» » Влияние периода термического цикла
05.01.2015

Процессы релаксации температурных напряжений, вызывающих формоизменение, требуют наличия конечного промежутка времени. Поэтому представляется очевидным, что период цикла должен оказывать заметное влияние на величину коэффициента роста. В простейшем случае, когда при любом варьировании периода структура материала не изменяется и работает лишь, один механизм роста, это влияние тривиально: эффект постепенно увеличивается при переходе к большим временам пребывания образца в зоне с постоянной температурой, пока не будет достигнута максимальная для данных условий опыта деформация за цикл.
Для иллюстрации сказанного на фиг. 27 показана зависимость коэффициента роста от времени выдержки для кадмия при двух верхних температурах — 135° С (кривая 1) и 165° С (кривая 2). Как видно, формоизменение действительно подчиняется указанной закономерности. Коэффициент роста, близкий к нулю при малых временах выдержки, увеличивается сначала быстро, а затем более медленно до некоторого максимального значения. При температуре в 165° С он достигает «насыщения» примерно за 21 мин. и дальше уже не изменяется, оставаясь равным примерно 2,3*10в-5 1/цикл. При температуре же в 135° С, когда релаксация затруднена, даже 21 мин. недостаточно, чтобы напряжения снялись полностью, и эффект продолжает возрастать.
Влияние периода термического цикла

Кадмий и олово наиболее удобны для экспериментов, ставящих своей целью проверку теории. Дело в том, что, как следует, в них возникают не очень большие микроструктурные напряжения термической анизотропии. Они не в состоянии заметно прорелаксировать в процессе нагрева или охлаждения (время переноса образцов из горячей зоны в холодную и обратно составляло всего 2 сек.). Кроме того, эффект формоизменения становится существенным уже при интервале температур всего лишь около 100°C. В силу сказанного, есть основания полагать, что линейное приближение, положенное в основу равенства (I.27), по-видимому, реализуется как в кадмии, так и в олове.
В соответствии с уравнением (I.27) зависимость коэффициента роста γ от времени пребывания t1 образца в высокотемпературной зоне может быть представлена в виде
Влияние периода термического цикла

Учитывая, что обычно ξ (T0) t0≥1. т.е. а≤1, (II. 24) целесообразно переписать в наиболее простой форме
Влияние периода термического цикла

Влияние периода термического цикла

Следовательно, в координатах β-α все экспериментальные точки должны ложиться на одну кривую, независимо от интервала температур цикла, состояния материала, его природы и т. п. Требуется лишь обеспечить справедливость линейного приближения и выбрать достаточно большие времена пребывания образца в зоне с минимальной температурой цикла (чтобы можно было утверждать, что α≤1).
Насколько это хорошо соответствует опыту, видно из фиг. 29. Сплошная кривая построена по уравнению (II. 26), а экспериментальные точки относятся к кадмию и олову. Совпадение получается вполне удовлетворительное.
Влияние периода термического цикла

При очень больших действующих напряжениях, как это, например, имеет место у цинка и особенно у урана, значительная релаксация протекает еще во время нагрева или охлаждения. Ее не удается полностью исключить даже при скоростях изменения температуры порядка сотни градусов в секунду. Вследствие этого коэффициент роста остается конечным при любом малом времени пребывания образца в зоне с постоянной температурой, а в области повышенных интервалов и абсолютных температур цикла он практически совсем или почти совсем не зависит от периода цикла. Кроме того, наличие высоких температурных напряжений ликвидирует благоприятные исходные предпосылки, положенные в основу линейного приближения, поэтому теряет смысл сопоставление опытных данных с уравнением (I.27) и приходится обращаться к громоздкому и очень неудобному в практическом применении соотношению (I. 33). Правда, следует оговориться, что линейное приближение может и сохранить свою силу, если рассматривать только «хвост» кривых «коэффициент роста — время выдержки», так как на последней стадии релаксации сохраняются лишь весьма малые напряжения.
Влияние периода термического цикла

По данным фиг. 30 легко видеть, что в цинке напряжения частично релаксируют в процессе нагрева, начиная с интервала температур около 160° С. Если же ΔT = 250° С, то коэффициент роста не падает ниже 4*10в-5 1/цикл, независимо от времени выдержки, даже если последняя стремится к нулю. В кадмии подобное состояние возникает при термоциклировании от комнатной до температур свыше 200°С. Сопоставляя кривые на фиг. 29 и 30, можно прийти к выводу, что линейное приближение в цинке выполняется плохо.
В уране, у которого напряжения анизотропии особенно велики, основная доля релаксации реализуется именно во время нагрева или охлаждения, а не в течение выдержки. Это очень хорошо было показано в работах Чизуика к Келмана и Майфилда. Данные их опытов графически изображены на фиг. 31. Из графика следует, что при верхней температуре цикла, равной 450° С, около 52% формоизменения, по сравнению с максимальным для данных условий опыта, имеет место при отсутствии выдержки вообще: достаточно лишь нагреть образцы и немедленно после этого охладить. При температуре 600° С таким путем реализуется уже около 77% роста от максимально возможного. Естественно, что время, необходимое для достижения наибольшей постоянной скорости формоизменения, снижается при переходе к более высоким температурам цикла (из-за увеличения подвижности атомов).
По существу, кривые на фиг. 31 относятся к участку релаксации, на котором действуют только небольшие оставшиеся напряжения.
Влияние периода термического цикла

Поэтому можно надеяться, что здесь справедливо линейное приближение, положенное в основу вывода равенства (I.37). Если дело обстоит так, то для сопоставления эксперимента с теорией следует воспользоваться формулой (II. '25). Считая формально общее время t1, в течение которого релаксировали напряжения, равным сумме t*эфф+t где t — время выдержки в горячем резервуаре, а t*эфф — эффективное время, характеризующее релаксацию в процессе изменения температуры, нетрудно переписать (II. 25):
Влияние периода термического цикла

Из (II. 27) непосредственно следует, что в логарифмических координатах относительное увеличение коэффициента роста должно быть пропорционально времени выдержки
Влияние периода термического цикла

Такой вывод подтверждается экспериментально. На фиг. 32, построенной по данным фиг. 31, видны неплохие пропорциональные зависимости. К сожалению, наклон этих прямых по какой-то неясной причине не является монотонной функцией температуры. Если при ее повышении с 400 до 550° С коэффициент 1/ξ (Т1) уменьшается с 1280 до 315 сек., то при 600° С постоянная времени релаксации 1/ξ (T1) неожиданно увеличивается до 440 сек. вместо того, чтобы стать еще меньше. Между тем, теоретически должна реализоваться почти экспоненциальная зависимость, поскольку в соответствии с (I. 28), когда A1=A2 и γ1=γ2, из (II. 28) следует равенство
Влияние периода термического цикла

которое при ΔQ≤Q0 мало отличается от экспоненты, означает среднюю энергию активации.
В настоящем параграфе были сделаны оговорки относительно справедливости линейного приближения. Может возникнуть естественный вопрос: почему об этом не упоминалось в предыдущем разделе при анализе влияния интервала и области температур термоциклирования. Дело в том, что, как показано ранее, основное соотношение (I. 34) или (II. 9) справедливо как в линейном приближении, так и в нелинейном, а поскольку ранее речь шла только о больших периодах цикла, когда выполнено условие L (Т0, T1, t0, t1)=1, то уравнение (II. 9) можно было применять без каких-либо ограничений в отношении величины действующих напряжений. He исключено, что в уране, у которого микроструктурные напряжения анизотропии чрезвычайно велики, основная доля напряжений релаксирует почти мгновенно, так что, казалось бы, в качестве рабочей формулы имеет смысл использовать не (II. 9), а более простое соотношение (I. 35). Однако, это только кажущаяся выгода, так как в (I. 35) остаются нераскрытыми температурные зависимости пределов текучести σ1(m) и σ2(m).
Влияние периода термического цикла

Удовлетворительного совпадения теории с опытом следует ожидать только для структурно-стабильных состояний материала. Однако это условие не всегда обеспечивается. В иных случаях переход к большим периодам цикла приводит к интенсивной рекристаллизации, изменению степени преимущественной ориентировки кристаллитов и т. п., вследствие чего общие закономерности не удается предугадать даже качественно. Так, при термоциклировании чистого мелкозернистого кадмия до температур свыше 180—200° С коэффициент роста заметно уменьшается, вместо того чтобы возрастать, когда время выдержки увеличивается с нескольких секунд до нескольких минут. Параллельно укрупняется на один-два порядка его зерно.
Разумеется, такие изменения носят необратимый характер, поэтому при обратном ходе, от больших периодов к малым, все особенности, связанные с нестабильностью структуры, ликвидируются, коэффициент же роста уже не восстанавливается.
Влияние времени выдержки в горячей или холодной зоне выглядит исключительно сложным и запутанным, когда одновременно действуют два или более механизма формоизменения, особен но, если они дают разный знак коэффициента роста. В чистых металлах такая ситуация, правда маловероятна (потому что максимумы на кривой плотности распределения дисперсии ΔAQ расположены не очень густо); однако в двухфазных сплавах она почти всегда имеет место.
Влияние периода термического цикла

На фиг. 33 показана зависимость коэффициента роста от периода цикла для сплава кадмий — цинк. Данные относятся к образцам, прокатанным с обжатием в 50% и подвергнутым циклическому термическому воздействию от 10 до 110°С. Как видно, если для чистых кадмия и цинка или сплавов близкого к ним состава переход от периода в 4 мин. к периоду в 22 мин. вызвал увеличение коэффициента роста, то в сплавах с 15 % Zn и 47 % Zn последний вовсе не изменился, а при 50% Zn даже уменьшился. Впрочем иногда и двухфазные сплавы во всей области концентраций реагируют на варьирование периода цикла в ту же сторону, что и чистые металлы. Примером может служить система кадмий — олово. Соответствующие опытные данные представлены на фиг. 34. Хотя сплав, содержащий более 10% Sn, в противоположность чистому кадмию имеет отрицательный коэффициент роста, он в то же время при τ = 22 мин. «растет» сильнее, чем при τ = 4 мин., и такая закономерность нигде не нарушается.
Влияние периода термического цикла