Необратимое формоизменение при тепловом циклическом воздействии

• Автор: Басараба, Дмитрий Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Львов
• Количество страниц: 163 c. : ил

В последние годы заметно усилился интерес исследователей к
широкому классу новых материалов, используемых в народном хозяй-

стве. Техника в своем развитии предъявляет все более строгие требования, вытекающие из непрерывно усложняющихся условий работы этих материалов.
С каждым годом появляются новые и непредвиденные условия, в которых должен работать материал и перед конструкторами вырастают задачи, для решения которых необходимо обращаться к еще не изученным свойствам. К числу таких задач последнего времени относится конструирование сооружений, работающих при циклических тепло-сменах, нередко, в интервале сотен градусов. В переменном температурном поле работают детали и узлы целого ряда механизмов и машин. Переменные -температурные воздействия испытывают атомные реакторы, ракетные системы, тепловыделяющие элементы и регулирующие стержни реакторов, летательные аппараты разнообразного назначения, обшивка летательных аппаратов, прессштампы и валки для горячей обработки металлов, лопатки газовых турбин и многие детали целого ряда устройств.
Работу металла в условиях циклических теплосмен начали изучать недавно, но уже обнаружена совершенно неожиданная и опасная особенность их поведения в виде необратимого и, часто, очень большого формоизменения даже при отсутствии нагрузки. Из-за отсутствия надлежащих расчетных критериев это приводит к созданию аварийности или даже катастрофической ситуации.
При нагревании все тела изменяют свои размеры, причем по возвращении к исходной температуре параметр кристаллической решетки принимает прежнее значение. Следует отметить, что полная обратимость изменения междуатомного расстояния далеко не всегда сопровождается обратимостью внешних параметров твердого тела.

Указанные характеристики не изменяются, даже если взаимное расположение атомов и структурное состояние тела окажутся новыми, а вместе с ними появится и остающееся формоизменение. Эти формоизменения в большинстве случаев имеют место, хотя остаются незамеченными вследствие своей малой величины (порядка 1% от теплового расширения). Однако, при многократных теплосменах такие формоизменения накапливаются и после большого числа циклов достигают большой величины.
Известны случаи, когда за несколько тысяч температурных циклов размеры изделия увеличивались в 5-10 раз. В качестве примера на рис.1.2 приводятся заимствованные из работ разных авторов фотографии образцов из разных металлов снятых до и после периодической тепловой обработки. Как видно из рис.1, после 1300 нагревов и охлаждений от 550°С до 50°С образцы увеличивали свою длину примерно в 2,5 раза, а за 3000 циклов - почти в б раз. Аналогично ведут себя многие другие материалы: металлы и неметаллы, моно-и поликристаллы, аморфные и кристаллические тела.
Вредное влияние теплосмен в свое время как раз и побудило приступить к изучению проблемы поведения материалов в переменном температурном поле.
В диссертационной работе на основе анализа многочисленных экспериментальных данных в области физики деформируемых тел и материаловедения предложена модель формоизменения и в ее рамках исследуется влияние переменных температурных нагрузок как при приложенных внешних нагрузках так и без них на деформацию вследствие температурного последействия в условиях установившейся ползучести.
Научный интерес к данной проблеме поддерживается несколькими эффектами [31] , которые сопровождаются циклическим колебанием температуры. Основными из них являются термическая усталость от термического удара, необратимое тепловое формоизменение, измене-

Рис.1.1. Деформация урановых образцов при циклическом температурном воздействии между 50 и 550°С. Слева - до и после 1300 циклов, справа - до и после 3000 циклов.

пятствия путем переползания, и т.п.
Уравнение (2.13) широко применяется при описании релаксационных процессов в соотношениях ползучести. Одни авторы под Ч* понимают среднеквадратичное значение внутренних напряжений, другие - интенсивность несовершенств кристаллической решетки, третьи - наклеп. В работе [97] процесс, описываемый уравнением
(2.13) называется температурным разупрочнением.
Нерасчлененное уравнение (2.10) показывает, что при необратимой деформации образуются дефекты (первое слагаемое правой части) и одновременно происходит их релаксация (взятое со знаком минус, второе слагаемое). Соотношение (2.10) один из первых пунктов в формулировке основных положений рассматриваемой здесь теории заключается в оледующем. Считается, что сопротивление сдвигу S.NL3 ависит от интенсивности дефектов H^nL , т*е.
sNL= W) ’ «•»>
причем функция связана с интенсивностью скольжений 4Vil
зависимостью (2.10). При этом сопротивление сдвигу Snl и
компонента касательного напряжения ^NL удовлетворяют равенству (2.7) или неравенству (2.8) в зависимости от того, проходит или отсутствует скольжение в системе W , L в данный
момент нагружения.
Приведем два следствия, вытекающие из формул (2.7), (2.10)

и (2.14). Первое, получаемое при достаточно быстром нагружении, заключается в следующем. Из формулы (2.12) находим 4V= OL^nl (при 0l= COhst. ), т.е.при отсутствии ползучести приходим к соотношению М.Я.Леонова: ^>nl= (раздел 2.1).
Для получения второго следствия рассмотрим случай, когда после быстрой пластичеокой деформации напряжения фиксируется и держится постоянным: TNL= const . Тогда из формул (2.7) и
(2.14) следует, что Чп(/= COhst » с1Чи|_= О и Уравнение