E) регулировка неподвижности изображения сигнала - «уровень» и “стабильность”.

2. Генератор сигналов низкочастотный типа ГЗ-109.

Используемые возможности управления выходным сигналом генератора:

a) регулировка частоты – “Нz” и «множитель частоты»;

b) регулировка напряжения - 15 mV…15 V.

3. Частотомер типа ЧЗ-33.

Настройка частотомера:

a) Род работы - « F_A»;

b) «Внешний пуск» – выключить;

c) «Время измерения» - 1 сек.

4. Стойка, включающая датчик и приемник колебаний.

Порядок выполнения работы

1. Осторожно подвесить образец на нитях (номера образцов указаны на торцах, нити должны располагаться вертикально на расстоянии ~ 5 мм от торцов, для этого можно поворачивать головки приемника 2 и датчика 6).

2. Включить генератор, установить напряжение генератора около 10 В.

3. Включить осциллограф, произвести настройку осциллографа, добиваясь появления на экране синусоидального сигнала.

4. Вращением регулятора “частота Нz” генератора добиться появления резонанса, при котором наблюдается резкое увеличение сигнала по оси Y на экране.

5. Произвести отсчет частоты f по шкале генератора с учетом множителя и результат занести в соответствующую таблицу (частоту можно измерить более точно с помощью частотомера).

6. Повторить измерения для всех образцов.

7. Произвести расчет значений модуля E, построить график зависимости модуля E от состава исследованных сплавов.

№ обр	Состав сплава	d, мм	L, мм	m, кг	Термообработка	f, Гц	E, МПа
Ti	Al
			11,10	245,0	0,1050	Отжиг
			12,40	245,0	0,1320	Отжиг
			11,80	264,7	0,1340	Отжиг
			11,80	253,8	0,1210	Отжиг
			11,10	233,6	0,0980	Отжиг

№ обр	Состав сплава	d, мм	L, мм	m, кг	Термообработка	f, Гц	E, МПа
Cu	Ni
			10,40	249,5	0,1756	Отжиг
	75,7	24,3	9,97	248,5	0,1741	Отжиг
	49,8	50,2	10,02	249,5	0,1742	Отжиг
	25,3	74,7	10,00	249,5	0,1751	Отжиг
			10,02	248,5	0,1729	Отжиг
	Сталь 45	11,90	275,5	0,2400	Отжиг
	11,90	275,5	0,2370	Закалка

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема установки.

3. Таблица с экспериментальными и расчетными данными.

4. График зависимости модуля Е от состава исследованных сплавов.

5. Расчет относительной погрешности определения Е для одного из образцов.

6. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается физический смысл модуля Е материалов?

2. Как влияет на величину Е изменение температуры?

3. Как влияет на величину Е изменение состава и структуры сплавов?

4. Чем можно объяснить анизотропию упругих свойств монокристаллов?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл.V, §I, гл. ХХIV, §2, 3.

2. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Мир, 1977, гл. З8.

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл. 4, 11.

4. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация

Цель работы:исследовать закономерности изменения прочностных свойств металлических материалов при изменении их структуры в результате пластического деформирования и последующего нагрева.

Содержание работы

Известно, что при деформировании многих металлических материалов на фоне упругой, то есть обратимой деформации, появляется пластическая деформация, являющаяся необратимой. Пластическая деформация, происходящая при достаточно низких температурах, приводит к возрастанию сопротивления деформированию, которое называется деформационным упрочнением. Это сопровождается изменением многих других физико-химических свойств материалов. После нагрева деформированного материала выше некоторой температуры изменение всех свойств, вызванное деформированием, исчезает.

Пластическое деформирование и изменение свойств, вызванное пластическим деформированием и последующим нагревом, используется или учитывается в технологических процессах, связанных с формоизменением, а также с оптимизацией структуры, механических и физико-химических свойств материалов.

Рассмотрим физическую сущность указанных явлений и их практическое применение.

Пластическая деформация металлических материалов осуществляется, в основном, за счет движения линейных дефектов кристаллической решетки - дислокаций. Дислокации при своем движении испытывают тормозящее воздействие со стороны различных препятствий в кристаллической решетке. Чем сильнее тормозятся дислокации, тем большее напряжение нужно создать в материале для осуществления пластического деформирования.

В чистых металлах одной из основных причин торможения дислокаций является их взаимодействие с другими дислокациями. Очевидно, что величина этого взаимодействия будет зависеть от степени насыщенности кристаллов дислокациями - плотности дислокаций r (см^-2), равной суммарной длине дислокаций, приходящихся на единицу объема

r=W/V,

где W - суммарная длина всех дислокаций, содержащихся в объеме V кристалла. Эффективным способом повышения r является само пластическое деформирование, в результате которого происходит не только движение, но и интенсивное размножение дислокаций. Поэтому в процессе пластического деформирования металлических материалов, находящихся в холодном состоянии (при Т существенно ниже 0,4Т_пл), возникает деформационное упрочнение (рис.1).

Кривая растяжения поликристаллического образца (рис. 1) на участке деформационного упрочнения (2) подчиняется зависимости

s=s_У+a·b·G·r^1/2,

где s - напряжение деформирования; s_У– предел упругости (напряжение, до которого деформация остается упругой); a~1 – постоянная; G =10⁴-10⁵МПа - модуль сдвига; b~10^-8см - вектор Бюргерса, характеризующий степень искаженности кристаллической решетки вокруг дислокации; r – плотность дислокаций, которая может изменяться для технических металлов (10⁶см^-2у отожженных, 10¹² см^-2у предельно деформированных металлов).

Таким образом, прямым следствием пластического деформирования является увеличение прочностных свойств материалов: предела упругости (s_У), предела текучести (s_T), предела прочности (s_в), твердости (НВ).

Рис. 1. Кривая растяжения поликристаллического образца:
s - напряжение деформирования, e - относительная деформация, 1 - участок упругой деформации, 2 - участок пластической деформации и упрочнения

Изменение дислокационной структуры приводит к изменению и других свойств металлических материалов. Пластичность материала, характеризуемая величинами максимального удлинения (d) и сужения (y), снижается вследствие уменьшения длины свободного пробега дислокаций и их закрепления на препятствиях. Магнитная проницаемость (m) уменьшается, а коэрцитивная сила (Н_с) и остаточная индукция (B_r) ферромагнитных материалов растут, Это связано с торможением междоменных границ дислокациями и другими дефектами, возникшими в процессе пластического деформирования. Удельная электропроводность (g) снижается, потому что появившиеся точечные дефекты и, в меньшей степени, дислокации нарушают строгую периодичность кристаллической решетки, тем самым способствуя рассеянию электронных волн. Плотность материала уменьшается, так как возникшие дефекты уменьшают плотность упаковки атомов. Коррозионная стойкость снижается из-за повышения химической активности вблизи дислокаций и легкого проникновения чужеродных атомов вдоль дислокаций с поверхности внутрь кристалла.

В поликристаллическом материале (рис.2а) при достаточно большой степени деформации проявляется анизотропия свойств, вызванная вытягиванием и преимущественной ориентацией отдельных зерен в направлении деформации, то есть возникновением текстуры (рис. 2б). Это может сопровождаться раздроблением зерен поликристалла и появлением трещин.

Рис. 2. Структура поликристалла: а) в исходном состоянии; б) после холодной пластической деформации; в) после рекристаллизации

Деформационное упрочнение широко используется на практике как способ упрочняющей обработки, в частности, чистых металлов. Однако, во многих случаях изменение физико-механических свойств, наблюдающееся в результате пластической деформации, оказывается нежелательным. Восстановление исходных свойств достигается путем термической обработки – нагрева деформированного материала.

При пластическом деформировании, особенно в холодном состоянии (Т<0,2Т_пл), часть энергии, расходуемой на деформацию (~15%), аккумулируется в виде потенциальной энергии образовавшихся дефектов, поэтому пластически деформированный материал, как термодинамическая система, переходит в энергетически невыгодное, но относительно устойчивое состояние, называемое метастабильным.

Повышение температуры увеличивает подвижность атомов и система может самопроизвольно перейти в более равновесное состояние, что приводит к уменьшению дефектности решетки. Процессы, происходящие в пластически деформированном металле технической чистоты (~0,01% примесей) при его нагреве, можно представить несколькими этапами (рис. 3).

1. Отдых.

Начиная с Т~0,2Т_пл в материале происходит перераспределение точечных дефектов, в частности вакансий, и уменьшение их концентрации. Эволюция вакансий способствует перегруппировке и взаимному уничтожению дислокаций только в местах их наибольшего скопления. Это обеспечивает лишь небольшое суммарное снижение плотности дислокаций. Поэтому отдых приводит к увеличению электропроводности, мало изменяя остальные свойства деформированного материала (рис. 3, участока).

Рис. 3.Изменение свойств при нагреве холоднодеформированного материала:1 - y, d, m;2 - g; 3 - s_у, s_T, s_в, НВ, Н_с

2. Полигонизация.

При Т~0,3Т_пл во всем объеме деформированного материала получает развитие самопроизвольное перераспределение дислокаций в энергетически выгодные конфигурации и продолжается уменьшение их плотности. Вследствие этого значительно уменьшаются поля напряжений, ранее вызванные скоплением дислокаций. Полигонизация приводит к дальнейшему увеличению электропроводности и небольшому изменению уровня других свойств (рис. 3, участок б). Однако, этот этап наступает только после малых степеней деформации. При больших степенях деформации полигонизация подавляется рекристаллизацией.

3. Рекристаллизация.

С температуры Т~0,4Т_пл резко активизируется процесс взаимного уничтожения дислокаций. Участки, освободившиеся от излишних дислокаций, становятся центрами рекристаллизации - зародышами новых зерен, которые при дальнейшем росте заполняют весь объем материала. Процесс появления зародышей и роста новых кристаллических зерен называется рекристаллизацией. Первичная рекристаллизация заканчивается, когда в материале исчезают деформированные зерна. При дальнейшем повышении температуры и увеличении времени выдержки развивается собирательная рекристаллизация, которая заключается в укрупнении новых зерен и уменьшении их количества. Рекристаллизация сопровождается полным восстановлением свойств материала и зеренной структуры с плотностью дислокаций, соответствующей исходному отожженному состоянию (рис. 2, в; рис.3, участок в).

Температуру начала рекристаллизации нередко называют температурой рекристаллизации (Т_р). Значение Т_рзависит от ряда факторов:

a) от температуры плавления, так как величина Т_пл определяет энергию межатомной связи (Т_р~ 0,4Т_плдля технически чистых металлов после деформации ~70%, и выдержке ~ 1,5 часа);

b) от степени деформации, с увеличением которой Т_руменьшается, потому что с увеличением степени деформации увеличивается плотность дислокаций и, соответственно, увеличивается энергетическая нестабильность структуры; кроме этого уменьшается среднее расстояние между дислокациями, в результате чего возрастает вероятность их взаимного уничтожения;

c) от концентрации примесей, с увеличением которой значение Т_рувеличивается (до 0,6·Т_плдля твердых растворов), так как атомы примесей затрудняют перераспределение дислокаций.

На практике, для полного восстановления структуры и свойств, производят операцию рекристаллизационного отжига, при котором плотность дислокаций максимально уменьшается, и проходит собирательная рекристаллизация. Его программа включает в себя нагрев до температуры Т_ро, которая больше Т_рна ~ 0,2Т_пл, выдержку и последующее охлаждение со скоростью, зависящей от вида материала, а также формы и размеров детали. Как правило, скорость охлаждения невелика. Следует избегать перегрева, вызывающего вторичную рекристаллизацию, связанную с сильным ростом отдельных зерен. Это приводит к снижению пластичности.

Рекристаллизационный отжиг применяется перед холодной обработкой давлением для придания материалу наибольшей пластичности или как окончательная операция для возвращения материалу исходного уровня свойств.

В зависимости от температуры, при которой производится пластическое деформирование, различают холодную и горячую обработки давлением. Холодная обработка давлением осуществляется при температурах существенно ниже Т_р, горячая – при температурах, превышающих Т_ро.

В данной работе предлагается на примере образцов меди проследить за изменением твердости, которое наблюдается в процессе холодного пластического деформирования и последующего нагрева на различные температуры.

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе деформационного упрочнения и рекристаллизации.

Оборудование и материалы

1. Образцы меди M1 (99,9% Cu).

2. Малогабаритные печи.

3. Пресс для пластического деформирования (Р = 30 000 Н).

4. Прибор для измерения твердости по Бринеллю.

Порядок выполнения работы

1. Измерить твердость образцов меди по Бринеллю в исходном отожженном состоянии. Среднее значение твердости (НВ) внести в таблицу.

Материал	Состояние	Твердость (HB), МПа
Медь М1 (99,9% Cu)	После отжига
После ХПД
После нагрева	100°С
300°С
500°С

2. Произвести пластическое деформирование образцов при комнатной температуре с помощью пресса.

3. Измерить твердость всех образцов после деформирования.

4. Произвести нагрев каждого образца; температуры нагрева: 100, 300, 500°С; время выдержки образцов - 10 мин; охлаждение в воде.

5. Измерить твердость образцов.

6. Построить графическую зависимость твердости (НВ) от температуры нагрева.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Таблица с данными.

3. График зависимости НВ от температуры нагрева.

4. Рисунок 2.

5. Анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление деформационного упрочнения (наклепа)?

2. Какова физическая причина деформационного упрочнения?

3. Как зависит уровень деформационного упрочнения от плотности дислокаций?

4. Как и почему пластическое деформирование влияет на уровень физико-химических свойств материала?

5. Каково влияние температуры нагрева на свойства пластически деформированных кристаллических материалов?

6. В чем заключаются структурные изменения, происходящие при нагреве деформированных материалов?

7. Каковы причины структурных изменений в процессе нагрева деформированных материалов?

8. Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. I,V.

2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение - М.: Машиностроение, 1986, гл.4.

3. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 3. Ползучесть и долговечность

Цель работы: исследовать закономерности процессов деформации и разрушения материалов, находящихся под действием постоянного напряжения или нагрузки.

Содержание работы

В материалах, начиная с температур ~0,3Т_пл активно развивается процесс ползучести – увеличение пластической деформации во времени при постоянных условиях, в первую очередь, при постоянном напряжении и температуре. Особенно важно учитывать это явление для полимеров и некоторых стекол, так как ползучесть в них развивается уже при температуре 20^оС.

Как правило, при испытании на ползучесть (рис. 3, 4) регистрируют зависимость относительно деформации ползучести e от времени t при постоянной нагрузке Р или постоянном напряжении s в условиях неизменной температуры Т. В результате получают кривую ползучести (рис. 1), где а-б - участок «мгновенной» деформации; б-в - стадия неустановившейся ползучести с уменьшающейся скоростью; в-г - стадия стационарной ползучести с постоянной скоростью; г-д - стадия ускоренной ползучести, заканчивающейся в точке д разрывом образца.

Рис. 1. Участки кривой ползучести

Явление ползучести в разной степени свойственно большинству материалов. Скорость стационарной ползучести существенно зависит от условий испытания. Так, с ростом напряжения или с увеличением температуры скорость стационарной ползучести e¢=de/dt увеличивается (рис. 2).

Рис. 2. Кривая ползучести: а) Т - const, s₁> s₂; б) s -const, T₁>T₂

Деформацию ползучести особенно важно учитывать в условиях высоких температур и длительного действия нагрузки.

В качестве характеристики сопротивления деформации ползучести используется условный предел ползучести s_e/t^Т – напряжение, которое вызывает определенную деформацию e в заданный промежуток времени t при определенной температуре Т.

Зависимость e’ от s и Т в широкой области значений Т достаточно хорошо описывается уравнением

e¢ = e¢₀·exp( - (U_а- s·g)/ (k ·T)),

где k - постоянная Больцмана; e¢₀- постоянная, характеризующая частотный фактор (соответствует средней частоте колебаний атомов в решетке ~10¹³Гц); U_а- энергия активации – энергия, которую надо сообщить системе для активации процесса ползучести; g - активационный объем ползучести, являющийся структурно чувствительным параметром.

Приведенное соотношение выполняется для термоактивируемых процессов, в которых решающее значение имеют термические флуктуации – отклонения величины кинетической энергии от среднего значения, существенно превышающие среднюю энергию тепловых колебаний атомов, соответствующую температуре Т.

Для кристаллических материалов на участке «мгновенной деформации» и стадии ползучести с затухающей скоростью происходит увеличение плотности дислокаций и растет их взаимное торможение. На стадии стационарной ползучести наблюдается динамическое равновесие, при котором суммарная плотность подвижных дислокаций и дислокационная структура практически не изменяются. При этом дислокации преодолевают препятствия с помощью термических флуктуаций. На стадии ускоренной ползучести происходит резкая локализация деформации с появлением местного сужения (шейки), где и происходит разрушение.

Ползучесть полимерных материалов имеет некоторые особенности, связанные со спецификой строения полимеров – наличием гибких макромолекул, относительно слабо взаимодействующих между собой. Кривая ползучести полимеров имеет участок упругой деформации, участок высокоэластичной, обратимой деформации (для неориентированных полимеров), и, наконец, стадию вязкотекучей, полностью необратимой деформации. На стадии высокоэластичной деформации происходит распрямление гибких макромолекул. На последней стадии основной вклад в деформацию вносит проскальзывание макромолекул относительно друг друга. Оба процесса являются термоактивируемыми.

Процесс разрушения твердых тел развивается во времени и стимулируется внешней нагрузкой. Продолжительность пребывания под нагрузкой до момента разрушения – долговечность t зависит от уровня действующего напряжения s и температуры Т. В широком диапазоне s и T имеет место зависимость, известная как формула Журкова:

t = t₀·exp((U_а- s·g)/ (k ·T)),

где t₀- период тепловых колебаний атомов. Уровень разрушающего напряжения s, соответствующий данной долговечности t при температуре испытаний Т, называют пределом длительной прочности s_t^Т.

Лабораторная работа включает в себя два варианта.

Вариант 1

Исследуется ползучесть полимеров при постоянной нагрузке (рис.3).

Рис. 3. Схема установки для испытаний при постоянной нагрузке P.

Материалом для образцов служит полиамидная смола (капрон). Испытания проводятся при различных нагрузках Р (3) на трех идентичных образцах (1) длиной L₀ , закрепляемых в захватах (2). Величины Р и время испытаний t определяются преподавателем. Абсолютное удлинение DL образца регистрируется в таблице или с помощью самописца (4). На основании полученных данных необходимо построить кривые зависимости деформации ползучести e от времени t.

Полученные результаты следует объяснить на основе физических представлений о природе ползучести полимеров.

Оборудование и материалы

1. Образцы из капронового волокна.

2. Установка для испытаний на ползучесть при постоянной нагрузке.

3. Самописец.

4. Штангенциркуль.

Порядок выполнения работы

1. Определить площадь поперечного сечения образца S₀(м²).

2. Закрепить испытуемый образец в захватах установки.

3. Нагрузить образец наименьшей из предлагаемых Р (Н), одновременно включив запись деформации.

4. Повторить испытания для остальных образцов при других Р.

5. Вычислить величины нормальных напряжений, возникающих в образцах, по формуле s =Р/S₀(МПа).

6. Вычислить относительное удлинение образцов по формуле e = DL/L₀, где L₀= 50 мм - начальная длина образца; данные внести в таблицу.

7. Построить сводный график зависимости e = f(t) при различных s.

t, с	e
s1, МПа	s2, МПа	s3, МПа

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема испытаний (рис.3).

3. Расчетные формулы.

4. Таблица с данными.

5. Сводный график зависимости e = f (t) при разных s.

6. Краткий анализ полученных результатов.

Вариант 2

Исследуется долговечность предложенного поликристаллического материала при постоянных напряжениях s.

Рис. 4. Схема установки для испытаний при постоянном напряжении s

Испытания на долговечность проводятся на установке (рис. 4) для одинаковых образцов (1) при различных рекомендованных преподавателем напряжениях s. Верхний захват (2) присоединен гибкой связью к блоку постоянного радиуса r₀ (4), сопряженного с кулачком (3) переменного радиуса R, к которому приложена постоянная нагрузка Р₀(6). Регистрируется кривая ползучести e = f(t) и время до разрушения t. На основании полученных данных необходимо построить графическую зависимость долговечности t от напряжения s.

Полученные результаты следует объяснить на основе физических представлений о долговечности материалов.

Оборудование и материалы

1. Образцы поликристаллического материала.

2. Установка для испытаний на долговечность при постоянном напряжении s (рис. 4).

3. Штангенциркуль.

Порядок выполнения работы

1. Определить начальную площадь поперечного сечения образцов S₀мм2, а также начальное отношение R/r_0; вычислить нагрузки Р₀, вызывающие рекомендованные s, используя формулу:

s = (Р₀/S₀)·(R/r₀).

2. Закрепить испытуемый образец в захватах установки (рис. 4).

3. Приложить к образцу наименьшее из рассчитанных Р₀, одновременно начав отсчет времени.

4. Зафиксировать момент разрушения образца; данные внести в таблицу.

t, с	e
s1, МПа	s2, МПа	s3, МПа

5. Повторить испытания для других образцов при различных Р₀.

6. Построить график зависимости lg t = f (s).

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема испытаний (рис.4).

3. Расчетные формулы.

4. Таблица с данными.

5. График зависимости lg t = f (s).

6. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях возникает явление ползучести?

2. Каковы особенности ползучести кристаллических материалов и полимеров?

3. Какие факторы влияют на скорость ползучести и долговечность?

4. Каким образом на основе кривых ползучести материала можно построить зависимость его долговечности от напряжения?

5. В чем заключается разница испытаний на ползучесть при постоянном напряжении и постоянной нагрузке?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. XX, §2, гл. ХХVII, §2 (2,3).

2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл. 14.

3. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.