Влияние скорости деформирования

ГОСТом 1497–84 предусмотрена классификация механических процессов в зависимости от скорости их протекания:

Рис. 1.18. Классификация процесса деформирования в зависимости от скорости

У величение скорости деформирования приводит к росту прочностных характеристик, уменьшению пластичности и, как следствие, к трансформации диаграммы деформирования (рис. 1.19), так на кривой деформирования малоуглеродистой стали исчезает площадка текучести, заметно увеличение модуля упругости. На рис. 1.20 показаны графики изменения характеристик прочности и пластичности трех разнородных материалов – мало- и высокоуглеродистых сталей двух марок и деформируемого термически упрочняемого алюминиевого сплава в отожженном состоянии, подтверждающие общую закономерность.

Рис. 1.19. Изменение диаграммы деформирования малоуглеродистой стали при повышении скорости деформации

Рис. 1.20. Повышение характеристик прочности малоуглеродистой стали Ст.3, дюралюминия Д16М (а) и высокоуглеродистой инструментальной стали У9А, а также снижение показателя пластичности последней (в условиях ударного растяжения – б) в зависимости от скорости деформирования

Оценка способности материала к рассеиванию (диссипации) энергии

Повышение скорости нагружения, сопровождающееся снижением пластичности, негативным образом влияет на способность материала рассеивать энергию. Сопротивление динамическим (ударным) нагрузкам зависит от способности материала «поглощать» энергию за счет работы напряжения на неупругой (необратимой) составляющей деформации. Количественной оценкой подобной «энергоемкости» может служить отношение

– своеобразный показатель энергопоглащаемости. Если кривая деформирования аппроксимирована степенной зависимостью (1.7), то выражение представляет работу напряжения при пластическом деформировании элемента объема до величины, отвечающей временному сопротивлению  _B (определяет соответствующую диссипацию энергии);

– работу напряжения на соответствующей упругой составляющей деформации (рис. 1.21).

Очевидно, что чем больше величина , тем выше «энергоемкость» и демпфирующая способность материала и, значит, тем лучше он противостоит динамическим воздействиям. В случае принятой аппроксимации кривой деформирования величина показателя  может быть подсчитана по формуле

Рис. 1.21. Соотношение работ, совершенных напряжениями на упругой и неупругой составляющих деформации

Рис. 1.22. Изменение диаграммы деформирования аустенитной стали, подвергшейся интенсивному радиационному облучению

Влияние радиационного облучения и контакта с жидкометаллической средой

При проектировании современных машин и аппаратов приходится учитывать влияние таких факторов, с которыми в традиционной конструкторской деятельности прежде сталкиваться не приходилось. Это касается, в первую очередь, элементов энергетических ядерных реакторов и исследовательских установок, работающих в подобных условиях.

Было замечено, что радиационное облучение коренным образом изменяет деформационные и прочностные свойства конструкционных материалов, о чем можно судить по изменению кривой деформирования одной из марок аустенитной стали, показанное на рис. 1.22. Очевидно упрочняющее (в смысле повышения предела текучести и временного сопротивления) и охрупчивающее воздействие этого фактора. Обращает на себя внимание сближение упомянутых характеристик прочности, в результате чего возрастает опасность хрупкого разрушения. Аналогичный эффект наблюдается также при понижении температуры и повышении скорости нагружения, о чем говорилось ранее.

Накопленную во время облучения дозу характеризуют величиной интегрального потока или флюенсом, измеряемым количеством нейтронов, прошедших через 1 квадратный сантиметр поверхности. Насколько изменяются характеристики прочности и пластичности хромоникелевой и углеродистой сталей с увеличением дозы облучения можно судить по данным табл. 1.3.

Таблица 1.3 - Изменение характеристик прочности и пластичности хромоникелевой и углеродистой сталей с увеличением дозы облучения

Материал	Флюенс,	В, МПа	0,2, МПа	, %
1Х18Н9Т	–– 1,41018 1,01020	650 740 100	240 440 92	66 55 43
Углеродистая сталь	–– 1,41018 3,01020	750 810 1130	460 700 1100	22 15 4

Обратите внимание поначалу на рост характеристик прочности стали 1Х18Н9Т, а затем, при увеличении интегрального потока на два порядка, катастрофическое разупрочнение, хотя и в этих условиях ее пластичность остается вполне приемлемой. Изменение механических свойств углеродистой стали при этом монотонно с практически полной утратой пластичности.

Охрупчивание конструкционных материалов отчетливо проявляется также в результате их контакта с жидкометаллической средой. Такого рода воздействие определяется эффектом П.А. Ребиндера (1928 г.), связанного с адсорбционным понижением прочности: атомы расплава проникают в поверхностные дефекты, играющие роль зародышей трещин; смачивание жидким металлом, в свою очередь, снижает энергию поверхностного натяжения и, в итоге, прочность детали.

Особенно активныв этом отношении легкоплавкие металлы и их эвтектические сплавы, которые применяются в качестве теплоносителя первого контура энергетических реакторов. На рис. 1.23а показано изменение предела прочности в связи с твердостью образцов из низколегированной углеродистой стали 40ХНМА на воздухе и в расплаве лития; как видно, при твердости выше28 HRC (примерно 270 единиц по шкале Бринелля) эти зависимости становятся качественно различными, причем в расплаве лития разупрочнение стали приобретает катастрофический характер.

Рис. 1.23. Изменение предела прочности низколегированной углеродистой стали в зависимости от твердости на воздухе и в расплаве лития (а), а также изменение диаграммы деформирования жаропрочного никелевого сплава в расплавах легкоплавких металлов: олова, свинца, висмута (б)

Рис. 1.23б демонстрирует кардинальное изменение диаграммы деформирования жаропрочного никелевого сплава ХН77ТЮ (диски, кольца, лопатки и другие детали, работающие до температуры 750 °С), и в обычных условиях обладающего невысокой пластичностью, в расплавах легкоплавких металлов и их эвтектиках (для наглядности начало этих кривых смещено по оси деформации). Налицо существенное снижение как прочности, так и пластичности сплава; можно сказать, что подобные диаграммы свойственны скорее таким типично хрупким материалам, как чугуны.

Что касается методов борьбы с этим явлением, то их подсказывает сам механизм реализации эффекта Ребиндера: нанесение защитных покрытий из малочувствительных к его проявлению композиций – на основе меди, никеля, серебра, в условиях повышенных температур – никеля, молибдена.