» » Влияние интервала и области температур цикла
05.01.2015

Интервал температур цикла определяет при прочих равных условиях величину действующих напряжений и условия их релаксации, поэтому представляется вероятным, что он должен оказывать огромное влияние на коэффициент роста. Если нет каких-либо усложняющих причин и если свойства материала монотонно зависят от температуры, то есть основания ожидать, что формоизменение в целом будет тем значительнее, чем больше разность между верхней и нижней температурами цикла, по крайней мере, когда одна из них остается постоянной. Теория (I.46) предсказывает следующую приближенную зависимость коэффициента роста γ от интервала температур ΔT (при постоянной нижней температуре T0 и достаточно большом периоде цикла):
Влияние интервала и области температур цикла

В (II.78) подразумевается, что ΔT совпадает с разностью температур в горячей и холодной зонах образца. Иными словами, (II.78) относится к очень «жестким» теплосменам. К сожалению, нам не известно ни одной работы, где бы это условие было выполнено с достаточным приближением. В силу сказанного, мы лишены возможности сделать количественное сопоставление выражения (II.78) с экспериментом. Однако качественно уравнение (II.78) вполне соответствует опытным наблюдениям.
Влияние интервала и области температур цикла

Двухфазная α+β-латунь ведет себя сходным образом. На фиг. 92 представлены соответствующие данные. Они относятся к цилиндрическим образцам длиной 100 мм и диаметром 6 мм, которые были подвергнуты нагревам в селитре и охлаждениям в холодной воде. Так же, как и в случае с α- и β-латунью, при верхней температуре, меньшей 450° С, деформации почти нет, а при больших интервалах AT сокращение длины за цикл составляет около 8*10в-5 1/цикл. Интересно, что кривые на фиг. 90, 91, 92 очень сходны с предсказываемыми формулой (II. 78).
В работе в свое время было показано, что алюминиевые цилиндры диаметром в 6 мм практически не удлиняются при теплосменах между 10° С и менее 250° С, но начинают заметно расти, когда верхняя температура цикла превышает 350° С. Фиг. 93, иллюстрирует сказанное. Как видно, при интервале температур 550° С коэффициент проста равен примерно 10*10в-5 1/цикл. Аналогичные данные привел А. А. Бочвар в своем докладе. Он, в частности, упомянул об опытах с пластинами из чистого (99,99%) алюминия. За 500 теплосмен от 15° С и выше их удлинение составило 12% при верхней температуре цикла (Tmax), равной 300° С, 33% при Tmax = 400° С и 74% при Tmax = 500° С.
Влияние интервала и области температур цикла

В том же докладе имеются сведения о формоизменении нескольких марок жаропрочных сплавов. Состав этих сплавов уже был выписан в табл. 19. На фиг. 94 показано, как удлинение пластин из них (за 200 циклов) зависит от верхней температуры цикла (нижняя температура постоянна и равна 20° С). Легко видеть, что оно катастрофически увеличивается с ростом интервала температур, причем темп увеличения различный в зависимости от материала. Например, если при Tmax = 750° С наиболее устойчив против формоизменения сплав Б (деформация менее 1 %), то при 900° С он выделяется наименьшей сопротивляемостью теплосменам; всего за 200 циклов удлинение пластин составляет около 32%. В то же время сплав В вырастает на 3,5% при 750° С и всего на 10% при 900° С.
По свидетельству В. И. Просвирина, пластины из никеля (50x20x5 мм3) почти совершенно не растут, когда интервал температур менее 500° С, но удлиняются на 9% за 300 циклов, когда он повышается до 800° С. На фиг. 95 графически изображены данные, приведенные в работе.
Влияние интервала и области температур цикла

Сходным образом ведет себя и Армко-железо. Область заметного формоизменения, как это следует из фиг. 96, соответствует интервалам температур свыше 500/600° С.
Авторы работ показали, что тонкая проволока (диаметром 0,5—0,9 мм), а также фольга из золота, платины, серебра и сплавов золота с медью и меди с цинком при резких охлаждениях растет так, что за каждое данное число теплосмен увеличение ее длины экспоненциально связано с верхней температурок цикла. На фиг. 97 и 98 представлены логарифмы относительного изменения длины в функции обратной абсолютной температуры цикла для всех металлов. Как видно из фигур, получаются прекрасные линейные зависимости. К сожалению, сопоставление данных фиг. 97 и 98 с таковыми на фиг. 90—96 позволяет утверждать, что экспоненциальная связь коэффициента роста с температурой имеет место лишь в редких случаях, например, в тончайших проволочках или фольгах. Кстати говоря, теория предсказывает зависимость коэффициента роста от температуры через гиперболический тангенс, а не через экспоненту. Если учесть, что при больших ΔTγ≈α0ΔT, a при малых γ≈α0Q/2RT2 ΔT2, то можно видеть, что результаты экспериментов на фиг. 90—96 гораздо лучше соответствуют (II. 78), чем наблюдениям. Есть некоторые основания отнести это за счет использования неодинаковых образцов. Большинство исследователей, в противоположность авторам работ, проводили опыты с достаточно массивными пластинами или цилиндрами. He исключено, что тонкие фольги и проволоки удлиняются под действием какого-то особого механизма роста, отсутствующего (или затушеванного другим, более сильным) в толстых изделиях. И. Я. Дехтяр, В. С. Михаленков и Э. Г. Мадатова склонны считать, что в их опытах рост образцов был связан с закалкой вакансий. Соответствующая критика уже была дана ранее. Здесь же мы лишь еще раз подчеркнем, что основная совокупность опытных данных дает основания считать эту теорию несостоятельной, по крайней мере, для массивных тел.
Влияние интервала и области температур цикла

Ранее было показано, что знак коэффициента роста зависит от того, как сильно материал понижает предел текучести в интервале от нижней до верхней температуры цикла. Если оставить постоянным интервал температур и одновременно менять верхнюю и нижнюю температуры, то, по крайней мере, для некоторых материалов может произойти переход из температурной области, в которой они сильно «размягчаются» при нагревании, в область, где они «размягчаются» слабо. В таком случае, очевидно, произойдет смена знака эффекта роста. Отмеченное условие легко выполняется у β-латуни, которая имеет гораздо меньший температурный коэффициент предела текучести при высоких температурах, чем при низких, в соответствии с чем при достаточно резких охлаждениях и спокойных нагревах образцы должны удлиняться в районе повышенных температур и укорачиваться в области пониженных. Экспериментально это было доказано А. А. Бочваром и А. А. Зуйковой. Фиг. 99 показывает, что смена знака коэффициента роста действительно имеет место. Для этого оказалось достаточным повысить среднюю температуру цикла всего лишь на 100° С. Перемена направления формоизменения произошла, несмотря на огромную величину коэффициента роста, свойственную β-латуни вообще. Если постоянной остается верхняя температура цикла, а изменяется нижняя, то у β-латуни изменение знака коэффициента роста может произойти и по этой причине, так как повышение нижней температуры переводит материал в среднем из области повышенных температурных коэффициентов предела текучести в область пониженных. В работе приведены интересные опытные данные. Оказалось, что, как и следовало ожидать, пластины из β-латуни укорачиваются при теплосменах от 20 до 600° С, но растут в длину при термоциклировании от 200 до 600° С. Фиг. 100 показывает, как общее удлинение пластин (100х25х5 мм3) на базе 100 циклов зависит от нижней температуры при постоянной верхней (600° С). Переход от отрицательных коэффициентов роста к положительным происходит очень быстро (в районе 180° С), что свидетельствует об исключительно высокой неустойчивости формы изделий из β-латуни при теплосменах.
Влияние интервала и области температур цикла

Конечно, авторам работы при варьировании температуры не удалось сохранить постоянными скорости нагрева и охлаждения, но мы согласны с ними в том, что отмеченное обстоятельство вряд ли имеет принципиальное значение.
Приведенные выше примеры с достаточной убедительностью показывают, насколько сильное влияние испытывает коэффициент роста со стороны интервала температур цикла. Почти всегда чем выше последний, тем значительнее формоизменение. В целом, для объяснения опытных фактов можно воспользоваться как формальной теорией, развитой во второй главе, так и качественными рассуждениями относительно условий релаксации напряжений и поля действующих напряжений. Однако таким путем можно объяснить лишь общую тенденцию изменения коэффициента роста, многочисленные же более тонкие эффекты требуют специального подхода почти в каждом конкретном случае. Отмеченное обстоятельство указывает на необходимость дальнейших, более глубоких исследований.
Среди вопросов, требующих экспериментального разрешения, по-видимому, особое место занимает связь формоизменения с явлениями упрочнения, разупрочнения, рекристаллизации и отдыха.
Влияние интервала и области температур цикла

Представляется очевидным, что повторяемость от цикла к циклу пластического приращения длины — и притом с почти неизменной интенсивностью — нельзя мыслить без участия двух противоположных процессов: упрочнения и разупрочнения. Сравнительное постоянство коэффициента роста на третьем участке указывает, что эти процессы нейтрализуют действие друг друга уже на протяжении одного цикла. Структурное состояние, при котором скорость упрочнения равна скорости разупрочнения, наступает как правило очень быстро, через несколько десятков теплосмен. Если упрочнение есть в конечном счете результат действия больших тепловых напряжений то разупрочнение связано как со степенью наклепа, так и с температурой вообще. Лишь наличие достаточно большой степени искажений кристаллической решетки и высокой средней или хотя бы верхней температуры цикла в состоянии обеспечить необходимую скорость разупрочнения. При ограниченных периодах цикла механизм разупрочнения — каков бы он ни был в конкретном смысле — должен быть достаточно эффективен. Иными словами, постоянство скорости формоизменения от цикла к циклу не может иметь места без создания необходимых условий, гарантирующих высокую подвижность атомов. К сожалению, не ясно, каковы на самом деле должны быть средняя температура цикла и искажение решетки. По мнению А. А. Бочвара с сотрудниками, для реализации заметного формоизменения верхняя температура цикла не должна быть ниже температуры рекристаллизации. Такое утверждение справедливо по крайней мере в том смысле, что требует наличия достаточно высокой температуры вообще. Конкретный же температурный критерий, вероятно, зависит от многих факторов и в первую очередь от интервала температур (при постоянной средней или верхней температуре цикла). Своеобразие условий деформирования, рекристаллизации, отдыха и других явлений, имеющих место при теплосменах, заставляет думать, что не так просто обосновать связь формоизменения с обычной рекристаллизацией. В этом можно было убедиться при обсуждении формоизменения, связанного с анизотропией коэффициента термического расширения, где было показано, что понижение средней температуры цикла в иных случаях приводит не к уменьшению, а к увеличению коэффициента роста.
Помимо того что средняя температура цикла гарантирует необходимую подвижность атомов, повышение ее может сказаться на форме зависимости коэффициента роста от интервала температур. Если, например, в верхней области цикла происходит интенсивный отдых или рекристаллизация, то коэффициент роста должен очень сильно на них реагировать. По-видимому, так можно объяснить различный температурный ход кривых для предварительно отожженного (кривая 1 на фиг. 93) и неотожженного (кривая 2 на фиг. 93) алюминия.
Наконец, чрезвычайно важным фактором является влияние интервала и области температур на разрушение от термической усталости. Разрушение может начаться раньше или позже, и соответственно раньше или позже выявляется четвертая стадия формоизменения, что немедленно сказывается на коэффициенте роста. Отмеченное обстоятельство, к сожалению, почти никем не принималось во внимание при анализе кривых «коэффициент роста — интервал температур». В ряде случаев формоизменение вообще характеризовалось только общим изменением размеров без указания частных зависимостей удлинения от числа циклов.
Слабая изученность структурных изменений материала при теплосменах и, тем более, отсутствие сведений об их связи с интервалом и областью температур термического цикла делают почти невозможным создание достаточно строгой и плодотворной теории формоизменения, вызываемого температурными градиентами.