Агрегатные превращения в пластически деформируемых металлах и сплавах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 539. 3
АГРЕГАТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ
МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
© Л.С. Васильев
Физико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск, Россия, е-таіі: uds@pti. udm. ru
Ключевые слова: структурно-фазовые превращения- металлы и сплавы- пластическая деформация и разрушение- деформационное плавление.
Показано, что при интенсивной пластической деформации и разрушении кристаллическая решетка металлов и сплавов становится неустойчивой по отношению к процессам локального плавления. Определены области деформационного плавления металлических систем на основе железа при экстремальных растягивающих механических нагрузках.
Металлические системы могут начать плавиться при температурах Т & lt- Тт (Тт — температура плавления при нормальном давлении) в условиях механического растяжения. Этот эффект описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса, из которого следует, что величина смещения температуры плавления ДТ в сторону низких температур напрямую связана с величиной гидростатического растягивающего давления р.
Отметим, что уравнение Клапейрона-Клаузиуса не накладывает никаких ограничений на пределы области изменения давления. В принципе, величина р может изменяться в неограниченно широких пределах: -ж & lt- р & lt- +ж. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса задает лишь связь между любыми значениями давления р и соответствующей ему величиной смещения температуры плавления ДТ. Структура этого уравнения позволяет утверждать, что для нормальных металлов величина 1ДТ1 должна принимать тем большие значения,
чем больше будет величина |р|. Это означает, что для
любой металлической системы всегда можно подобрать такое значение растягивающего давления, которое сможет понизить температуру плавления вплоть до комнатных температур и ниже. Однако точное положение линий плавления для большинства используемых на практике металлов пока неизвестно.
Цель этой работы состоит в разработке физически обоснованных методов построения диаграмм равновесных агрегатных состояний металлов и сплавов, продолженных в область высоких растягивающих механических нагрузок.
Исходя из общих принципов термодинамики, кривая плавления твердой фазы определяется уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
АУ
ёр АН
ІГ ~ ~Т
(1)
Здесь А У = У — - объемный эффект превращения,
АН = Н1 — Н6, — тепловой эффект, Уі и Ні (і = і, л) -объем и энтальпия і-ой фазы, индексы і и л нумеруют жидкое и твердое состояние металла.
Проблема состоит в том, как далеко кривая плавления может заходить в область отрицательных давлений. Известно, что при Т ^ 0 правая часть уравнения (1) стремится к нулю, как Т3. В то же время величина ДУ не может стать равной нулю ни при каких температурах. Это означает, что область существования твердого состояния на плоскости (р, Т) будет ограничена кривой плавлении вогнутой формы, которая при Т ^ 0 должна иметь касательную, перпендикулярную оси р.
Наибольшая трудность при анализе уравнения (1) состоит в том, что, не располагая достаточно полными данными о структуре фононного спектра жидкой фазы, невозможно построить явный вид его правой части. Известно, что расчет величины Н1 представляет собой физически сложную и во многом еще не решенную самостоятельную задачу. Не касаясь этой стороны проблемы, покажем, как можно обойти указанную трудность, используя известные и достаточно надежные приближения теории тепловых колебаний конденсированных сред.
Дифференцируя уравнение (1) вдоль кривой плавления, получим
АУ
д 2 р АСр
др
— 2А (аУ)-!- + А (уУ)|
дТ
др
дТ
(2)
разность теплоемкостей
3дЄсь: АС р С Р,і С Р, Л
жидкой и твердой фаз при постоянном давлении А (аУ) = аіуі- аУ, А (уу) = Уіуі- УУ, а и Уі -коэффициент теплового расширения и сжимаемость і-той фазы (і = і, л) соответственно. В термодинамические величины, входящие в уравнение (2), вносят опре-
2
деленный вклад фононная и вакансионная подсистемы данного металла. В соответствии с этим эти величины можно представить в виде сумм вкладов каждой из подсистем.
Расчет влияния тепловых колебаний системы на термодинамические характеристики фаз можно провести по следующей схеме. Теплоемкость при постоянном давлении связана с теплоемкостью при постоянном объеме общим термодинамическим соотношением:
Ta
-p, i, f i, v, f
2 i, f
Y i, f
(3)
Здесь civf — удельная теплоемкость i-ой фазы при
V = const, Yif — упругая сжимаемость i-ой фазы. Отсюда следует, что для конденсированных фаз можно положить cpi f и civ f. Для химически чистого металла удельную теплоемкость при постоянном объеме удобно оценить по формуле Дебая:
cv, s, f = 9Nk Б
в,
(4)
Здесь N — число частиц в фазе, кБ — постоянная Больцмана. Эта формула хорошо согласуется с экспериментальными данными и в то же время достаточно проста для проведения расчетов не только для кристаллических, но и для аморфных твердых тел. Важная особенность формулы (4) состоит в том, что она получена в континуальном приближении и поэтому достаточно легко может быть распространена на любые конденсированные состояния материалов, включая твердые растворы, химические соединения, аморфные твердые и жидкие фазы.
Температуру Дебая (c)Д^ твердой фазы и расплава (c)Д1] при нормальном давлении р0 можно связать соотношением Грюнайзена (c)Д!^ = (c)Д!^ (1 -Уоеу), 1о —
постоянная Грюнайзена, ег — объемный эффект при плавлении.
Уравнение (2) является нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка. Его решения, полученные стандартными численными методами,
Рис. 1. Линии плавления металлических систем на основе железа. 1 — а — Fe- 2 — эвтектоид Fea+Fe3C- 3 — эвтектика
FeY+Fe3C- 4 — эвтектика Fea+FeS
приведены на рис. 1. Положение каждой из представленных линий плавления означает, что она делит плоскость фазовых состояний на две части. Выше линии плавления устойчива соответствующая ей твердая фаза, ниже линии устойчива жидкая фаза. В целом все линии плавления обладают сходной формой: они вогнуты и подходят к оси ординат горизонтально. Графики показывают, что эвтектики являются наименее устойчивыми, а чистые металлы наиболее устойчивыми к деформационному плавлению при растяжении.
ВЫВОДЫ
Известно, что при пластическом деформировании металлов вблизи концентраторов напряжений растягивающие гидростатические нагрузки могут достигать значений: p & lt- -(10 + 20) ГПа. Это означает, что при таких воздействиях большинство из рассмотренных металлических систем будут плавиться при температурах близких к комнатным температурам и ниже.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Vasilyev L.S. Aggregate transformation in plastically deformed metals and alloys.
It is shown that the crystal lattice of the metals and alloys become unstable to the local melting at the severe plastic deformation and the destruction. The areas of the melting metals based on the iron at the deformation are determined.
Key words: structural phase transformations- metals and alloys- plastic deformation and fracture- deformation melting.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой