Эффект Баушингера
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 холодная обработка на растяжение увеличивает предел текучести при растяжении, локальный начальный предел текучести при сжатии после холодной обработки на растяжение фактически снижается. Чем больше растяжение при холодной обработке, тем ниже предел текучести при сжатии .
Это общее явление, наблюдаемое в большинстве поликристаллических металлов. В зависимости от структуры холодной обработки для объяснения эффекта Баушингера обычно используются два типа механизмов:
- В материале могут присутствовать локальные обратные напряжения, способствующие движению дислокаций в обратном направлении. Скопление дислокаций на границах зерен и петли Орована вокруг сильных выделений являются двумя основными источниками этих обратных напряжений.
- При изменении направления деформации на противоположное могут возникать дислокации противоположного знака из того же источника, который произвел дислокации, вызывающие скольжение, в начальном направлении. Дислокации с противоположными знаками могут притягивать и аннигилировать друг друга. Поскольку деформационное упрочнение связано с увеличением плотности дислокаций, уменьшение количества дислокаций снижает прочность.
Конечным результатом является то, что предел текучести при деформации в противоположном направлении меньше, чем он был бы, если бы деформация продолжалась в исходном направлении.
Механизм действия
[ редактировать ]Эффект Баушингера в первую очередь объясняется взаимодействием дислокаций и полей внутренних напряжений внутри материала. Первоначально при приложении внешнего напряжения дислокации генерируются и пересекают кристаллическую решетку, создавая внутренние поля напряжений. Эти поля, в свою очередь, взаимодействуют с приложенным напряжением, что приводит к явлению, известному как деформационное упрочнение или деформационное упрочнение . По мере накопления дислокаций предел текучести материала повышается, что препятствует дальнейшей пластической деформации . Когда напряжения прикладываются в обратном направлении, дислокациям теперь помогают обратные напряжения, которые ранее присутствовали на дислокационных барьерах, а также потому, что обратные напряжения на дислокационных барьерах сзади вряд ли будут сильными по сравнению с предыдущим случаем. . Следовательно, дислокации легко скользят, что приводит к снижению предела текучести при пластической деформации при обратном направлении 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 большим количеством внутренних полей напряжений имеют тенденцию проявлять более очевидный эффект Баушингера. Кроме того, эффект Баушингера часто сопровождает другие явления, такие как эффекты постоянного смягчения и переходные процессы. [ 3 ] [ 4 ]
Существует также значительный вклад остаточных напряжений/деформаций решетки в эффект Баушингера в материалах, который связан с анизотропией деформации. В циклах нагружения-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. Самый большой наблюдаемый эффект - это асимметрия пластической текучести, при которой материал будет текучесть с разными значениями в разных направлениях нагрузки. [1]
Существует три типа остаточных напряжений — I типа, II типа и III типа, которые способствуют эффекту Баушингера в поликристаллических материалах. Остаточные напряжения I типа возникают в процессе производства из-за температурных градиентов и обычно самоуравновешиваются на длине, сравнимой с макроскопическими размерами материала. Таким образом, они не вносят существенного вклада в эффект Баушингера [2]. Однако напряжения типа II уравновешиваются в масштабе размера зерна и, таким образом, вносят значительный вклад в эффект Баушингера. Они возникают в результате несовместимости напряжений между соседними зернами из-за пластической и упругой анизотропии. Таким образом, они ответственны за изменение текучести материала в разных направлениях, влияя на движение дислокаций вдоль этих по-разному ориентированных зерен [3]. Напротив, напряжения типа III возникают из-за несоответствия мягкого материала матрицы и твердых выделений или стенок дислокационных ячеек (микроструктурных элементов). Они действуют на чрезвычайно короткие расстояния, но существенно затрагивают участки, имеющие микроструктурную неоднородность. Скопления дислокаций или концентрация напряжений на границах зерен являются примерами такого типа остаточных напряжений [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] Дж. Ху, Б. Чен, Д. Д. Смит, П. Дж. Флюитт и А. К. Кокс, «Об оценке эффекта Баушингера в аустенитной нержавеющей стали — роль многомасштабных остаточных напряжений», Int. Ж. Пласт. , том. 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. , том. 85, стр. 229–242, февраль 2015 г., doi: 10.1016/j.actamat.2014.11.021.
[4] Дж. Х. Ким, Д. Ким, Ф. Барла и М.-Г. Ли, «Подход к пластичности кристаллов для прогнозирования эффекта Баушингера в двухфазных сталях», Mater. наук. англ. А , том. 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 кристаллов, вызванном преципитатами: теория», Int. Ж. Пласт. , том. 20, нет. 3, стр. 477–494, март 2004 г., doi: 10.1016/S0749-6419(03)00098-6.
Следствие эффекта Баушингера
[ редактировать ]Операции обработки металлов давлением приводят к ситуациям, когда металлическая заготовка подвергается напряжениям обратного знака. Эффект Баушингера способствует размягчению заготовки, например, при правке тянутых прутков или листового проката, когда ролики подвергают заготовку переменным изгибающим напряжениям, тем самым снижая предел текучести и обеспечивая большую способность заготовки к холодной вытяжке. [ 1 ] [ 2 ]
Подразумеваемое
[ редактировать ]Эффект Баушингера находит применение в различных областях благодаря своему значению для механического поведения металлических материалов, подвергающихся циклическому нагружению . Это особенно актуально в приложениях, связанных с циклическим нагружением или нагружением с изменением направления напряжения, что облегчает проектирование и оптимизацию инженерных конструкций .
Сейсмический анализ. Сейсмостойкое проектирование и сейсмическое проектирование являются важнейшими аспектами инженерной геологии . Во время землетрясений компоненты конструкции испытывают переменное направление напряжений, 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 сооружений за счет учета эффекта Баушингера. Эта модель вводит кривую перехода во взаимосвязи напряжение-деформация, чтобы учесть как эффект Баушингера, так и поведение сжатия, наблюдаемое в железобетонных конструкциях при циклическом нагружении. [ 5 ] [ 6 ]
Прогнозирование усталостного ресурса: исследователи разработали методы и модели для включения эффекта Баушингера в методы прогнозирования усталостного ресурса, такие как подходы, основанные на деформации и энергии. 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-срок службы» соотносит амплитуду пластической деформации с количеством циклов до разрушения, в то время как энергетический подход рассматривает энергию пластической деформации как движущую силу накопления усталостных повреждений. Эти модели интегрируют эффект Баушингера, корректируя расчет энергии пластической деформации или вводя дополнительные энергетические члены для устранения асимметрии в петлях гистерезиса, вызванной этим эффектом. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
Аэрокосмическая и автомобильная техника. В аэрокосмической технике материалы подвергаются повторяющимся циклам нагрузки во время полета, что приводит к усталости и деформации. Аналогичным образом, в автомобильной промышленности транспортные средства подвергаются циклическим нагрузкам из-за дорожных условий и эксплуатации. Понимание эффекта Баушингера имеет решающее значение для прогнозирования поведения материала в таких условиях и разработки компонентов с улучшенной усталостной стойкостью. Исследования в этой области сосредоточены на характеристике эффекта Баушингера в сплавах и разработке прогнозирующих моделей для оценки усталостной долговечности. [ 11 ] обеспечение целостности и надежности конструкции.
Формовка металлов: эффект Баушингера существенно влияет на текучесть материала, распределение деформации и необходимые формовочные нагрузки во время этих процессов. Следовательно, понимание эффекта Баушингера важно для оптимизации процессов формования и прогнозирования поведения материала. [ 12 ] [ 9 ]
Смягчение эффекта Баушингера
[ редактировать ]Чтобы смягчить влияние эффекта Баушингера и повысить характеристики металлических материалов, было разработано несколько стратегий и методов, включая термическую и поверхностную обработку , использование композиционных материалов и оптимизацию состава.
Обработка поверхности: этот метод направлен на смягчение эффекта Баушингера путем изменения свойств поверхности металлических материалов. Обычные методы лечения включают создание защитного слоя или изменение микроструктуры поверхности с помощью таких процессов, как физическое осаждение покрытий из паровой фазы (PVD). Такая обработка уменьшает эффект Баушингера в приповерхностных областях. Другим эффективным подходом является дробеструйная обработка, при которой частицы с высокой скоростью ударяются о поверхность материала, вызывая сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения противодействуют внутренним растягивающим напряжениям, связанным с эффектом Баушингера, и уменьшают его влияние. [ 13 ] [ 14 ]
Термическая обработка. Термическая обработка и термомеханическая обработка широко используются для смягчения эффекта Баушингера путем снятия остаточных напряжений и дислокационных структур внутри материала. для снятия напряжений Отжиг — это распространенный подход, при котором материал нагревается до определенной температуры и выдерживается в течение определенного времени, позволяя дислокациям перестроиться и рассеять внутренние напряжения. Этот процесс уменьшает эффект Баушингера за счет минимизации полей внутренних напряжений и достижения более равномерного распределения дислокаций. [ 15 ]
Оптимизация состава и композиционные материалы. Оптимизация состава материала является еще одним эффективным подходом к смягчению последствий, поскольку некоторые составы и микроструктуры демонстрируют снижение эффекта Баушингера. Материалы с высокой энергией дефекта упаковки , такие как алюминиевые сплавы и аустенитные нержавеющие стали, имеют тенденцию проявлять менее выраженный эффект Баушингера из-за их повышенной способности аккомодировать дислокации. Кроме того, гибридные и композитные материалы обладают потенциалом смягчения последствий. композиты с металлической матрицей Например, (ММК) состоят из металлической матрицы, армированной керамическими частицами или волокнами, что может уменьшить эффект Баушингера за счет ограничения движения дислокаций в матрице. Более того, ламинированные или градуированные композитные конструкции стратегически сочетают в себе различные материалы, чтобы смягчить эффект Баушингера в критических областях, сохраняя при этом желаемые свойства в других местах. [ 16 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Собоеджо, Воле О. (2003). «7.12 Скопления дислокаций и эффект Баушингера». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 .
- ^ Jump up to: а б Дитер, Джордж Э. (1988). Механическая металлургия . Книжная компания Макгроу Хилл. стр. 236, 237. ISBN. 0-07-084187-Х .
- ^ Jump up to: а б Ёсида, Фусахито; Уэмори, Такеши; Фудзивара, Кендзи (1 октября 2002 г.). «Упругопластическое поведение стальных листов при плоскостном циклическом растяжении-сжатии при больших деформациях» . Международный журнал пластичности . 18 (5): 633–659. дои : 10.1016/S0749-6419(01)00049-3 . ISSN 0749-6419 .
- ^ Чабош, JL (01 октября 2008 г.). «Обзор некоторых теорий, определяющих пластичность и вязкопластичность» . Международный журнал пластичности . Специальный выпуск в честь Жана-Луи Шабоша. 24 (10): 1642–1693. дои : 10.1016/j.ijplas.2008.03.009 . ISSN 0749-6419 .
- ^ Ибарра, Луис Ф.; Медина, Рикардо А.; Кравинклер, Хельмут (13 июня 2005 г.). «Гистерезисные модели, учитывающие ухудшение прочности и жесткости» . Сейсмическая инженерия и структурная динамика . 34 (12): 1489–1511. Бибкод : 2005EESD...34.1489I . дои : 10.1002/eqe.495 . ISSN 0098-8847 .
- ^ Нгуен, Ван Ту; Ву, Нгок Куанг; Нгуен, Суан Дай (2023). «Неупругое поведение железобетонных зданий при землетрясениях» . Серия конференций Американского института физики . Достижения в области экологически чистых строительных материалов. 2759 (1): 020056. Бибкод : 2023AIPC.2497b0056N . дои : 10.1063/5.0103457 . Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Леметр, Жан; Шабош, Жан-Луи (1990). Механика твердых материалов . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9781139167970 . ISBN 978-0-521-32853-1 .
- ^ Jump up to: а б Цзян, Ю.; Сехитоглу, Х. (1996). «Моделирование циклической храповой пластичности, Часть I: Разработка определяющего соотношения» . Журнал прикладной механики . 63 (3): 720–725. Бибкод : 1996JAM....63..720J . дои : 10.1115/1.2823355 . Проверено 10 мая 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Банабич, Дорел (2010). Процессы формовки листового металла . дои : 10.1007/978-3-540-88113-1 . ISBN 978-3-540-88112-4 .
- ^ Бучумяну, М.; Палагян, Л.; Миранда, А.С.; Сильва, Ф.С. (01 августа 2010 г.). «Прогнозы усталости, включая эффект Баушингера» . Международный журнал усталости . 33 (2): 145–152. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2010.07.012 . ISSN 0142-1123 .
- ^ Чжу, Сянхуэй; Ян, Сюшен; Хуан, Лю, Мофан; Ван, Синь, Мэнди (04 мая 2024 г.) «Моделирование эффекта Баушингера посредством обратимости скольжения дислокаций в сплаве Al – Cu – Li» . Материаловедение и инженерия: А 902 : 146574. doi : 10.1016/ . ISSN 0921-5093 j.msea.2024.146574
- ^ Цзян, Ю.; Сехитоглу, Х. (1996). «Моделирование циклической храповой пластичности, Часть I: Разработка определяющего соотношения» . Журнал прикладной механики . 63 (3): 720–725. Бибкод : 1996JAM....63..720J . дои : 10.1115/1.2823355 . Проверено 10 мая 2024 г.
- ^ Ли, Сонгбай; Лян, Вэй; Ян, Хунчжи; Ван, Юхан; Гу, Чу (01.06.2022). «Прогнозирование поведения распространения усталостных трещин AA2524 после лазерной дробеструйной обработки» . Инженерная механика разрушения . 268 : 108477. doi : 10.1016/j.engfracmech.2022.108477 . ISSN 0013-7944 .
- ^ Ракита, Милан; Ван, Мэн; Хан, Цинъю; Лю, Яньсюн; Инь, Фэй (2013). «Ультразвуковая дробеструйная обработка» . Международный журнал вычислительного материаловедения и поверхностной инженерии . 5 (3): 189. doi : 10.1504/IJCMSSE.2013.056948 . ISSN 1753-3465 .
- ^ Тоттен, Джордж (28 сентября 2006 г.). Термическая обработка стали: металлургия и технологии . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-8455-4 .
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ Сниткофф, Джошуа; Абдельфаттах, Тарик; Рассел, Ронни (26 сентября 2016 г.). «Устройство контроля притока со смещением потока повышает скорость закачки, сохраняя при этом желаемую устойчивость добычи» . День 1 понедельник, 26 сентября 2016 г. ОПЭ. дои : 10.2118/181492-мс .
 | Эта статья материаловедении незавершена . о Вы можете помочь Википедии, расширив ее . |