книги / Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов

С.А. Головин А.Пушкар Д. М. Левин

УПРУГИЕ И ДЕМПФИРУЮЩИЕ

СВОЙСТВА

конструкционных

металлических

материалов

Под редакцией С. А. Головииа

Москва

«Металлургия»

1987

УДК 539.32: 539.67: 534.282

Р е ц е н зе н т проф. Б. А. Колачее

УДК 539.32: 539.67: 534. 282 Упругие и демпфирующие свойстве конструкционных металлических материалов.

Г о л о в и н С. А., П у ш к а р А., Л е в и н Д. М. М.: Металлургия, 1987.190 с. Рассмотрены вопросы создания сплавов с заданным уровнем демпфирования,

обеспечения их жесткости и эксплуатационной надежности. Обсуждены механизмы, определяющие упругие и вибропоглощающие свойства черных и цветных сплавов, практические направления использования композиционных материалов в технике. Приведены данные об упругих и демпфирующих свойствах обширного круга металлов и сплавов в широком диапазоне рабочих амплитуд напряжений и темпе­ ратур. Уделено внимание возможностям использования упругих и неупругих явле­ ний при изучении процессов структурообразования и формирования свойств конструкционных материалов.

Книга предназначена для научных работников и специалистов металлургиче­ ских, машино- и приборостроительных предприятий, научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро. Ил. 86. Табл. 8. Библиогр. список: 174 назв.

©Издательство " Металлургия", 1987

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В утвержденных XXVII съездом КПСС Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года поставлена задача улучшить структуру и каче­ ство конструкционных материалов, исходя из задач создания новой прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направле­ ния в развитии экономики.

Упругие постоянные и модули упругости — важнейшие характеристи­ ки твердого тела. Они являются расчетными параметрами в аналитиче­ ском аппарате физической теории деформации и разрушения, базирую­ щейся на современных представлениях о структурных несовершенствах кристаллического строения в твердых телах. Модули упругости широко используют практически во всех инженерных расчетах деталей машин и сооружений и уравнениях механики твердого тела. Оценка технико­ экономических характеристик высокопрочных конструкционных мате­ риалов невозможна без обеспечения необходимой жесткости и пара­ метров надежности в связи с накоплением в материале упругой энергии.

Перспективным путем создания сплавов с высокой удельной проч­ ностью является одновременное повышение прочностных и упругих характеристик при сохранении апробированного современным опытом соотношения между ними. Обеспечение в конструкционных материалах заданного уровня внутреннего рассеяния энергии— другое направление повышения надежности работы изделий при циклическом, резонансном

иакустическом их нагружении. Увеличение жесткости конструкции с целью уменьшения амплитуды колебаний во многих случаях малоэф­ фективно, так как сопровождается недопустимым увеличением габари­ тов и массы конструкции. Среди механических характеристик конст­ рукционных металлических материалов, определяющих их эксплуата­ ционную пригодность, демпфирующая способность приобретает все большее значение в связи с ростом основных параметров современных машин (скоростей, температур, давлений), приводящих к интенсивной вибрации и возрастанию вредных шумов.

Проблема формирование упругих и демпфирующих свойств металлов

исплавов требует определенного переосмысливания в связи с теорией дефектов кристаллического строения. Традиционно инженер-механик считает модуль упругости (например, модуль Юнга) константой мате­ риала, мало структурно-чувствительной характеристикой. Это соответ­ ствует пониманию модуля упругости как коэффициента упрочнения (сопротивления материала упругой деформации) в законе Гука. Однако эти положения классической теории упругости не могут быть примени­ мы к реальным твердым телам. Область физического существования закона Гука в металлах крайне ограничена. Свойство реального твердого тела, благодаря которому деформация и напряжение не связаны одно­

4

значно в области, где еще нет пластической деформации, принято назы­ вать н е у п р у г о с т ь ю .

Проявление неупругости, или переход в упругопластическую область деформирования, совершается при весьма низких напряжениях, намного меньших предела текучести материала. Появление дополнительной де­ формации за счет любого механизма или источника (релаксация, дисло­ кационный, механический или магнитомеханический гистерезис и др.) приводит к структурной чувствительности измеряемых модулей упруго­ сти и к их нестабильности. Такие эффективные характеристики упруго­ сти отличаются от истинных. Внешние факторы (уровень действующих напряжений, температура, наложение магнитных полей, частота коле­ баний и т.п.) изменяют природу и механизм протекающих неупругих явлений и микропластичности, а следовательно, и значений упругих характеристик. Последнее должно быть учтено в расчетах высокоточных прецизионных элементов, работоспособность которых определяется на­ ряду с прочностью условием деформативности. Для любых условий внешнего воздействия между упругими свойствами и внутренним рассеянием энергии за цикл колебаний в металлах существует определен­ ная, физически обоснованная связь.

Настоящая монография является попыткой систематического изло­ жения и обобщения результатов, имеющихся в периодической литерату­ ре и полученных в лабораториях "Физика металлов и прочность" Туль­ ского политехнического института и ультразвука Института инженеров транспорта и связи (ЧССР), по упругим, неупругим и демпфирующим свойствам металлов и широкого круга конструкционных материалов. Рассмотрены вопросы формирования упругих характеристик в реальных металлических системах, влияние на них внешних и структурных факто­ ров. Дано описание различных механизмов неупругой релаксации и дем­ пфирования, приведены примеры их реализации при конструировании сплавов и композиций. Обсужденные в монографии вопросы еще далеки от полного их разрешения, хотя быстрый прогресс в понимании зако­ номерностей структурной чувствительности обсуждаемых характеристик конструкционных материалов очевиден. Основная направленность кни­ ги — показать глубокую взаимосвязь структурного состояния материала и характера его поведения при циклическом деформировании при раз­ личных уровнях напряжений. Этот подход может оказаться полезным для специалистов, занимающихся проблемами создания и использования конструкционных металлических материалов с заданными свойствами.

Предисловие, гл. IV написаны С. А. Головиным, гл. II — А. Пушкаром, гл. Ill — Д.М.Левиным, гл. I — авторами совместно. Авторы выражают глубокую признательность коллегам и сотрудникам, совместно с кото­ рыми выполнялись исследования, профессорам Б. А. Колачеву и М. Л. Бернштейну за советы, замечания и дискуссии по рукописи и про­ блеме формирования свойств конструкционных материалов.

5

Список условных обозначений

А— атомная масса

В — константа вязкости

b— вектор Бюргерса

С- концентрация твердого раствора

и— коэффициент объемной диффузии

Од - коэффициент диффузии по дислокации 5 — среднее значение размера зерна

Ов - средний размер включения

£— модуль нормальной упругости

G— модуль сдвига

Н— энтальпия активации объемной диффузии

К— модуль объемного сжатия

к— константа Больцмана

Р— гидростатическое давление

-внутреннее трение

—микропластическое внутреннее трение

Я— универсальная газовая постоянная

6

Г л а в а I. УПРУГИЕ СВОЙСТВА М ЕТА ЛЛО В

1. Физическая природа констант упругости

Упругий характер деформации металлов и сплавов определяется сопротивлением атомов кристаллической решетки взаимному удале­ нию, сближению и сдвигу. Значения констант упругости металлов и спла­ вов наряду с такими характеристиками, как теплоемкость, теплота суб­ лимации, температура плавления, характеристическая температура Дебая и т.п., служат источниками информации о характеристиках сил меж­ атомного взаимодействия, о характере и особенностях процессов упроч­ нения материалов, фазовых превращениях и т.п. Особое значение моду­ лям упругости придает то обстоятельство, что энергия дислокации— характеристика, используемая при описании любого теоретического ме­ ханизма дислокационной деформации,— измеряется в единицах Gb3.

Используемые на практике конструкционные металлические материа­ лы в большинстве своем являются поликристаллическими телами. Упру­ гие свойства каждого отдельного кристаллита анизотропны и зависят от кристаллографических направлений. Однако поликристаллический материал, состоящий из большого числа беспорядочно расположенных кристаллитов, в случае, когда изучается деформация областей, размеры которых значительно больше размеров отдельных кристаллитов, можно считать квазиизотропным. Исключение составляют поликристаллические материалы с текстурированной структурой (например, текстурой про­ катки или текстурой Госса в Fe — Si электротехнической стали). В этом случае появляется зависимость упругих свойств от угла между направле­ нием приложения внешних сил и направлением преимущественной кри­ сталлографической ориентации зерен.

Упругое поведение изотропного твердого тела характеризуется моду­ лями нормальной упругости £, сдвига G и объемного сжатия К. В упру­ гой области нагружения модули упругости Е, G и К являются коэффи­ циентами в элементарном законе Гука, устанавливающем линейную зависимость между напряжениями и деформациями.

Дополнительной характеристикой является коэффициент Пуассона, который характеризует изменение объема тела при упругой деформа­ ции: увеличение при растяжении и уменьшение при сжатии. При простом растяжении v определяется как отношение поперечного сжатия к про­ дольному растяжению твердого тела. У изотропного твердого тела упру­ гие характеристики связаны между собой соотношениями:

которые характеризуют простейшие случаи деформации твердого тела. Анализ большого количества данных о модулях упругости поликристаллических металлов и сплавов подтвердил существование пропор-

8

ционадьной связи типа (1) для материалов с плотноупакованными ре­ шетками. Фактические значения коэффициента Пуассона в значитель­ ной степени определяются типом упаковки атомов кристаллической решетки и для большинства металлов и сплавов находятся в пределах 0,20— 0,40. Связь между модулями нормальной упругости и сдвига (ХЛедбеттер) может быть также описана эмпирическим соотношением G ^ЗЕ/8, выполняющимся в большинстве металлических материалов с погрешностью не выше 10 — 12 %.

В табл. 1 обобщены значения модулей упругости поликристаллических металлов при комнатной температуре [ 1 — 5]. Там же представлены скорости распределения продольной и поперечной упругих волн в метал­ лах [1, 3], значений которых зависят от модулей упругости и плотности твердых тел. Продольные упругие волны в чистом виде могут образо­ ваться либо в звукопроводе, поперечные размеры которого намного пре­ вышают длину волны, либо в бесконечно тонком стержне. В продольных волнах, распространяющихся в звукопроводах, поперечные размеры ко­ торых много больше длины волны, скорость звука описывается урав­

частотная зависимость скорости волны. При обычно встречающихся значениях коэффициента Пуассона скорость распространения упругой волны в металле vt= (1,1 — 1,6) v).

Для более полного описания упругой деформации анизотропного кристалла под действием напряжений произвольного вида требуется использование закона Гука в обобщенной форме, включающей полную матрицу упругих коэффициентов материала. Количество независимых параметров, характеризующих упругие свойства монокристаллического

зависят от кристаллографического направления. Анизотропия упругих модулей кубических кристаллов характеризуется отношением значений упругих постоянных для напряжений, действующих в плоскости (100) в направлениях [011] и [010]. В изотропном материале фактор анизот-

9

Т а б л и ц а 1. Модули упругости поликристаллических чистых металлов при комнатной температуре

ропии равен 1. У металлов с кубической решеткой он изменяется от 0 1 для Li и Na до 2,38 для Nb и равен единице только в отдельных случаях (например, для W и сплава Mo— Re) [ 4].

10