» » Влияние периода термического цикла
05.01.2015

Поскольку формоизменение есть следствие релаксации температурных напряжений, то совершенно очевидно, что период цикла, определяющий время, в течение которого напряжения могут релаксировать, должен оказывать влияние на величину коэффициента роста. Здесь, конечно, имеется в виду тот случай, когда при варьировании периода цикла скорости нагрева и охлаждения сохраняются постоянными, так как речь идет о влиянии времени пребывания образцов в высоко- и низкотемпературной зонах.
На первый взгляд представляется тривиальным, что чем продолжительнее тепловая выдержка, тем больше должен быть коэффициент роста. Однако нужно считаться с тем, что при некоторых сочетаниях параметров термического воздействия и свойств материала длительность пребывания образцов в зоне с постоянной температурой может или не сказываться на формоизменении, или даже оказывать обратное действие. Причина заключается в конкурирующем вкладе каждого из этапов: нагрева, охлаждения, выдержки при Tmin и выдержки при Tmax. Если, скажем, три из перечисленных этапов ликвидируют напряжения к началу тепловой выдержки, то она будет играть второстепенную роль. Есть основания утверждать, что в общем случае эффект роста может как увеличиваться в зависимости от времени выдержки, так и уменьшаться (или вообще от него не зависеть).
Посмотрим, к каким выводам приводит теория. Для этого проанализируем хотя бы простейшее из равенств (I. 42б).
1. Из уравнения (I. 42б) следует, что когда температурный цикл состоит из быстрых охлаждений и последующих медленных нагревов (t01=0, t10≠0) или, наоборот, из быстрых нагревов и медленных охлаждений (t01≠0, t10=0), то коэффициент роста с увеличением выдержки в высоко- или низкотемпературной зоне плавно возрастает от некоторого минимального значения γmin до максимального γmax. В самом деле, положив t01=0, имеем из (I. 42б)
Влияние периода термического цикла

Считая же, что t10=0, получим аналогичное выражение
Влияние периода термического цикла

Из (II. 79) и (II. 80) непосредственно следует, что влияние времени пребывания образцов в низкотемпературной и высокотемпературной зонах совершенно аналогично для обоих режимов цикла. Оно сводится к постепенному повышению коэффициента роста при увеличении t00 или t11. Например, варьирование выдержки в высокотемпературной области с t11=0 до t11→∞ соответствует изменению коэффициента роста с
Влияние периода термического цикла

до
Влияние периода термического цикла

Интересно, что если ξ (T0, T0) t00≥1, т.е. если велика выдержка при низкой температуре, то коэффициент роста перестает зависеть от выдержки при высокой температуре (и наоборот).
Практически такие условия выполняются редко, поэтому коэффициент роста почти всегда зависит от периода цикла. При этом
эксперимент хорошо подтверждает общие выводы, вытекающие из (II. 79), (II. 81), (II. 82). Например, по данным А. А. Бочвара с сотрудниками [102] алюминиевые пластинки удлиняются тем больше, чем продолжительнее они выдерживаются при верхней температуре цикла (режим: медленный нагрев на воздухе, быстрое охлаждение в воде). На фиг. 101 приведены соответствующие данные. Как видно, коэффициент роста во всех случаях действительно постепенно увеличивается от некоторого PO минимального до некоторого максимального значения.
Влияние периода термического цикла

Иногда коэффициент роста в деталях весьма своеобразно, далеко не экспоненциально [как следует из (II. 79)] зависит от времени выдержки. При этом все тонкости не могут быть строго учтены уравнениями (I. 42) или (II. 79), так как они были составлены в линейном приближении. Однако нам не известны такие случаи, чтобы при резких охлаждениях и спокойных нагревах (или резких нагревах и спокойных охлаждениях) когда-либо создавалось положение, качественно не подтверждающее равенство (II. 79).
Примером могут служить α- и β-латуни. На фиг. 102 и 103 представлены соответствующие опытные данные, полученные на цилиндрах (⌀ 6 мм, l =100 мм), испытавших быстрые охлаждения в холодной воде до 10° С и сравнительно медленные нагревы до 510° С в расплаве натриевой селитры. Легко видеть, что. хотя кривые на фиг. 100 и 101 отличаются от кривых на фиг. 99, общая тенденция, тем не менее, остается в силе.
2. Совершенно противоположный результат, т. е. не увеличение, а уменьшение коэффициента роста, предсказывает теория, когда теплосмены таковы, что и нагревы и охлаждения производятся достаточно быстро, а действующие во время изменения температуры напряжения успевают заметно прорелаксировать. В самом деле, если в (I. 426) положить ξ (T0, T1) t01≥1 и ξ (T1, T0) t10≥1, то формоизменение за цикл получается равным:
Как видно из формулы, формоизменение достигает максимума не при больших выдержках в высоко- и низкотемпературных областях, а при малых. Этот вывод на первый взгляд кажется парадоксальным, так как, казалось бы, чем в большей степени успеют прорелаксировать напряжения, тем лучше обеспечивается воспроизведение необратимой деформации формоизменения от цикла к циклу и тем больше должен быть коэффициент роста. Однако при более внимательном рассмотрении выражения (II. 83) этот эффект можно предугадать даже и качественно, если вспомнить, что знаки напряжений, релаксирующих при нагреве и охлаждении и остаточных по отношению к их породившим, противоположны.
Влияние периода термического цикла

Уравнения (II. 79), (II. 80) и (II. 83) относятся к крайним сочетаниям параметров термического воздействия, когда или t10=0, t01≠0 или t10≠0, t01=0 или и ξ (T1, T0) t10≥1, и ξ (T0, T1) t01≥1. Все промежуточные варианты в линейном приближении описываются с помощью (I. 426) и еще лучше с помощью (I. 42), в котором учтено как изменение характера поля напряжений на протяжении цикла, так и в известном смысле и нелинейность уравнений. Ясно, что при произвольных t01, t10, t11 и t00 реальные зависимости γ=γ (t00, t11) могут быть самыми разнообразными и не исключено, что если, например, коэффициент роста является возрастающей функцией времени выдержки при верхней температуре, то время выдержки при нижней температуре действует в обратную сторону.
Такая картина наблюдалась, в частности, в опытах с алюминием. Было показано, что цилиндры диаметром 6 мм и длиной 100 мм при теплосменах, состоящих в быстрых нагревах до 410° С в расплаве эвтектики калиевой и натриевой селитры и быстрых же охлаждениях в воде до 10°С, постепенно увеличивают коэффициент роста при возрастании времени выдержки в горячей зоне и, наоборот, уменьшают его, когда выдержка увеличивается в холодной зоне. Результаты экспериментов представлены на фиг. 104.
Влияние периода термического цикла

Помимо сказанного, из фиг. 104 следует, что при варьировании периода иногда наступают качественные изменения на кривых «коэффициент роста—число циклов». Так, если при t11=1 мин. и t00≤330 сек. кривые 2 и 3 неразличимы, так как второй и третий участки имеют одинаковые коэффициенты роста, то при t00≥330 сек. происходит их «расщепление»: второй участок приобретает меньший коэффициент роста, нежели первый. Фиг. 104 показывает также, что время выдержки иногда действует по-разному в зависимости от общей продолжительности цикла. Например, при t00≥330 сек. коэффициент роста, относящийся к третьему участку, не уменьшается, а увеличивается. Причина этого пока остается неясной, хотя, может быть, здесь нет ничего необычного, если принять, что при t00≤330° С третьего участка вообще нет.
Строго говоря, полное представление о влиянии времен выдержки в области низких и высоких температур цикла немыслимо без экспериментального изучения особенностей, связанных с изменением структуры материала. Однако в указанном направлении почти ничего не сделано, имеются лишь весьма спорные высказывания.