Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Температурная зависимость временного сопротивления металлических материалов в условиях одноосного растяжения

Температурная зависимость временного сопротивления металлических материалов в условиях одноосного растяжения

Приведены результаты разработки температурной зависимости предела прочности металлических материалов. На основе аналитического моделирования взаимосвязи параметров механических и теплофизических свойств металлических материалов получено уравнение, обладающее рядом преимуществ перед известными аналогичными зависимостями.

Температурная зависимость сопротивления металлических материалов пластической деформации σs= ƒ(T) является наиболее сложной частной зависимостью термомеханического определяющего уравнения σs = ƒ(ε, ε, T), поэтому представляет существенный интерес для прикладных дисциплин, задачи которых состоят в моделировании и оптимизации технологических процессов, так или иначе связанных с процессом пластической деформации металлических материалов. Например, наиболее важные, с точки зрения теории резания, параметры, такие как составляющие силы резания, температуры, износ режущего инструмента и другие, могут быть рассчитаны только после однозначного определения сопротивления обрабатываемого материала деформированию в зоне стружкообразования. При этом отмечается [1], что учет влияния температуры на величину сопротивления особенно важен при рассмотрении взаимосвязи различных факторов в процессе резания.

Определенное внимание разработке температурной зависимости σs= ƒ{T) уделяется и со стороны исследователей, занятых в области физики прочности и пластичности [2, 3]. Причем под разработкой температурной зависимости понимается не столько получение эмпирических аппроксимационных уравнений, сколько выявление качественного подобия кривых температурных зависимостей σs= ƒ{T) металлических материалов различной природы с целью их обобщения.

Обобщение температурных зависимостей σs= ƒ{T) чистых металлов производится исследователями, занятыми в области физики прочности и пластичности [3], в безразмерных координатах с учетом типа кристаллической структуры, например, в координатах σs / G-T/Tпл, где σs - сопротивление пластической деформации при температуре Т, Н/м2; G - модуль упругости второго рода при температуре T, Н/м2; Т/Тпл - гомологическая температура, К/К. При этом отмечается [3], что в аналогичных координатах температурные зависимости предела текучести и сопротивления разрыву некоторых чистых металлов качественно, а во многих случаях и количественно подобны.

Признаки качественного и количественного подобия наиболее просто обнаружить с помощью графических средств, рассматривая кривые температурных зависимостей σs= ƒ{T) в координатах, соответствующих тем или иным уравнениям. Наиболее известными аналитическими выражениями температурных зависимостей сопротивления металлических материалов пластической деформации являются уравнения профессоров М.А. Зайкова и А.Н. Резникова.

На основе принципов термодинамики необратимых процессов для температурного интервала существования высшей модификации металлического материала вблизи температуры плавления профессор М.А. Зайков предложил теоретический вывод известной экспоненциальной температурной зависимости сопротивления металлических материалов пластической деформации. Тем не менее, авторитетные исследователи указывают [2], что зависимость М.А. Зайкова справедлива для металлических материалов в достаточно узком диапазоне гомологических температур. Однако решение множества технологических задач и, в частности, технологических задач механической обработки основано на аналитическом поиске величины сопротивления пластической деформации в гораздо более широком диапазоне температур, нежели только в интервале вблизи температуры плавления.

Посредством введения дополнительного параметра (показателя степени) профессор А.Н. Резников расширил пределы применимости уравнения М.А. Зайкова [4]:

σвв0 = exp(m(T/Tпл)z), (1)

где σв - временное сопротивление в условиях одноосного растяжения при температуре Т, Н/м2; σв0 - временное сопротивление в условиях одноосного растяжения при 20 °С, Н/м2; Тпл - средняя температура плавления, °С; m- эмпирический параметр; z - показатель степени (z ≈ 3).

Так как параметр z в зависимостях, аналогичных уравнению (1), характеризует процессы динамического разупрочнения в пластически деформируемом объеме металлического материала и, прежде всего, учитывает температуру начала процесса динамической рекристаллизации, то для различных металлических материалов он не может иметь одинаковое значение. Авторами установлено, что параметр z для металлических материалов различной природы и внутренней структуры изменяется в 1,5...4,5. Таким образом, в уравнении А.Н. Резникова (1) фактически фигурируют два эмпирических параметра (m, z), определение которых требует проведения дополнительных экспериментальных пластометрических исследований металлического материала.

Отличительным признаком зависимостей, аналогичных уравнению (1), является учет природы и внутренней структуры металлического материала преимущественно с помощью отвлеченных эмпирических параметров. Кроме того, экспоненциальный закон сам по себе не дает объяснение процессам динамического разупрочнения, старения, изменения фазового состава и др., оказывающим существенное влияние на величину сопротивления пластической деформации, а выражает лишь общую тенденцию уменьшения сопротивления с ростом температуры, поэтому зависимости, аналогичные уравнению (1), фактически ориентированы на некоторый идеализированный материал с абстрактными физическими свойствами.

По мнению авторов, для физически обоснованного учета особенностей природы и внутренней структуры металлического материала целесообразно вводить в ту или иную температурную зависимость σs= ƒ(T) не отвлеченные эмпирические параметры, а параметры реальных физических свойств, которые характеризуют металлический материал с энергетической точки зрения, например, теплосодержание или связанную с ней удельную объемную теплоемкость. Установлено, что состояние внутренней структуры упругопластически-деформируемого объема металлического материала, при котором резко активизируются процессы динамического разупрочнения, старения, изменения фазового состава и др., одновременно предопределяется не только изменением механической энергии, затрачиваемой на упругопластическую деформацию, но и взаимосвязанным с ним изменением количества теплоты.

Посредством корреляционного анализа параметров механических и теплофизических свойств большой группы чистых металлов, сталей и сплавов различной природы и внутренней структуры (около 80 материалов) разработана следующая температурная зависимость временного сопротивления:

где σв - временное сопротивление при температуре Т, Н/м2; Е - модуль упругости при температуре Т, Н/м2; Сp - удельная теплоемкость при температуре Т, Дж/(кг*К); ρ - плотность при температуре Т, кг/м3; Тпл - средняя температура плавления, К; mв - параметр, аналитически определяемый из уравнения (2) для каждого отдельного металлического материала при 20 °С; с - параметр, пределяемый фазово-кристаллическим строением металлического материала при 20 °С (с ≈ 0,425 - жаропрочные никелевые сплавы с содержанием γ'-фазы более 30 %; с ≈ 0,450 - то же менее 25 %; с ≈ 0,500 - то же менее 15 %; с ≈ 0,550 - чистые ГЦК-металлы, алюминиевые, медные сплавы; с ≈ 0,650 -жаропрочные железоникелевые сплавы; с ≈ 0,725 -стали; с ≈ 0,800 - чистые ОЦК-металлы; с ≈ 0,950 - чистые ГПУ-металлы, титановые α- и псевдо α-сплавы).

Известно, что крутизна кривой температурной зависимости σs= ƒ(T) чистого металла определяется кристаллической структурой и взаимосвязанной с ней величиной энергии дефекта упаковки [2], поэтому параметр с, обусловливающий крутизну температурной зависимости (2), должен подчиняться неравенству сгцк < соцк < сгпу, что и подтвердилось в результате исследований.

Рис. 1. Температурная зависимость временного сопротивления ГЦК-металлов (Ag, AI, Аu, Сu, Ni, Pd, Pt) в координатах σв/E - T/Tпл

Рис. 2. Температурная зависимость временного сопротивления ГЦК-металлов (Ag, A1, Аu, Сu, Ni, Pd, Pt) в координатах, соответствующих уравнению (1)

Рис. 3. Температурная зависимость временного сопротивления ГЦК-металлов (Ag, A1, Аu, Сu, Ni, Pd, Pt) в координатах, соответствующих уравнению (2)

На рис. 1-3 приведены примеры, подтверждающие преимущества разработанного уравнения (2). Так как в безразмерных координатах √(σвE)/(CpρT) - Т/Тпл, соответствующих разработанному уравнению (2), кривые температурных зависимостей временного сопротивления исследованных чистых ГЦК-металлов (Ag, A1, Аu, Сu, Ni, Pd, Pt) устойчиво демонстрируют гиперболический закон изменения, то совершенно очевидны признаки их качественного и количественного подобия (см. рис. 3).

Основное преимущество разработанной аналитической модели температурной зависимости временного сопротивления (2) в способности учесть особенности природы и внутренней структуры металлического материала не эмпирическими коэффициентами и показателями, определение которых требует проведения дополнительных экспериментальных пластометрических исследований, а с помощью параметров реальных физических свойств (Е, Сp, ρ и др.), информацию о которых можно почерпнуть в соответствующей справочной литературе. Разработанное уравнение (2) позволяет не только удачно аппроксимировать экспериментальные данные параметров механических и теплофизических свойств различных металлических материалов, но и максимально их обобщить, а также позволило решить важнейшую задачу теории процесса резания металлических материалов, а именно: задачу разработки термомеханического определяющего уравнения √(σвE)/(CpρT) - Т/Тпл, которое повысило достоверность аналитических выражений [5], определяющих основные параметры процесса резания.

Список литературы

  1. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание металлов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 448 с.
  2. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.
  3. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушени металлов. М: Металлургия, 1986. 224 с.
  4. Резников А.Н., Шатерин М.А., Кунин B.C. и др. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. М.: Машиностроение, 1986. 232 с.
  5. Силин С.С. Теория подобия в приложении к технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1979. 152 с.

С.С. СИЛИН, Д. В. МАСЛЯКОВ (РГАТА)

Справочник. Инженерный журнал, №9,2002 стр. 62-64

Статьи партнеров