. При измерении упругих и неупругих характеристик металлов могут преследоваться различные цели: определение их аттестационных (абсолютных) зна­ чений или некоторых относительных параметров, связанных с из­ менением состояния исследуемых систем или с различиями между фиксированными состояниями. В первом случае определяющей яв­ ляется высокая точность проводимых измерений, во втором — вы­ сокая чувствительность. К прямым методам измерений следует от­ нести термический и энергетический методы. Некоторые авторы от­ носят к этой группе измерений методы статической и динамической

нарастающими) колебаниями, резонансными кривыми и методом подводимой мощности. Особую группу представляют разрабатывае­ мые в последнее время (СССР, ФРГ) дифференциальные способы измерений, основанные на сравнении сигналов от испытуемого об­ разца и образца-эталона.

Блоки регистрации колебаний характеризуются способами их реализации и формой получения информации. Для наиболее расп­ ространенных испытательных устройств можно выделНть следующие способы регистрации колебаний: визуальный, механический и др. Фор^а регистрации данных измерительного блока может быть дискретная и аналоговая. Результаты измерений воспроизводятся на

координатных самописцах (КСП) или лентах цифропечатающих машин (ЦПМ). После соответствующего преобразования, кодиро­ вания и перфорирования результаты измерений можно вводить в

ЭЦВМ для обработки и анализа.

Сводная классификационная схема приведена иа рис. 10, б. Экспериментальная техника. Конструктивное оформление при­

не только универсальных, но и специализированных установок. Удоб­ ство и простота работы приборов и аппаратуры в сочетании с их надежностью и экспрсссностыо измерений позволяют использовать их в заводской и лабораторной практике. Рассмотрим некоторые основные направления в развитии экспериментальной техники и при­ ведем примеры конструкторских решений, интересных в плане по­ ставленных в монографии задач.

Н и з к о ч а с т о т н ы е у с т а н о в к и . Метод динамической петли гистерезиса применяют при изучении рассеяния энергии ма­ териалов при напряжениях, близких к пределу усталости и выше его. Установки и приборы этого класса наиболее полно подчерки­ вают общность механических и нсупругих испытаний иа микропла­ стичность. Метод позволяет решать следующие задачи: определять предел усталости металла ускоренным методом, основывающимся на измерении неупругих деформаций в процессе возрастания нагруз­ ки (в основу метода положено соответствие пределов усталости

ипропорциональности, най­

груженных элементов в упру­ го-пластической области.

Рис. 11. Принципиальная схема и аппаратура для исследования вну­ треннего рассеяния энергии в ме­ таллах [37]:

щатель

Принципиальная схема аппаратуры для исследований с исполь­ зованием датчиков омического сопротивления показана на рис. 11 [37]. Одну пару датчиков 4 наклеивают на образец (пли упругий элемент), две другие пары датчиков 5 и 9— на динамометр. Сигнал

с датчиков 4, пропорциональный деформации образца, через тензостанцию, промежуточный усилитель и фильтр поступает па гори­ зонтальную развертку осциллографа, а сигнал с датчиков 9, про­ порциональный усилию нагружения, через тензометрическую стан­ цию, фазовращатель и фильтр — на вертикальную развертку. Элек­ тронный луч описывает на экране осциллографа петлю в координа­ тах деформация — усилие. Такая схема достаточно универсальна и может быть широко использована в усталостных машинах, рабо­ тающих на растяжение — сжатие, изгиб и кручение. Исследование петель гистерезиса при повышенных частотах используют для записи диаграмм циклического) пластического деформирования.

Чувствительность и точность метода динамической петли гисте­ резиса определяются чувствительностью, с которой измеряют дефор­ мацию, и степенью совершенства характеристик применяемой изме­ рительной техники (тензометра, динамометра). Область возможных измерений рассеяния энергии на стандартной аппаратуре фирм «1пslron» и «Strainsert» показана на рис. 12 [38]*. Область, лежащая

выше предельной линии АЕ, представляет поле значений внутренне­ го рассеяния энергии, которое может быть определено. Путем ис­ пользования прецизионных тензодатчиков (нелинейность 2,1-10~4%) удается повысить чувствительность метода на два порядка. При

описанной в работе [38] цепыо операционного усилителя, синхронно вычитающей упругую деформацию из общей деформации образца, можно получить дальнейшее повышение чувствительности.

Ранее было отмечено, что практически любой эксперимент по низкочастотному внутреннему трению (0,05—1 Гц) является опы­