Эффект Баушингера относится к свойству материалов, при котором характеристики напряжения/деформации материала изменяются в результате микроскопического распределения напряжений в материале. Например, увеличение предела текучести при растяжении происходит за счет предела текучести при сжатии . Эффект назван в честь немецкого инженера Иоганна Баушингера . [1]
В то время как более высокая холодная обработка на растяжение увеличивает предел текучести при растяжении, локальный начальный предел текучести при сжатии после холодной обработки на растяжение фактически снижается. Чем больше холодная обработка на растяжение, тем ниже предел текучести при сжатии .
Это общее явление, обнаруженное в большинстве поликристаллических металлов. На основе структуры холодной обработки обычно используются два типа механизмов для объяснения эффекта Баушингера:
Конечный результат заключается в том, что предел текучести при деформации в противоположном направлении меньше, чем он был бы, если бы деформация продолжалась в первоначальном направлении.
Эффект Баушингера в первую очередь объясняется взаимодействием между дислокациями и внутренними полями напряжений внутри материала. Первоначально, когда прикладывается внешнее напряжение, генерируются дислокации и пересекают кристаллическую решетку, создавая внутренние поля напряжений. Эти поля, в свою очередь, взаимодействуют с приложенным напряжением, что приводит к явлению, известному как упрочнение при обработке или деформационное упрочнение . С накоплением дислокаций предел текучести материала повышается, препятствуя дальнейшей пластической деформации . Когда напряжения прикладываются в обратном направлении, дислокациям теперь помогают обратные напряжения, которые ранее присутствовали на барьерах дислокаций, а также потому, что обратные напряжения на барьерах дислокаций сзади, вероятно, не будут сильными по сравнению с предыдущим случаем. Следовательно, дислокации легко скользят, что приводит к более низкому пределу текучести для пластической деформации для обратного направления нагрузки. [2] [3]
Эффект Баушингера, варьируется по величине в зависимости от таких факторов, как состав материала, кристаллическая структура и предварительная пластическая деформация . Материалы с более высокой плотностью дислокаций и большими внутренними полями напряжений, как правило, демонстрируют более очевидный эффект Баушингера. Кроме того, эффект Баушингера часто сопровождает другие явления, такие как постоянное размягчение и переходные эффекты. [3] [4]
Также существует значительный вклад остаточных напряжений/деформаций решетки в эффект Баушингера в материалах, что связано с анизотропией деформации. Во время циклов нагрузки-разгрузки дислокации не возвращаются в исходное положение после разгрузки, что оставляет остаточные деформации в решетке. Эти деформации взаимодействуют с напряжениями, приложенными в противоположном направлении, которые влияют на реакцию материалов на последующие циклы нагрузки-разгрузки. Наибольший наблюдаемый эффект - асимметрия пластической текучести, при которой материал будет течь при разных значениях в разных направлениях нагрузки. [1]
Существует три типа остаточных напряжений - тип I, тип II и тип III, которые способствуют эффекту Баушингера в поликристаллических материалах. Остаточные напряжения типа I возникают во время производства из-за температурных градиентов и обычно самоуравновешиваются на длине, сопоставимой с макроскопическим размером материала. Таким образом, они не вносят существенного вклада в эффект Баушингера [2]. Однако напряжения типа II уравновешиваются на масштабе размера зерна и, таким образом, вносят существенный вклад в эффект Баушингера. Они возникают из-за несовместимости деформации между соседними зернами из-за пластической и упругой анизотропии. Таким образом, они отвечают за изменение поведения текучести материала вдоль различных направлений, влияя на движение дислокаций вдоль этих по-разному ориентированных зерен [3]. С другой стороны, напряжения типа III возникают из-за несоответствия между мягким материалом матрицы и твердыми выделениями или стенками дислокационных ячеек (элементами микроструктуры). Они сохраняются на чрезвычайно коротких расстояниях, но существенно влияют на области, имеющие микроструктурную неоднородность. Примерами такого типа остаточных напряжений являются скопления дислокаций или концентрация напряжений на границах зерен [4], [5].
В целом, эти три типа остаточных напряжений влияют на такие свойства, как прочность, гибкость, усталость и долговечность. Таким образом, понимание механизма остаточных напряжений важно для смягчения влияния эффекта Баушингера.
Ссылки
[1] А. А. Мамун, Р. Дж. Моат, Дж. Келлехер и П. Дж. Бушар, «Происхождение эффекта Баушингера в поликристаллическом материале», Mater. наук. англ. А , том. 707, стр. 576–584, ноябрь 2017 г., doi: 10.1016/j.msea.2017.09.091.
[2] J. Hu, B. Chen, DJ Smith, PEJ Flewitt и ACF Cocks, «Об оценке эффекта Баушингера в аустенитной нержавеющей стали — роль многомасштабных остаточных напряжений», Int. J. Plast. , т. 84, стр. 203–223, сентябрь 2016 г., doi: 10.1016/j.ijplas.2016.05.009.
[3] Б. Чен и др. , «Роль напряжения несоответствия между зернами в эффекте Баушингера для поликристаллического материала», Acta Mater. , т. 85, стр. 229–242, февраль 2015 г., doi: 10.1016/j.actamat.2014.11.021.
[4] Дж. Х. Ким, Д. Ким, Ф. Барлат и М.-Г. Ли, «Подход на основе пластичности кристаллов для прогнозирования эффекта Баушингера в двухфазных сталях», Mater. Sci. Eng. A , т. 539, стр. 259–270, март 2012 г., doi: 10.1016/j.msea.2012.01.092.
[5] К.-С. Хан, Р. Х. Вагонер и Ф. Барлат, «Об упрочнении, вызванном осаждением, при пластичности кристаллов: теория», Int. J. Plast. , т. 20, № 3, стр. 477–494, март 2004 г., doi: 10.1016/S0749-6419(03)00098-6.
Операции формовки металла приводят к ситуациям, когда металлическая заготовка подвергается напряжениям обратного знака. Эффект Баушингера способствует размягчению заготовки, например, при правке тянутых прутков или прокатанных листов, когда ролики подвергают заготовку переменным изгибающим напряжениям, тем самым снижая предел текучести и обеспечивая большую холодную вытяжку заготовки. [1] [2]
Эффект Баушингера имеет применение в различных областях из-за его влияния на механическое поведение металлических материалов, подвергающихся циклическим нагрузкам . Он особенно актуален в приложениях, связанных с циклическими нагрузками или нагрузками с изменением направления напряжения, облегчая проектирование и оптимизацию инженерных конструкций .
Сейсмический анализ: сейсмостойкость и сейсмическое проектирование являются важнейшими аспектами геологической инженерии . Во время землетрясений структурные компоненты подвергаются воздействию переменного направления напряжения, при этом эффект Баушингера влияет на реакцию материала, рассеивание энергии и потенциальное накопление повреждений. Модель Джуффре-Менеготто-Пинто широко используется для точного прогнозирования сейсмических характеристик конструкций путем включения эффекта Баушингера. Эта модель вводит переходную кривую в зависимость напряжения от деформации, чтобы уловить как эффект Баушингера, так и поведение защемления, наблюдаемое в железобетонных конструкциях при циклической нагрузке. [5] [6]
Прогнозирование усталостной долговечности: Исследователи разработали методы и модели для включения эффекта Баушингера в методы прогнозирования усталостной долговечности, такие как подходы на основе деформационной долговечности и энергетической долговечности. Это играет ключевую роль в прогнозировании и проектировании усталостной долговечности машин, транспортных средств и инженерных сооружений. Четкое понимание эффекта Баушингера обеспечивает точные прогнозы, повышая надежность и безопасность компонентов, подвергающихся циклическим нагрузкам . [7] [8]
Подход «деформация-жизнь» коррелирует амплитуду пластической деформации с числом циклов до разрушения, в то время как подход на основе энергии рассматривает энергию пластической деформации как движущую силу накопления усталостных повреждений. Эти модели интегрируют эффект Баушингера, корректируя расчет энергии пластической деформации или вводя дополнительные энергетические термины для решения проблемы асимметрии в петлях гистерезиса, вызванной эффектом. [7] [8] [9] [10]
Авиакосмическая и автомобильная техника: В аэрокосмической технике материалы подвергаются повторяющимся циклам нагрузки во время полета, что приводит к усталости и деформации. Аналогично, в автомобильной промышленности транспортные средства выдерживают циклическую нагрузку из-за дорожных условий и эксплуатации. Понимание эффекта Баушингера имеет решающее значение для прогнозирования поведения материала в таких условиях и проектирования компонентов с улучшенной усталостной прочностью. Исследования в этой области сосредоточены на характеристике эффекта Баушингера в сплавах и разработке прогностических моделей для оценки усталостной долговечности, [11] гарантируя структурную целостность и надежность.
Формовка металла: Эффект Баушингера существенно влияет на поведение потока материала, распределение деформации и требуемые нагрузки формовки во время этих процессов. Следовательно, понимание эффекта Баушингера имеет важное значение для оптимизации процессов формовки, прогнозирования поведения материала. [12] [9]
Для смягчения влияния эффекта Баушингера и повышения эффективности металлических материалов было разработано несколько стратегий и методов, включая термическую и поверхностную обработку , использование композитных материалов и оптимизацию состава.
Обработка поверхности: этот метод направлен на смягчение эффекта Баушингера путем изменения поверхностных свойств металлических материалов. Обычные методы обработки включают создание защитного слоя или изменение микроструктуры поверхности с помощью таких процессов, как нанесение покрытий методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Эта обработка уменьшает эффект Баушингера в приповерхностных областях. Другим эффективным подходом является дробеструйная обработка, при которой высокоскоростные частицы воздействуют на поверхность материала, вызывая сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения противодействуют внутренним растягивающим напряжениям, связанным с эффектом Баушингера, чтобы уменьшить его воздействие. [13] [14]
Термическая обработка: Термическая обработка и термомеханическая обработка широко используются для смягчения эффекта Баушингера путем снятия остаточных напряжений и дислокационных структур внутри материала. Отжиг для снятия напряжений является распространенным подходом, при котором материал нагревается до определенной температуры и выдерживается в течение определенного времени, позволяя дислокациям перестраиваться и внутренним напряжениям рассеиваться. Этот процесс уменьшает эффект Баушингера путем минимизации внутренних полей напряжений и достижения более равномерного распределения дислокаций. [15]
Оптимизация состава и композитные материалы: Оптимизация состава материала является еще одним эффективным подходом к смягчению, поскольку определенные составы и микроструктуры демонстрируют сниженный эффект Баушингера. Материалы с высокой энергией дефекта упаковки , такие как алюминиевые сплавы и аустенитные нержавеющие стали, как правило, демонстрируют менее выраженный эффект Баушингера из-за их повышенной способности размещать дислокации. Кроме того, гибридные и композитные материалы предлагают потенциал смягчения. Металло-матричные композиты (MMC), например, состоят из металлической матрицы, армированной керамическими частицами или волокнами, которые могут уменьшить эффект Баушингера, ограничивая движение дислокаций в матрице. Более того, ламинированные или градиентные композитные структуры стратегически объединяют различные материалы для смягчения эффекта Баушингера в критических областях, сохраняя желаемые свойства в других местах. [16]
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )