Кинетика процесса теплового излучения и локализация пластической деформации и разрушения металлических материалов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Кинетика процесса теплового излучения и локализация пластической деформации и разрушения металлических материалов
А. М. Иванов, Е.С. Лукин
Институт физико-технических проблем Севера С О РАН, Якутск, 677 891, Россия
Представлено исследование изменения температурного режима образцов из металлов и сталей с помощью тепловизионной системы «ТКВр-ИФП» (Институт физики полупроводников СО РАН) при статическом осевом растяжении. Динамика развития процесса локализации пластической деформации наблюдается по термограммам в реальном времени. Распределение температуры по различным сечениям и трехмерное представление температурного поля поверхности образца в различные моменты времени дают возможность изучить характер развития и локализации пластического течения на протяжении всего процесса деформирования.
Thermal radiation kinetics and localization of plastic flow and fracture of metals
A.M. Ivanov and E.S. Lukin
Using the thermal imaging system «TKVr-IFP» the evolution of thermal regime in metals and steels was investigated for specimens subjected to uniaxial tension. Dynamics of plastic deformation localization is observed in real time using thermograms. Temperature distribution for different sections and the three-dimensional representation of thermal field of the specimen surface in different time instants make it possible to study peculiarities plastic flow localization and development in the course of deformation.
1. Введение
Знание кинетики деформирования и разрушения, установление стадийности их развития, локализации пластической деформации имеет важное значение для понимания природы формирования механических свойств металлических материалов. В последнее время ведутся интенсивные исследования неоднородности пластического течения и локализации деформации. Особый интерес представляет поведение поликристаллического материала в закритической стадии деформирования.
Исследование кинетики развития полей деформаций проводится с применением различных экспериментальных и расчетно-экспериментальных методов. Изучение закономерностей процессов деформирования и разрушения металлических материалов проводится с применением методов, в том числе связанных с анализом структурных изменений.
Как известно, характер макроскопической локализации пластической деформации разного вида определяется законом деформационного упрочнения [1]. Анализу эволюции картин локализации пластической деформации на всех стадиях кривой нагружения металлических
сплавов посвящены работы [2, 3 и др.]. Условия реализации и наблюдения различных вариантов автоволно-вых деформационных структур установлены в [4]. В работе [5] стадийность деформации рассмотрена с позиции мезомеханики процессов пластической деформации. Взаимосвязь прерывистой текучести, макролокализации деформации и скоростной чувствительности сопротивления деформированию рассмотрена в [6, 7]. В [7] рассмотрена смена механизма деформации на ме-зоуровне при образовании зубцов прерывистой текучести. Анализу устойчивости однородного состояния относительно малых неоднородных возмущений и выявлению факторов, способствующих локализации деформации, посвящена работа [8]. В [9] с помощью оптико-телевизионной системы TOMSC выявлены закономерности эволюции локализации пластической деформации в композитах и легированной стали с искусственным концентратором напряжений при растяжении.
С появлением современных тепловизионных средств стало возможным изучение закономерностей деформирования материалов и элементов конструкций
© Иванов А. М., Лукин Е. С., 2004
по тепловому излучению. Исследования кинетики деформаций и разрушения материалов на основе совместного анализа термограмм, изменения температуры и диаграммы деформирования проведены в [10−13]. Результаты исследования особенностей макролокализации деформации при прерывистой текучести, полученные с помощью тепловизионной съемки и анализа термограмм, представлены в [14].
2. Методы исследования
Для исследования кинетики процесса теплового излучения и макролокализации пластической деформации используется метод теплового излучения, основанный на регистрации и анализе изменения температурного поля исследуемого образца при его деформировании и разрушении. Методика основана на повышении температуры в локальных областях, в которых протекает интенсивная пластическая деформация. Механические испытания на одноосное растяжение плоских образцов из стали марки 18Г2С проведены на универсальной испытательной машине «Инстрон-1195». Выбранная скорость нагружения обеспечивает выполнение условия адиабатичности процесса деформирования. Для записи термограмм и измерения температуры использовались тепловизионные системы «Thermovision 550» («Age-ma») и «ТКВр-ИФП» (Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск).
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
Образцы из стали 18Г2С, изготовленные в форме лопатки, имели размеры рабочей части 65×15×2.4 мм. На рис. 1 в качестве примера представлены типичные картины инфракрасного излучения, характеризующие кинетику развития теплового поля по гладкому образцу из стали 18Г2С, соответствующие началу текучести материала. Более светлые области на термограммах свидетельствуют о появлении и развитии пластических деформаций. Динамика развития теплового поля отражает процессы пластической деформации и их локализации.
Появление зоны инфракрасного свечения и распространение фронта теплового поля вдоль образца соответствуют площадке текучести, где наблюдается продвижение полос Чернова-Людерса (рис. 1). К окончанию площадки текучести тепловой фронт достигает противоположного конца образца. По скорости распространения фронта теплового поля можно судить о динамике движения очага деформации в процессе пластического деформирования. Началу образования «шейки» в образце соответствует появление локальной зоны интенсивного инфракрасного свечения. При разрыве образца наблюдается яркая вспышка инфракрасного излучения.
На рис. 2 показана термограмма и распределение температуры вдоль трех сечений плоского образца, на котором видно, что деформация протекает более интенсивно в полосе скольжения.
На рис. 3 показана последовательность распределения температуры вдоль центральной линии плоского образца из стали 18Г2С при продвижении полос Чернова-Людерса. Скорость движения теплового фронта в среднем составила 3. 58* 10−3 м-с-1.
После потери устойчивости пластических деформаций происходит повышение температуры в области шейки вплоть до момента разрушения образца. Локализация деформаций в месте образования шейки в образце сопровождается повышением температуры в данном очаге разогрева и сужением кривой изменения температуры. Максимальное приращение температуры в шейке образца перед разрушением составило порядка 8. 48 К (без учета температурного всплеска при разрыве образца).
Анализ зависимости изменения максимальной температуры от деформации показывает существование нескольких участков, характеризующихся различной скоростью разогрева материала. Это дает основание использовать зависимость «ДГ-е» для изучения стадийности упругопластического деформирования в материале. Наличие характерных участков на графике изменения максимальной температуры связано с эволюцией
1.8%
2.1%
2.5%
2.8%
3.2%
3.5%
4.2%
5.0%
Рис. 1. Термограммы гладкого образца из стали 18Г2С при 8 = 1. 8−5.0 (Людерса
, соответствующие началу текучести и развитию полос Чернова-
25. 5
О
25. 0
24. 5
24. 0
Щ
Y
3 $ '-%r
г n * v
№ м 1/ и 2_ X PJfV
vV '- Wif Vl
1 1 9 3 7 IS 5 Iy 5 7 3 91
Рис. 2. Термограмма и распределение температуры по сечениям I-Г, II-II'- и Ш-Ш'- плоского образца из стали 18Г2С: а — термограмма (кадр № 479), б — температурные кривые: сечение I-I'- (х = -4.5 мм) (1) — сечение II-II'- (х = 0 мм) (2) — сечение Ш-Ш'- (х = 4.5 мм) (3)
дислокационной структуры и поврежденности, а также со стадийностью развития упругопластических деформаций.
На рис. 4 представлены термограммы плоского образца из стали 18Г2С на стадии предразрушения. На термограммах отчетливо видны две плоскости локали-
Рис. 3. Динамика продвижения теплового фронта по рабочему участку плоского образца из стали 18Г2С при образовании полос деформации (10 пикселов соответствуют 17 мм- номер линии — номеру кадра при тепловизионной съемке)
зованного сдвига (А-А и Б-Б), на пересечении которых образуется трещина (область В).
Распределение температуры по различным сечениям и трехмерное представление температурного поля поверхности образца в различные моменты времени дают возможность изучить характер развития и локализации пластического течения на протяжении всего процесса деформирования. Различие в характере деформирования и разрушения различных материалов отражается и на термограммах, и на графике изменения температуры.
4. Выводы
Таким образом, экспериментальные методики исследования с применением тепловизора, основанные на регистрации, анализе термограмм и изменения температуры разогрева деформируемого образца, могут успешно применяться для исследования эволюции процесса теплового излучения, соответственно кинетики деформирования. Методика позволяет непосредственно наблюдать область появления локальной текучести и последующее ее развитие по исследуемой поверхности. Локализация деформаций в месте образования шейки в образце сопровождается повышением температуры в данном очаге разогрева, что позволяет исследовать деформации и на стадии предразрушения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 03−01−96 065 р2003Арктика_а) и по Программе № 3. 11 фундаментальных научных исследований секции механики Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН (проект № 4).
Литература
1. Зуев Л. Б., Данилов В. И., Семухин Б. С. Пространственно-временное упорядочение при пластической деформации твердых тел // Успехи физики металлов. — 2002. — Т. 3. — № 3. — С. 237−304.
2. Данилов В. И., Шляхова Г. В., Зуев Л. Б., Кунавина М. А., Рузано-ва Ю. В. Макролокализация пластического течения при активном нагружении ОЦК-сплава // Всероссийская школа-семинар по современным проблемам МДТТ: Сб. докл., Новосибирск, 13−17 октября 2003 г. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. — С. 77−81.
3. Зуев Л. Б., Баранникова С. А., Зариковская Н. В., Зыков И. Ю. Феноменология волновых процессов локализованного пластического течения // Физика твердого тела. — 2001. — Т. 43. — Вып. 8. -С. 1423−1427.
4. Зуев Л. Б., Баранникова С. А., Данилов В. И., Чумляков Ю. И., Киреева И. В. Автоволны деформации в монокристаллах легированного у^е с азотом // Журнал технической физики. — 1999. — Т. 69. -Вып. 10. — С. 56−62.
5. Панин В. Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. — Т. 1. — № 1. — С. 5−22.
6. Криштал М. М. Скоростная чувствительность сопротивления деформированию и макролокализация деформации при прерывистой текучести Al-Mg-сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1997. — № 9. — С. 26−30.
7. Криштал М. М. Мезоскопические особенности пластической деформации при прерывистой текучести // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2002. — № 9. — С. 31−35.
8. Бадаева В. Ф., Каминский П. П., Хон Ю. А. К теории локализации макроскопической пластической деформации // Физ. мезомех. -2001. — Т. 4. — № 1. — С. 43−48.
9. Дерюгин Е. Е., Лепов В. В., Панин В. Е., Шмаудер 3. Исследование
механизмов локализации деформации и разрушения структурнонеоднородных материалах методом оптико-телевизионной микроскопии // Наука — производству. — 2003. — Т. 64. — № 8. — С. 7−16.
10. Иванов A.M., Лукин Е. С. Методика исследования кинетики деформирования и разрушения по инфракрасному излучению // Актуальные проблемы прочности: Сб. научн. тр. Витебск, Часть II. -2000. — С. 586−589.
11. Иванов A.M., Лукин Е. С., Ларионов В. П. К исследованию деформирования и разрушения твердых тел // Доклады РАН. — 2002. -Т. 384. — № 4. — С. 469−472.
12. Иванов A.M., Лукин Е. С. Исследование стадийности развития пластической деформации сталей методом теплового излучения // Материаловедение. — 2003. — № 6. — С. 27−31.
13. Лукин Е. С., Иванов A.M. Методика и исследование кинетики деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций с концентраторами напряжений по тепловому излучению // Наука и технология. Серия «Итоги диссертационных исследований»: Сб. трудов XXIII Российской школы по проблемам науки и технологий, Миасс, 24−26 июня 2003 г. — М.: РАН, 2003. — С. 193−203.
14. Криштал M.M. Эволюция температурного поля и макролокализация деформации при прерывистой текучести // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2003. — № 4. — С. 27−32.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой