Дана випускна робота бакалавра присвячена вивченню релаксації напруг і впливу термомеханічної обробки на релаксаційну стійкість металів і сплавів. Випускна робота складається з пояснювальної записки, виконаної на 87 аркушах формату А4, в тому числі 21 ілюстрацій, 16 джерел літератури і графічної частини, виконаної на 4 аркушах формату А1.
1 Фізична природа і механізми релаксації напруг в металах і сплавах
1.1 Явище релаксації напружень
1.2 Особливості релаксації напружень та повзучості
1.3 Релаксація напруг і температура
1.4 Основи релаксационной стійкості металевих матеріалів
1.5 Зв'язок релаксації напружень та повзучості
2 Методи вивчення релаксації напружень
2.1 Релаксація при розтягуванні і стисненні
2.2 Релаксація при вигині і крученні
2.3 Релаксація в гвинтових пружинах
3 Вплив різних факторів на процес релаксації напруг і її критерії
3.1 Вплив початкової напруги на протікання процесу релаксації
3.2 Вплив часу на протікання процесу релаксації напружень
3.3 Вплив температури на процес релаксації напружень
3.4 Масштабний фактор
3.5 Основні критерії релаксації напружень
4 Вплив термомеханічної обробки на релаксаційну стійкість сталей і сплавів
4.1 Позитивний вплив ТМО на релаксаційну стійкість
4.2 Структурні перетворення в процесі релаксації напружень
Список використаних джерел
Серед конструкційних і жароміцних матеріалів, що застосовуються в багатьох галузях промисловості, важливе місце займають стали і сплави (рідше чисті метали), що працюють в умовах релаксації напружень при різних температурах.
Для отримання матеріалів з високою релаксационной стійкістю необхідно знати механізм і основні закономірності процесу релаксації напружень, а також фактори, що впливають на нього.
Проведені за останні роки теоретичні та експериментальні дослідження в області релаксації напружень в металевих матеріалах значно розширили наші знання про цей процес.
Великий внесок у вивчення явища релаксації напружень внесли російські вчені Н.С. Курнаков, М.М. Давідеіков, Я.І. Френкель, С.І. Губкін, С.Т. Копобеевскій, І.А. Одінга, Б.М. Ровинський, Ю.Н. Работнов, Л.М. Качанов, Б.П. Фінкельштейн та ін.
Під терміном релаксація напружень зазвичай розуміють мимовільне зниження механічної напруги в металі (при постійних лінійних розмірах). Такі напруги або спеціально створюють при складанні вузлів машин і установок для забезпечення нормальної роботи останніх (наприклад, кріпильні з'єднання, пружні елементи), або вони неминуче виникають в процесі виготовлення деталей (технологічні напруги).
Зокрема, релаксація напруги може спостерігатися при вилежуванні деталі після термічної обробки, при низькотемпературному відпустці, при змінному навантаженні в умовах заданої амплітуди деформації і т. Д. Дослідження, проведені в останні роки, показали, що релаксація напружень може відбуватися в різних металах і сплавах при нормальній, високих, а в ряді випадків і при негативних температурах. Встановлено можливість руйнування деталей, що працюють в умовах релаксації напружень.
Можна вважати встановленим, що релаксація напружень (подібно повзучості) є результатом як сдвіговодіслокаціонних, так і дифузійних процесів. Процеси першого типу пов'язані з кооперативним пе-редвіженіем групи атомів (наприклад, по площинах зрушень і т. Д.). Процеси другого типу - з індивідуальним переміщенням окремих атомів як біля кордонів зерен основної структури, так і по всьому об'єму полі-кристала. Переважна роль того чи іншого явища, контролюючого процес релаксації, залежить від робочої температури і від рівня діючих напружень.
Доцільно розрізняти макрорелаксацію напруг (в матеріалі, деталях), реалізовану шляхом макро-повзучості в умовах, що утрудняють зміна лінійних розмірів деталі, і мікрорелаксацію напружень, викликану процесами мікроползучесті як між елементами мікроструктури (релаксація 2-го роду), так і всередині їх (релаксація 3-го роду). Макрорелаксація напружень в деталі може бути обумовлена процесами мікрорелаксаціі в елементах структури.
Опір матеріалу релаксації напружень можна підвищити за допомогою: термічної обробки, що забезпечує оптимальну для релаксаційної стійкості структуру; стабілізації, що збільшує опір релаксації (і повзучості) на першій стадії процесу; термомеханічної обробки; повторних навантаженнях.
Можна вважати, що отримання необхідної інформації про характеристики релаксационной стійкості різних конструкційних матеріалів в найближчі роки буде йти двома шляхами.
По-перше, безпосереднім випробуванням таких матеріалів на релаксацію напружень за існуючими методиками (включаючи найбільш поширений в на-ших лабораторіях метод випробування кілець рівного опору вигину) при тривалості, що відповідають за-даними термінами служби або наближаються до них.
По-друге, застосуванням розрахункових методів оцінки опору релаксації (характеризується ползучестью при змінній напрузі) за даними випробувань на повзучість (при постійній напрузі). Наприклад, характеристики релаксації для умов одноразового навантаження можна з достатньою точністю розраховувати по теоріям зміцнення або течії. Поширення електронних обчислювальних машин дозволить широко використовувати для визначення характеристик релаксації первинні криві повзучості матеріалів. Обидва ці напрямки є правомірними і аж ніяк не виключають один одного.
Так, якщо сплав розробляється або досліджується для деталей, що працюють в умовах жорсткого навантаження (можливої релаксації напружень), то доцільно проводити випробування не на повзучість, а на релаксацію, оскільки останнім значно менш трудомістким, особливо якщо відчувати кільця рівного опору вигину (по І. А. Одінгу) або гвинтові пружини (по А.А. Чижика). В останньому випадку результати випро-ний па релаксацію використовують навіть для розрахункового визначення характеристик повзучості. Крім того, оскільки запропоновані розрахункові методи визначення опору повторної релаксації не знайшли ще досить широкого застосування, проведення відповідних випробувань для оцінки цієї характеристики є обов'язковою умовою.
1 Фізична природа і механізми релаксації напруг в металах і сплавах
Кристалічне тіло, перекладене впливом зовнішніх сил в нерівноважний стан, завжди прагне повернутися назад в рівноважний стан. Процес переходу кристалічного тіла з нерівноважного стану в рівноважний називають релаксаційним.
В ідеальному (бездефектної) монокристаллическом тілі всі процеси, викликані впливом зовнішніх сил, оборотні. Але без звільнення тіла від дії зовнішніх сил прагнення до повернення в рівноважний стан в ідеальних кристалах може реалізуватися тільки в умовах, при яких атоми під впливом флуктуації теплової енергії долають енергетичний бар'єр, або в тому випадку, якщо монокристал дробиться на субзерна. У реальних кристалах релаксаційні процеси обумовлюються наявністю дефектів кристалічної решітки.
При пружному деформуванні кристалічних тіл з будь-якої кінцевої швидкістю рівень вільної енергії підвищується і вони переходять в термодинамічно нерівноважні стани. Тільки в ідеально пружному тілі при нескінченно повільному (квазістатичному) деформації в умовах низьких напруг не відбуватиметься розсіювання пружної енергії і пружне деформування буде повністю оборотним процесом, для якого справедливий наближений закон Гука:.
Для реальних кристалічних тіл, навантажених в пружною області, ця залежність, строго кажучи, є неприйнятною, так як завдяки наявності дефектів в них майже завжди спостерігається перехід з термодинамічно нерівноважного в більш рівноважний стан. Такі відхилення від пружного поведінки зазвичай називають загальним терміном «пружні недосконалості» або «явища непружності». Процеси непружності, що розвиваються у часі в напрямку до рівноважного стану, є релаксаційним.
Релаксаційні процеси розвиваються по-різному в залежності від властивостей тіла, виду деформації і умов, в яких вони протікають, і проявляються у вигляді пружного післядії, внутрішнього тертя, релаксації напружень.
1.1 Явище релаксації напружень
Ще в першій половині минулого століття були відзначені факти самовільного зменшення внутрішньої напруги. На думку Пуассона, в рідинах протягом деякого часу безперервно вирівнюються або послаблюються напруги від зовнішнього тиску. Поширивши цю думку на тверді тіла, К.Максвелл зробив припущення, що спадання (або релаксація) напруг у функції часу пропорційно величині напруги. Він розглядав тверде тіло як пружно-в'язку систему, яка поєднуватиме в собі ідеально пружне тіло Гука і ідеально в'язке тіло Ньютона. Отже, по Максвеллові зміна (релаксація) напруги в часі має діяти за законом:
де константа, що характеризує швидкість релаксації;
Е-модуль пружності;