3. Временные эффекты

Любой процесс обработки материалов давлением проходит во времени и конечный результат деформирования определяется скоростью процесса. В конечном итоге оказывается, что переходы из одной области в другую на схеме рис.5.2 являются следствием не только воздействия температуры, но и скорости изменения напряжения и деформации. Изменяя скорость нагружения или деформации можно существенно корректировать воздействие температуры на тело. Сама Т_Х – температура хрупко-пластического перехода не может быть константой материала, так как значение этого температурного порога зависит от скорости деформации. Например, широко известные хрупкие материалы, такие как вольфрам, твердые сплавы, керамика, мрамор могут пластически деформироваться при низких температурах в условиях сверхмалых скоростей нагружения.

Контроль за состоянием материала при горячей обработке давлением можно осуществлять визуально по цвету материала, используя шкалу температур и цвета. Например, для стали можно использовать следующую шкалу температур и цвета, таблица 5.1.

При закалке (нагретое состояние		При отпуске (холодное состояние)
Т, оС	цвет	Т, оС	цвет
405 480 530 535 576 580 746 800 843 900 940 1000 1080 1209 1400 1660	Красный, едва виден в темноте Светло-красный Темно-красный, виде на свету Красный, виден на солнечном свете Темновишневый Среднеспелая вишня Вишнево-красный Светловишневый Светло-красный Красный, средней яркости Ярко-красный Лимонно-желтый Светло-желтый Бело-желтый Ярко-белый Бело-голубой, ослепительный	220 230 240 245 250 255 260 265 276 282 287 293 305 315	Соломенный-желтый Среднеяркий соломенный Яркосоломенно-желтый Темносоломенно-желтый Темно-желтый Желто-бурый Буро-желтый Красно-бурый Пурпурный Ярко-пурпурный Ярко-голубой (слабый) Ярко-голубой (сильный) Глянцево-голубой Темно-голубой

Таблица 5.1 Таблица температур и цвета стали при термической обработке.

Явления, определяющие кинетику поведения материалов, это релаксация и ползучесть.

Релаксация – уменьшение напряжения во времени от начального, повышенного значения до некоторого устойчивого уровня, соответствующего равновесному состоянию материала при данной температуре. Процесс релаксации во времени описывается экспоненциальной зависимостью, график которой приведен на рис. 5.3

Рис.5.3 Графики релаксации при разных температурах.

₀ – исходное напряжение

₁; ₂; ₃ – равновесное напряжение при температуре соответственно Т₁; Т₂; Т₃.

Т₃ > Т₂ > Т₁

Величину напряжения _t в момент времени t можно, определить из выражения

где - время релаксации при температуре Т (определяет период времени в течении которого напряжение ₀ уменьшается в e – раз, e основание натурального логарифма.)

Ползучесть – самопроизвольное удлинение тела во времени под действием приложенной постоянной нагрузки. Кривая ползучести представляет собой зависимость деформации  от времени действия напряжения , рис.5.4.

₃

а) б) в

Рисунок 5.4. Графики ползучести: а) типичная кривая ползучести, б) кривые ползучести при разных напряжениях и в) при разных температурах.

Отметим, что определение предела прочности при кратковременном испытании является частным случаем испытания на ползучесть.

Действительно, если увеличивать напряжение до некоторого предела, то долговечность тела будет стремиться к нулю в соответствии с схемой на рис.5.4, а). Таким образом, при достижении предела прочности _В кривая ползучести будет включать участок мгновенной деформации, а продолжительность остальных трех стадий кривой ползучести хотя и будет малой величиной, однако не равной нулю, так как любому разрушению реальных твердых тел всегда предшествует накопленная деформация.

Характерной особенностью процесса ползучести твердых тел является постоянство скорости установившейся ползучести на стадии II рис.5.4, а). С ростом напряжения скорость установившейся ползучести увеличивается в соответствии с выражением

где А – температурно зависимый член, n – показатель степени.

Поэтому с ростом скорости деформации напряжение в теле возрастает и наоборот, с уменьшением скорости деформации напряжение в теле уменьшается. Скорость деформации влияет и на температуру хрупко-пластического перехода. Математическое выражение этой зависимости следующее:

На рисунке 5.5 изображены зависимости T_X от скорости деформации для некоторых тугоплавких металлов – W, Мо, Сr.

Рисунок 5.5. Зависимости температуры хрупкости от скорости деформации для тугоплавких металлов.

Так, для Мо, повышение на порядок приводит к увеличению Тх на 20-30⁰. Переход от статических испытаний ( ) к ударным ( ) повышает Тх на 200⁰.

Аналогичным образом скорость деформации влияет на температуру вязко-пластического перехода (или температуру рекристализации - Тр). Поэтому при определении областной горячей обработки и холодной обработки и установлении температурного порога между этими областями следует регламентировать скорость деформации, которая будет использоваться в конкретном технологическом процессе.

Вязкость.

Если твердое кристаллическое тело при деформации упрочняется, то жидкое тело нет. Когда же речь идет о твердом теле в различных условиях обработки – горячей или холодной, то неясно, почему выше температуры рекристаллизации Тр твердое тело не испытывает упрочнения.

Явление, при котором скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению, свойственно жидкостям, в которых энергия деформации рассеивается главным образом между молекулами. Такое поведение тела называется ньютоновское поведение, а тело называется ньютоновской жидкостью. Как мы видели, кристаллическое тело при деформации обязательно испытывает упрочнение, а твердое тело в области горячей обработки не испытывает упрочнения.

Следовательно, такое тело в области горячей обработки давлением теряет кристаллическую структуру и становится жидкостью – ньютоновской жидкостью.

Подробно эти эффекты описаны в специальной литературе по реологии.