Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

Для решения вопроса о предельном (критическом) значении плотности внутренней энергии и*, накапливаемой в деформируемыхобъемах к момету их разрушения (потери устойчивости кристаллической решетки), воспользуемся идеей об энергетической аналогии процессов плавления и механического разрушения металлов [7]. При этом следует обратить внимание на два существенных обстоятельства, вытекающих из рассмот­ рения термодинамических теорий, базирующихся на энергетической аналогии механического и термического разрушения кристаллических тел [8].

1.Скрытая теплота плавления Ls является энергией, необходимой для нарушения связей в предельно искаженной (в процессе нагрева до температуры плавления) кристаллической решетке. Поэтому при сопо­ ставлении энергии разрушения при действии механических сил со скры­ той теплотой плавления необходимо принимать во внимание не всю энер­ гиюразрушения, расходуемую с начала приложения нагрузки и до пол­

ного разрушения, а только ту ее часть, которая затрачивается на разру­ шение кристаллической решетки в объемах металла (Fp) с искаженны­ мидо критической величины связями.

2.При действии механических нагрузок пластическая деформация протекает неоднородно по объему Vметалла, а разрушение носит локаль­

ный характер в том смысле, что не все межатомные связи нарушаются в этом объеме V, а лишь те, которые при данных условиях нагружения оказались наиболее слабыми. При плавлении же металлов, как известно, процесс нарушения связей происходит по объему более однородно. Поэтому энергию, затраченнуюна разрушение, можно приравнивать к скрытой энергии плавления лишь в том случае, если удельная энергия разрушения определяется не по отношению ко всему объему метал­ ла Г,подвергнувшемуся воздействию внешних сил, а по отношению к единице объема разрушенного металла Vp (объема металла с нарушен­ ными связями дальнего порядка).

Поэтому удельнуюэнергиюм*, накопленную в объеме материала, от­ ветственном за разрушение, следует рассматривать состоящей из двух частей: удельной энергии и*, расходуемой на создание предельных ста­ тических искажений, связанных с дислокациями и другими дефектами, зарожденными и задержанными в материале в процессе пластической деформации, и удельной энергии иJ, расходуемой на разрушение меж­

атомных связей в объеме с предельными статическими искажениями, т.е.

объем V станет равномерно поглощать энергию искажений и к опреде­ ленному моменту будет насыщен предельной энергией искажений, рав­ ной энтальпии материала в твердом состоянии при температуре плав­ ления

Вто же время предельный объем разрушения Vp будет в этом слу­ чае по своей величине меньше исходного V.Для нарушения межатомных

34

Таблица 1 Средневыборочноезначение Ди,длястали

На рис. 1приведены типовые кинетические кривые изменения плотнос­ ти внутренней энергии Ли в деформируемых объемах образцов из ста­ ли 45 в отожженном состоянии в зависимости от числа циклов дефор­ мирования N и амплитуды циклических напряжений оа. Аналогичные графики были получены для других сталей и режимов термообработки, из которых следует, что в деформируемых объемах образца с увеличе­ нием числа циклов плотность внутренней энергии Ли постепенно возрас­ тает. При достижении некоторого предельного (критического) значения происходит разрушение образца. На рис. 1моменту разрушения образ­ ца соответствуют точки б, а средневыборочному значениюАй* —гори­ зонтальная заштрихованная линия.

На рис. 2 представлены для исследованных сталей и режимов термо­

обработки свободные графики средневыборных значений критической плотности внутренней энергии Ай* (горизонтальные линии 1—3), а так­

же экспериментальные точки, соответствующие значениям внутренней энергии Ан*, накопленной в деформируемых объемах образца к момен­ ту разрушения при различных фиксированных значениях амплитуд цик­ лическихнапряжений оа.

Как видно из графиков, представленных на рис. 2, для всех исследо­ ванных сталей и режимов их термической обработки опытные значения изменения плотности внутренней энергии Аи*, накопленной в деформи­ руемом объеме образцов к моменту разрушения, оказались практичес­

ки независимыми от амплитуды циклических напряжений оа (а следо­ вательно, долговечности iV*). Статистическая обработка этих экспери­ ментальных данных представлена в табл. 1,из которой следует,что коэф­ фициент вариаций изменяется в пределах 8,3—12,3%. Некоторый разброс

экспериментальных точек относительно среднего выборочного значения Ай* следует отнести за счет неоднородности свойств материала исследо­ ванных образцов.

На рис. 1и 2 нанесены пунктирные линии значений термодинамичес­ ких констант чистого железа: AHs = 105-102МДж/м3 - энтальпий в жид­

ком состоянии при температуре плавления Ts: АНт = 83,8-102МДж/м3 -

36

Рис. 2. Зависимость сводных графиков критических значений плотности внутренней энергии Ли,исследованныхсталейотамплитудынапряжений аа

AtfS= 105 • 10*. МДж/м3; АЯга= AH«-LS\ LS = 21,2 • 10*, МДж/м3: а - 1 - сталь 25,2 - сталь 2X13,3 —сталь 40Х; о —сталь 45:1 —отжиг,2 —нормализация, 3 —улучшенная; линии 1-3- Аи.

служит величиной, характеризующей плотность внутренней энергии ма­ териала иео в исходном состоянии.

Основные результаты экспериментальных исследований энергетичес­ кого баланса процесса абразивного износа (шлифования) металлов [2,9] представлены на рис.3 и 4,приведены в табл.2.

На рис. 3 приведены графики зависимости термодинамических ха­ рактеристик поверхностного разрушения (шлифования) стали 40Х от

скорости и и удельных давлений р, На основании рис. 3 и аналогичных графиков для других исследованных материалов и режимов процесса

го эффекта (QjV) шлифования изменяются в широких пределах в за­ висимости от условий процесса (р, и). Вто же время плотность изме­ нения внутренней энергии Ли*, накопленной в продуктах износа, не зависит от условий процесса и остается практически постоянной.

38

20

Рис.3. Зависимость термодинамических характеристик процесса (шлифования) стали 40Хот удельныхнагрузокр (при и=0,84 м/с) и скорости v (прир =1,2 МПа)

Втабл. 2 приведены для исследованных металлических сплавов дан­ ные статистической обработки экспериментальных значений критичес­ кой плотности внутренней энергии, а на рис. 4 представлены сводные графики зависимости критической плотности внутренней энергии Дм* в зависимости от мощностишлифования W.

Горизонтальными сплошными линиями 1-6 представлены средние выборочные значения критической плотности внутренней энергии Дм* исследованных сплавов; на рисунке также нанесены опытные точки. Рис. 4 показывает, что экспериментальные значения критической плот­ ности внутренней энергии Дм* (точки) практически не зависят от усло­ вий процесса, характеризуемых мощностью шлифования W. Коэффи­ циент вариаций не превышает значений v = 13,5—31,3%. Более высокие значения коэффициента вариации v = 31,3%для серого чугуна СЧ18-36 объясняются неоднородностью строения и значительным разбросом свойств чугунов.

На рис. 4 пунктирными линиями нанесены значения энтальпии ДЯ5 материала в жидком состоянии при температуре плавления Ts (1' —тех­ нического железа; 2* —чугуна; 3' —углеродистой стали и4* —бронзы). Огсюда следует, что средние выборочные значения критического изме­ нения плотности внутренней энергии Дм* для исследованных сплавов хорошо коррелируют с энтальпией плавления.

Проведенные экспериментальные исследования энергетического ба­ ланса процесса усталостного разрушения и абразивного износа (шлифо­ вания) металлов подтверждают достоверность термодинамического крн-

39

Таблица 2 Средневыборочноезначение Дй* для стали,чугунаидругихсплавов

терия разрушения деформируемых тел [2], а также гипотезу энергети­ ческой аналогии процесса плавления и механического разрушения ме­ таллов [7]. Вусловиях объемного деформирования и разрушения ста­ лей (Vp/V ->0) предельные (критические) значения изменения плотнос­ ти внутренней энергии Ли* совпадают с энтальпией ДЯте плавления же­ леза в твердом состоянии при температуре плавления Ts. Предельные (критические) значения изменения плотности внутренней энергии в ус­

ми амплитудами напряжений или высокой температурой, кинетическое уравнение повреждаемости (10) можно представить в виде

амплитудами напряжений или низкой температурой, кинетическое урав­ нение (10) можно представить в виде

40