Petrov M.G.
Тепловые эффекты циклического деформирования материалов
Любой материал является неупругой средой, и при циклическом нагружении требуется совершать работу, практически полностью переходящую в тепловую энергию. Энергия же, необходимая для разрушения материала черпается из внутренней энергии твёрдого тела, мерой которой является температура. Воспроизводя в расчётах процессы неупругого деформирования материала с помощью реологических моделей, вычисляя тепловой эффект и решая задачу теплопроводности, можно определить ту часть затраченной работы, которая переходит во внутреннюю энергию твёрдого тела и ускоряет процесс разрушения.
С другой стороны, тепловые эффекты сами могут давать информацию о структуре материала и типе его неупругих характеристик. Скорость неупругой деформации в виде раскрытия петли пластического гистерезиса за период цикла нагружения, вычисленная по тепловому эффекту, связана с долговечностью, как и скорость ползучести со временем разрушения. Для материалов с низкой теплопроводностью анализировать тепловые эффекты следует на начальной стадии разогрева, экстраполируя кривую разогрева на момент времени равный нулю, чтобы методически устранить погрешности, связанные с другими путями отвода тепла.
Испытания образцов данного материала при больших амплитудах нагружения приводят к значительному росту температуры разогрева в их средней части и переходу от процесса усталостного разрушения к разрушению в результате циклической ползучести. Вид трещин, образовавшихся в месте разрыва пластины в этом случае, подтверждает характер такого разрушения. О величине температуры и её распределению по длине стальной пластины можно судить по цветам побежалости на её поверхности.
Проведя термоактивационный анализ тех случаев нагружения, которые вызвали такой эффект, были вычислены значения энергии активации (ЭА) разрушения для испытанной марки стали, которые оказались совпадающими со значениями ЭА при монотонном нагружении сталей близких по химическому составу. Монотонное нагружение также является вариантом разрушения, произошедшего в результате ползучести, как и долговечность, определённая при постоянных напряжениях. Разрыв образца материала при монотонном нагружении тоже даёт тепловой эффект как результат пластического течения, распределённого по длине образца, и разрыва межатомных связей. А от поверхности разрыва распространяется тепловая волна, по характеристикам которой можно вычислить выделившуюся в месте разрыва энергию. То же происходит и при усталостном разрушении в момент распространения магистральной трещины в поперечном сечении образца.
Определив тем или иным способом скорости неупругих деформаций для данного значения установившейся температуры материала в конкретном месте конструкции, и установив их связь с долговечностью, получаем зависимости долговечности от параметров цикла нагружения. Кривая усталости является огибающей кривых обратно пропорциональных зависимостей долговечности от приращений неупругости на каждом участке её амплитудной зависимости. Предполагается, что приращение неупругих деформаций связано с появлением новых мест локального пластического деформирования ввиду структурной неоднородности материала. Косвенно это подтверждается сравнением расчётных и экспериментальных значений долговечности.
Фёдоровым (Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта) проводились эксперименты, в которых измерялась работа, затраченная при циклическом нагру-жении, из которой вычиталась вся выделенная тепловая энергия. Получилась разность двух очень больших чисел, имевшая большой разброс, которую автор принял за критерий разрушения. Однако количество произведённой работы зависит от амплитуды нагружения, с которой связано количество локальных объёмов, где возникают переменные микропластические деформации. А долговечность в принципе определяется одним объёмом, в котором раньше других появится зародыш макротрещины. Поэтому нужно знать весь объём, к которому относится поглощённая энергия, и оценить погрешности измерений. Неупругие деформации – тоже интегральная характеристика поведения материала, но статистика их связи с долговечностью решает эту неопределённость.
Таким образом, неупругие деформации, вызывающие повышение температуры материала и увеличивающие тем самым его внутреннюю энергию, должны приниматься в расчёт, чтобы не вызвать преждевременного разрушения в результате её увеличения. Затраченная же работа при циклическом деформировании твёрдого тела является сопутствующим фактором, непосредственно не связанным со скоростью его разрушения. Микропластические деформации, вызывающие появление неупругости и тепловых эффектов, будут именно следствием процесса разрушения.
To reports list