Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи эксперимента по изучению законов высоко-температурной деформации конструкционных материалов 26
1.1. Термодинамический подход к исследованию высокотемпературной деформации металлов и сплавов 26
1.2. Динамическая модель деформируемого тела 30
2. Экспериментальное исследование законов деформации промышленных алюминиевых сплавов в широких диапазонах температур и скоростей деформации 64
3. Термомеханические условия реализации эффекта сверх пластичности 170
3.1. Понятие о коэффициенте скоростной чувствительности 171
3.2. Способы определения коэффициента скоростной чувствительности 174
4. Синергетика и сверхпластичность 251
5. Математическое описание процессов высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов 277
6. Задача прессования круглого прутка с ::спсльзоБапист сверхпластичности 319
7. Разработка и опытное опробование высокоэффективных технологиче-ских процессов обработки давлением в режимах сверхпластичности 363
Выводы к главе 7 409
Заключение 412
Список литературы 416
Приложения 440
- Динамическая модель деформируемого тела
- Экспериментальное исследование законов деформации промышленных алюминиевых сплавов в широких диапазонах температур и скоростей деформации
- Способы определения коэффициента скоростной чувствительности
- Математическое описание процессов высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов
Введение к работе
Актуальность исследования. Язвенная болезнь является хроническим, рецидивирующим заболеванием с образованием в период обострения язв в желудке и двенадцатиперстной кишке, которое по распространенности, тяжести течения, осложнениям и смертности занимает главное место среди заболеваний желудочно-кишечного тракта [Чернин В.В., 2000; Циммерман Я.С., 2000; Freston J.W., 2000; Ohmann С, 2000]. Проблема эффективной терапии данной нозологии обсуждается и решается в медицинских кругах более ста лет. Нельзя не признать, что за прошедшие два десятилетия достигнут большой прогресс в лечении язвенной болезни, а точнее, в лечении хронических гастродуоденальных язв, в основном, за счет целенаправленного подавления активности микробного фактора [Ивашкин В.Т., Шептулин АА, 2001; Васильев Ю.В., 2002; Дубцова Е.А., 2002]. Однако в проблеме язвенной болезни и в настоящее время остается немало «белых пятен» - как в выявлении причин ее возникновения, так и в определении основных методов лечения, механизмов рецидивирования язв после успешно проведенного лечения. Более того, отмечается увеличение частоты осложненных форм на фоне общего роста заболеваемости, остаются неприемлемо высокими показатели летальности.
На сегодняшний день язвенная болезнь составляет порядка 36% среди патологий желудочно-кишечного тракта. Наибольшая частота ее встречаемости приходится на высокоразвитые страны. В России она регистрируется почти у
10% взрослого населения, а от последствий ее неадекватного лечения умирают около 6000 человек в год. В странах Западной Европы язвенной болезнью в течение жизни болеют 10-15% мужчин и 4-15% женщин [Kemppainen Н., 1998; Anand B.S., 1999; Яицкий НА. и др., 2002]. Чаще всего эта патология встречается у лиц молодого, работоспособного возраста (от 20-40 лет). Язвенная болезнь в детском и подростковом возрасте перестала считаться редким заболеванием и сегодня представляет серьезную проблему в педиатрии [Козлова И.П. и др., 2001; Дубцова Е.А., 2002]. Перечисленные факты свидетельствуют о социально-экономической значимости решения данной медицинской проблемы.
Рынок лекарственных препаратов с доказанной противоязвенной активностью на сегодняшний день превышает 500 наименований, при этом проблема эффективной терапии далека от своего разрешения [Рысс Е.С., Звартау Э.Э., 1998; Яицкий Н.А. и др., 2002]. Несмотря на использование достаточно активных профилактических мер и постоянно совершенствующихся методов лечения (их насчитывают более 1000), даже при комплексном применении высокоэффективных противоязвенных средств возникновение рецидивов наблюдается в 30-82%, осложненные формы язвенной болезни встречаются в 26-42% случаев, а у 15-25% больных существует проблема резистентности гастродуоденальных язв к самому современному терапевтическому воздействию [Рутгайзер Я.М., Михайлов А.Г,
1999; CalvetX., 2001; Васильев Ю.В. и др., 2002; Ивашкин В.Т. Шептулин А.А, 2002]. Кроме того, следует подчеркнуть, что почти у трети больных прием препаратов сопровождается проявлением того или иного побочного действия, развитием псевдомембранозного колита, кишечного дисбактериоза, у 5-10% населения имеется аллергия к антибиотикам. Прекращение приема селективных средств ведет к секреторной отдаче (синдром отмены, «рикошета»), что может
спровоцировать рецидив заболевания. Существует риск образования антител к Нг-гистаминоблокаторам в результате их длительного приема. Фармакогенная анацидность способствует бактериальной пролиферации и увеличивает уровень нитрозаминов, что может провоцировать канцерогенез. Необходимо отметить, что определенная часть проблем с желудочно-кишечным трактом носит функциональный характер, и ксенобиотики в данном случае не обладают должным эффектом.
Мощный стимул в связи с открытием новых факторов патогенеза получила концепция неоднородности язвенной болезни, которая в настоящее время включает клинические, морфологические и эндокринные аспекты. Для практического здравоохранения все эти аспекты являются очень важными, так как более рационально позволяют подойти к вопросам лечения. Сообразно с этими знаниями постоянно идет поиск средств патогенетического воздействия. Конечно, терапия язвенной болезни не может ограничиваться только антихеликобактерными схемами, какими бы совершенными они не были, лечение должно быть многокомпонентным с включением активных препаратов, воздействующих на «фактор хозяина» и восстановление трофических процессов в слизистых оболочках желудка и двенадцатиперстной кишки, обусловливающих выздоровление [Циммерман Я.С, Зинатуллин М.Р., 1997, 1999; Шептулин А.А., 1997; Yoshida N. et al, 2000; Yamamoto S. etal., 2001; Скобелева Т.В. и др., 2002].
В последние годы фармакологами предпринимаются определенные попытки в разработке комплексных лекарств с разноплановым действием для лечения хронических гастродуоденальных язв. Проблему системного воздействия на организм больного в виде монотерапии или как одного из составляющих комплекса лечебных мероприятий может решить фитотерапия [Соколов СЛ., 2000; Турищев С.Н., 2000, 2003; Белобородова Э.И. и др., 2001; Кошелев Ю.А., Агеева Л.Д., 2003; Вайс Р.Ф., Финтельманн Ф., 2004]. Клинические наблюдения за течением язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки при консервативном лечении, использующем разнообразные лекарственные растения в виде суммарных препаратов, отдельно действующих веществ или биологически активных групп, убедительно доказывают возможности фитотерапии [Радбиль О.С, 1991; Рысс Е.С., Звартау Э.Э., 1998; Виноградова ТА. и др., 2001; Пашинский В.Г. и др., 2003]. Несомненным преимуществом фитопрепаратов является широкий спектр их биологических эффектов, низкая токсичность или отсутствие таковой, мягкость действия, взаимозаменяемость растений. Средства растительного происхождения могут найти применение на начальных стадиях язвенной болезни, в период обострения - в качестве средств дополнительного лечения в сочетании с сильнодействующими веществами, а на этапе противорецидивной терапии уход от ксенобиотической нагрузки вполне может быть оправдан. Трудно переоценить значимость препаратов из растений в периоды ремиссий или стабилизации патологического процесса, когда они выступают в качестве поддерживающих, осуществляя профилактику обострений. С учетом эффективности, переносимости и экономичности фитотерапевтические препараты для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки являются не конкурирующими, а дополняющими современную фармакотерапию средствами.
В официнальной медицине реестр противоязвенных препаратов из растений, эффективность которых подтверждена экспериментальными и клиническими исследованиями, весьма ограничен [Машковский М.Д., 1986; Соколов С.Я., 2000; Вайс Р.Ф., Финтельманн Ф., 2004]. Данные народной медицины о гастро-защитной активности растительных источников дает экспериментаторам широкие возможности для создания новых лекарственных средств, еще не нашедших применения в практике лечения больных язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки. Исторически сложившиеся в народной и традиционной медицине подходы к лечению язвенной болезни желудка препаратами растительного происхождения для профилактики и увеличения межрецидивного периода нашли новый стимул за счет оригинальных технологий получения новых средств из растительного сырья.
В связи с вышесказанным, является актуальным поиск среди растений Сибири и Дальнего Востока и создание на их основе новых растительных препаратов для применения в терапии язвенной болезни, сочетающих противоязвенную активность с противовоспалительными, бактерицидными, обволакивающими, ан-тацидными, прокинетическими и другими свойствами. Расширение спектра подобного рода средств вызвано необходимостью индивидуализации, адекватности лечения больных с язвой желудка и двенадцатиперстной кишки с учетом поли-этиологичности основного заболевания и наличия сопутствующих патологий.
Цель исследования: поиск растений Сибири и Дальнего Востока, обладающих противоязвенным действием, изучение их специфических эффектов, вскрытие механизмов действия наиболее перспективных фитопрепаратов, обоснование возможности применения и определение точек терапевтического воздействия в лечении язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
Задачи исследования, поставленные в работе:
-
Провести скрининговые исследования растений Сибири и Дальнего Востока на модели нейрогенного повреждения слизистой желудка с целью определения среди них наиболее перспективных источников получения противоязвенных фитопрепаратов.
-
Изучить влияние профилактического введения наиболее активных фитопрепаратов на развитие «острого» язвенного дефекта слизистой оболочки желудка на модельных системах, отражающих основные этиопатогенетические факторы язвообразования: стресс (нейрогенная язва), поражение слизистой оболочки желудка в результате применения нестероидных противовоспалительных средств (ацетилсалициловое, индометациновое, бутадионовое повреждение), воздействие кислотно-пептического фактора (язва по Н. Shay, гистаминовое, резерпиновое, атофановое повреждение), прием алкоголя (этаноловое повреждение).
-
Оценить терапевтическую эффективность наиболее активных фитопрепаратов на модели хронического язвенного процесса (ацетатная язва) у крыс.
-
Выявить влияние наиболее перспективных фитопрепаратов из изученных растений на секреторную и экскреторную функции желудка животных при язвенной патологии и в норме.
-
Исследовать влияние фитопрепаратов на моторно-эвакуаторную функцию животных в норме и при язвенной патологии.
-
Изучить влияние фитопрепаратов на основные проявления язвенной болезни: воспаление и болевой синдром.
-
Разработать на основе выявленных фармакологических эффектов и механизмов действия новое лекарственное средство для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
Положения, выносимые на защиту:
1. Изучение гастрозащитной активности 22 экстрактов растений Сибири и
Дальнего Востока на модели нейрогенного повреждения слизистой желудка мы
шей позволило выделить две группы, отличающихся значимостью фармакологи
ческого эффекта:
выраженная противоязвенная активность (от 2 до 20 единиц) показана у экстрактов бадана тихоокеанского (корни), левзей сафлоровидной (корневище с корнями), лихниса хальцедонекого (трава, корни), облепихи крушиновидной (кора, побеги), подорожника большого и блошного (надземная часть), смолевки зе-леноцветковой (трава, корни), цикория обыкновенного (корень), леспедеци двуцветной (надземная часть), осины обыкновенной (кора);
высокое антиульцерогенное действие (более 20 единиц) выявлено у экстрактов бархата амурского (листья), ореха маньчжурского (листья), серпухи венценосной (трава), шлемника байкальского (трава), элеутерококка колючего (корни).
-
Основанием для выбора экстрактов осины обыкновенной, облепихи крушиновидной, шлемника байкальского и цикория обыкновенного для углубленного исследования противоязвенной активности явились результаты скрининговых исследований, возможности сырьевой базы и наличие разработанных лекарственных форм.
-
Значительное гастрозащитное действие экстрактов облепихи крушиновидной (побегов и коры - жидкого и сухого, коры — масляного и спиртового) выявлено при их профилактическом курсовом введении мышам и крысам с моделируемым «острым» язвенным поражением слизистой оболочки желудка различного генеза (нейрогенная язва, ацетилсалициловое повреждение). Экстракты облепихи крушиновидной побегов и коры (жидкий) и коры сухой значительно уменьшают восприятие болевых раздражений, вызванных внутрибрюшинным введением уксусной кислоты. Выявлено определяющее значение дубильных веществ в реализации антиульцерогенного действия экстракта побегов и коры облепихи жидкого.
-
Профилактическое курсовое введение мышам и крысам оригинальных комплексных экстрактов корней и травы шлемника байкальского оказывает выраженное гастропротективное действие на скрининговых моделях «острого» яз-вообразования (нейрогенного, ацетилсалицилового и индометацинового повреждения). В экспериментах на собаках с наложением фистулы по Басову экстракт травы шлемника байкальского снижает кислотопродукцию желудочного секрета (протеолитическая активность, активность Н*) и повышает резистентность гаст-родуоденальной слизистой (концентрация эндогенного аммиака и уровень фуко-зы). Выявлено выраженное обезболивающее действие сухого экстракта травы шлемника.
-
Экстракт корня цикория обладает выраженным противоязвенным действием на моделях нейрогенного, ацетилсалицилового, этанолового, индометаци-нового, атофанового, бутадиенового, по H.Shay повреждениях слизистой оболочки ЖКТ мышей и крыс, сопоставимым с аналогичными эффектами фамотидина, гастросидина, ранитидина. Профилактическое курсовое введение экстракта корня цикория крысам с перевязанным привратником по H.Shay приводит к снижению «агрессивных» составляющих желудочного секрета, что выражается в достоверном повышение рН желудочного сока, снижении концентрации ионов водорода, уменьшении дебит/час ионов водорода. В экспериментах на собаках с фистулой по Басову выявлена сезонная зависимость модулирующего влияния фитопрепарата на секреторную функцию желудка собак и выраженное протекторное действие (стимуляция слизеобразования). Экстракт корня цикория значительно снижает восприятие болевых раздражений, индуцированных внутрибрюшинным введением уксусной кислоты. Фитопрепарат обладает выраженным противовоспалительным действием: угнетает развитие агарового отека, задерживает развитие грануляционно-фиброзной ткани. Экстракт корня цикория ускоряет эвакуацию гастродуоденального содержимого как у здоровых, так и у крыс с нейрогенными язвами. В экспериментах на собаках подтверждено стимулирующее влияние экстракта корня цикория на моторную функцию желудка собак.
-
Установлено, что сухой экстракт осины обладает выраженными гастро-защитными свойствами как при профилактическом введении животным с «острыми» язвенными деструкциями (стрессовая, резерпиновая, ацетилсалициловая, атофановая, гистаминовая, по H.Shay), так и в случае лечения им хронического язвенного процесса (ацетатная язва). Механизм антиульцерогенного действия фитопрепарата обусловлен снижением кислотно-пептической «агрессии» (увеличение рН, уменьшение дебита соляной кислоты) и повышением защитных факторов (увеличение фукозы, эндогенного аммиака, стимуляция слизеобразования и сохранение морфоструктурной целостности желез и клеток, отвечающих за выработку бикарбонатов). Репаративные свойства экстракта коры осины проявляются в ускорении заживления хронического язвенного дефекта за счет усиления образования защитных компонентов (нейтральных и кислых ГАГ), более активного созревания грануляционной и формирования зрелой соединительной ткани. Экорсин проявляет выраженное анальгезирующее и антипролиферативное действие. Умеренное послабляющее действие фитопрепарата обусловлено физиологически оптимальной стимуляцией гладкой мускулатуры желудка и кишечника, как у здоровых животных, так и с язвенной патологией. Экорсин проявляет выраженное анальгезирующее и антипролиферативное действие. Сравнительная оценка фармакологического эффекта флавоноидов и фенологликозидов с комплексным экстрактом коры осины на моделях нейрогенного, резерпинового и атофанового повреждения слизистой оболочки желудка мышей и крыс показала, что данные биологически активные вещества определяют его антиульцерогенную активность.
7. Оригинальные комплексные экстракты осины обыкновенной, облепихи крушиновидной, шлемника байкальского и цикория обыкновенного из частей растений, раньше не представлявших практическую ценность, являются перспективной базой для создания на их основе новых фитопрепаратов для использова-
ния в комплексной терапии язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
Научная новизна.
Проведено скрининговое исследование экстрактов из растений Сибири и Дальнего Востока, в результате которого выделено две группы средств растительного происхождения, отличающихся выраженностью фармакологического эффекта, и проведен анализ их гастрозащитной активности в зависимости от химического состава. Впервые обнаружена противоязвенная активность у 15 из 22 изученных растений. Проведено комплексное исследование перспективных экстрактов из изученных растений на моделях экспериментального ульцерогенеза, отражающих основные этиопатогенетические факторы развития язвенной болезни. Показана принципиальная возможность воздействия фитопрепаратами на отдельные звенья патогенеза язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, что позволяет обосновать профилактическую, терапевтическую и проти-ворецидивную эффективность растительных средств. Установлено, что фитопрепараты физиологически оптимально активизируют моторно-эвакуаторную функцию желудочно-кишечного тракта, оказывают противовоспалительное и анальге-зирующее действие. Проведены исследования, позволяющие связать выявленные эффекты с фармакологической активностью входящих в состав препаратов действующих веществ.
Практическое значение работы.
Полученные данные позволили определить наиболее перспективные растения Сибири и Дальнего Востока для разработки на их основе новых эффективных противоязвенных препаратов. Проведенные исследования по изучению возможности применения различных частей растений Сибири и Дальнего Востока, ранее не представлявших практическую значимость в качестве источников получения фитопрепаратов для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, показали высокую эффективность на моделях экспериментального ульцерогенеза. Продемонстрированные возможности фармакологической коррекции средствами растительного происхождения как ацидопептического фактора желудочного секрета, так и резистентности гастродуоденальной слизистой желудка и двенадцатиперстной кишки необходимо учитывать при их назначении для терапии и профилактики рецидивов данной патологии. Результаты проведенного исследования позволяют рекомендовать использование средств растительного происхождения для профилактики обострений и в качестве средств дополнительной терапии в комплексном лечении язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, острых и симптоматических язв.
Полученные результаты послужили основанием для разработки нового противоязвенного препарата «Экорсин» в качестве средства дополнительной терапии в комплексном лечении язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Приоритет полученных результатов, свидетельствующих о выраженных противоязвенных свойствах оригинального комплексного экстракта коры осины обыкновенной — «Экорсина», способы получения его лекарственной формы подтверждены 2 патентами РФ на изобретение. На основании проведенных доклинических исследований нового препарата из коры осины были представлены материалы в МЗ РФ, и получено разрешение на проведение клинических испытаний в качест-
ве противоязвенного средства. Экорсин успешно прошел клинические испытания на базе клиник НИИ фармакологии и Алтайского государственного медицинского университета и в настоящее время находится на стадии регистрации в МЗ и СРРФ.
Апробация диссертации. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Актуальные вопросы гастроэнтерологии» (Томск, 1996, 1998, 1999); на I Всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведению (Санкт-Петербург, 1996); на итоговых научных конференциях в НИИ фармакологии ТНЦ СО РАМН «Актуальные проблемы фармакологии и поиска новых лекарственных препаратов» (1992, 1994, 2002, 2004), «Актуальные проблемы экспериментальной и клинической фармакологии» (2001, 2002); на V, VII и IX Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 1998, 2000, 2002); на конференции «Актуальные проблемы фармации» (Барнаул, 1995); на научной конференции «Актуальные проблемы фармакологии» (Барнаул, 2003).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 19 - в центральных журналах, 1 монография, получено 2 патента Российской Федерации на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 354 страницах машинописного текста, иллюстрированы 6 рисунками, 64 таблицами и состоит из введения, 4 глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 486 источников, из них 383 отечественных и 103 зарубежных.
Динамическая модель деформируемого тела
Рассмотрим, следуя [59], феноменологическую модель тела, в котором имеют место термомеханические и структурообразовательные процессы, а диссипация энергии связывается с изменениями внутренней структуры, обусловленными необратимыми деформациями. Под точкой, как обычно, понимается точкя пппгггпяшггт»а, а под частицей - материальная частица X сплошной среды. Далее будем придерживаться материального (лагранжева) подхода для слежения за движением каждой материальной частицы и происходящими при этом изменениями параметров, характеризующих состояние локальной термодинамической системы. Рассмотрим тело, способное неупруго деформироваться и обладающее теплопроводностью. Отнесем указанное тело к декартовой системе координат. Считается, что в теле при определенных условиях происходят структурные изменения и эффекты переноса зарядов определенного типа. Программа внешних термодинамических воздействий на тело в течение времени деформирования t є ] 10, t е [ считается известной.
К моменту времени начала деформирования t „ состояние тела вполне определено. Сложные процессы в теле - механические, термические, изменение структуры - взаимосвязаны и характеризуют соразмерные состояния, которые совместно определяют внутреннее состояние среды. Каждое состояние в зависимости от вида термодинамических параметров, отвечающих типу воздействия на систему, может быть активным или реактивным.
Итак, пусть локальная термодинамическая система ( X, d М ) включает малую окрестность материальной точки X с массой d М . В указанной системе за время te]t0,tc[ реализуется локальный термодинамический процесс.
Под уравнениями состояния, как упоминалось выше, будем понимать соотношения, позволяющие вычислить напряжения как функции (функционалы) кинематических переменных и температуры. Определяющие соотношения должны математически сообразовываться с процессами деформирования и, естественно, следуя аксиоме Нолла [60, 65], должны удовлетворять трем основным принципам: детерминизма, локального действия и материальной объективности.
Принцип детерминизма (макроскопической определимости) утверждает, что напряженное состояние деформируемого тела определяется предисторией деформирования вплоть до рассматриваемого момента времени t є ] 10, t е [. Принцип детерминизма по существу обосновывает положение, в соответствии с которым между воздействиями на тело и реакциями на это воздействие существует однозначная функциональная зависимость, определяемая предисторией нагружения. Принцип детерминизма позволяет разделить механическую и термическую истории актуального состояния, причем предистория температурного поля может быть проигнорирована и рассматривается значение температуры данной материальной частицы в данный момент времени te]t0 te[.
Принцип локального действия исключает непосредственное влияние механического и термического дпижения частиц, находящихся па конечном расстоянии от элемента тела, на напряжение, тепловой поток и термодинамические параметры в указанном элементе тела (аналог принцип Сен-Венана в теории упругости). Данный принцип уже задействован при вводе локальной термодинамической системы (X,dM).
Принцип объективности (материальной независимости от системы отсчета) заключается в требовании индифферентности физических объектов и явлений, которая приводит к независимости определяющих уравнений от жестких поворота и вращения среды.
К сказанному добавим ограничения (принципы), которых будем придерживаться в дальнейших рассуждениях. 1. Принцип затухающей памяти утверждает, что влияние прошлых деформаций на текущее напряженное состояние тем слабее, чем больше разделяющий их промежуток времени. Значение принципа состоит в обоснованности рассмотрения эксперимента конечной длительности, в проведении которого предполагается, что любая деформация, осуществленная до начала эксперимента, оказывает пренебрежимо малое влияние на текущее напряжение. Такой эксперимент можно использовать для проверки предсказаний теории. 2. Тензорность определяющих соотношений. Известно, что уравнения термодинамики деформаций могут быть заданы в двух формах [74]. В первом случае в качестве основных термодинамических параметров принимают компоненты тензоров напряжений, деформаций (скоростей деформаций) и абсолютную температуру, во втором - инварианты указанных тензоров и температуру. Естественно, что тензорная и инвариантная формы записи уравнений термодинамики эквивалентны. Однако при инвариантной форме задания термодинамических параметров термодинамические функции теряют потенциальный характер. Последнее существенным образом отражается на структуре основных уравнений термодинамики деформаций. При тензорном виде реологические уравнения инвариантны к изменению системы хесрдккат наблюдатели.
Экспериментальное исследование законов деформации промышленных алюминиевых сплавов в широких диапазонах температур и скоростей деформации
Для проведения опытов над образцами при повышенных температурах и различных скоростях деформирования используется испытательная машина ZST 2/3, предназначенная для исследований высокотемпературной ползучести. Вид и схематическое устройство машины ZST 2/3 и регистрирующих приспособлений показаны соответственно на рис. 2.1 и 2.2. К шпинделю нижнего захвата 1 (рис.2.2) присоединена коробка скоростей 2 с электродвигателем 3, позволяющая осуществить в трубчатой печи 5 ступенчатое регулирование скорости перемещения нижнего захвата машины от 2 1 О 3 до 3 10 6м с 1. Для регистрации удлинения образца на станине машины закреплена упругая консольная балка 7 с тензорезисто-рами. При перемещении шпинделя нижнего захвата 1 консольный рычаг 8 прогибает балку 7. Сигнал с тензодатчиков поступает на тензометрический мост, питающийся от источников постоянного тока, и подается на вход одного из каналов графопостроителя Н306 (9). Для измерения осевого усилия служат упругий элемент 10 с тензорезисторами, мостиковая схема тензоусилителя 11 и второй канал графопостроителя 9.
При напружений испытуемого образца, осуществляемого с помощью коробки скоростей 2 и электродвигателя 3, вычерчивается диаграмма и координатах "нагрузка - абсолютная деформация". Испытаниям предшествовала тщательная тарировка регистрирующих устройств по нагрузке, по величине перемещения нижнего захвата (координаты по вертикали и горизонтали самописца Н306), установление скорости перемещения нижнего захвата машины (скорости деформирования). При сопоставлении абсолютной деформации, замеренной на образцах после испытаний и рассчитанных по полученным диаграммам, было установлено их хорошее соответствие - расхождение не превышало 5%. Температура, измеряемая двумя хромель-алюмелевыми термопарами 9 (рис.2.2), фиксируется вторичным прибором - многоточечным потенциометром КСП-4. Погрешность измерения температуры составляла ± ЗК. При достижении необходимой температурь! образцы помещаются в печь испытательной машины, выдерживаются в течении 20...30 мин, а затем подвергаются иагружепию. Поскольку нагруженис осуществляется и условиях высоких гомологических температур, упомянутая выдержка способствовала гомогенизации материала [ 111J. При испытаниях маталлов па растяжение в условиях повышенных температур ГОСТ 9651-94 предъявляет следующие требования к испытательным камерам (печам), образцам и термопарам: - предельные отклонения от установленной температуры испытания в точках замера по длине расчетной части образца без учета погрешностей измерения температуры, обусловленных термоэлектрическими преобразователями и вторичным прибором, не должны превышать ±5 К (при нагреве до 873К); + 7 К (873...1173К); ± SK (1173...1473К): - продолжительность нагрева образца до температуры испытания должна составлять не более одного часа, время выдержки от 20 до 30 минут; - число термопар две при рабочей длине образца 1 = 100 мм; при испытании образцов с начальной расчетной длиной 1 = 50 мм допускается устанавливать одну термопару. Более жесткие ограничения на предельные отклонения температуры в нагревательных печах устанавливают ГОСТ3248-Н1 и ГОСТ 10I45-HI, регламентирующие методы испытаний металлов на ползучесть и длительную прочность. Допустимое отклонение от установившейся заданной температуры должно составлять не более ± ЗК (при нагреве до 873К); ± 4К (873...973К).
Верхняя температурная граница испытаний алюминиевых сплавов не может превышать 935К. Градуировка используемых в эксперименте хромель- ал юмелевых термопар, изготовленных из стандартной проволоки диаметром 0,5 мм, проводилась в Кыргызском управлении Госстандарта. В диапазоне температур (673...773К) их погрешность не превышала ± ЗК. Регистрация температуры проводилась поверенным многоточечным потенциометром КСП-4 модификации 41.560.50.009, имеющим класс точности 0,85 и пределы измерений шкалы (273...1373К). Перед началом температурно-скоростных испытаний проводилось сопоставление показаний используемых термопар, а также проверка стабильности этих показаний во времени. С этой целью все пять хромел ь-ам ю-мелсвых термопар связывались в один пучок к опускались сверху в рабочий объем печи на глубину 150 мм (схема печи с соответствующими размерами отдельных участков приведены на рис.2.3). Затем температура в печи доводилась до уровней 673, 723, 773К и поддерживалась постоянной в течении одного часа. Через равные промежутки времени (5...6 минут) но потенциометру КСП-4 фиксировались показания каждой термопары. В проушины верхнего и нижнего захватов испытательной установки вместо штанг с рабочим образцом, показанных на рис.2.3, устанавливался длинный стержень диаметром 10 мм из алюминиевого сплава, к которому с помощью имеющихся на кожухе перед каждым отверстием печи упругих креплений подводились концы термопар. Благодаря такому способу крепления, рабочие концы термопар имели надежный контакт с поверхностью стержня. D9+C В качестве контрольной считалась вторая термопара, фиксирующая при дальнейших температурночжоростных испытаниях температуру it средней части образцов. При достижении по контрольной термопаре соответствующего уровня температуры она поддерживалась постоянной і! течении одного часа. По КС! 1-4 визуально, а также по записи пи диаграммной бумаге, через равные промежутки времени фиксировались показания всех термопар.
Способы определения коэффициента скоростной чувствительности
Итак, в качестве макрохарактеристики деформирования сверхпластичных материалов положен коэффициент скоростной чувствительности т. Не останавливаясь сейчас на критерии сверхпластичности по величине ТП, обсудим методы определения указанного коэффициента. При этом, главным образом, будем стираться на результаты, приведенные в [13,31]. Показатель т был принят в качестве параметра, характеризующего сверхпластичность, из-за реологической аналогии течения металлов с одной стороны и горячих полимеров, смол, стекол с другой [39]. Поэтому в [39] было введено представление о скоростной чувствительности как основе равномерного течения сверхпластичных сплавов. Интересно проанализировать способы определения коэффициента т. Укажем, что, как отмечено в [13], в основе всех методов лежит сравнение напряжений течения а минимум при двух скоростях деформаций. Строго говоря, формула (3.1) должна быть переписана так rflna m = ё е, (3.3) dim где є - степень деформации. Иногда подчеркивается, что должна иметь место для сравниваемых скоростей деформации еще и неизменность параметров структуры [131]. Коэффициент т определяют из опытов на растяжение. При этом процедура эксперимента графически представлена на рис. 3,2, взятом из [13], и основана на скачкообразном изменении скорости растяжения. Образец растягивается, а затем на участке пологого снижения нагрузки (установившееся течение) резко увеличивают скорость растяжения с v до V2- По достижении нового максимума усилия и начала установившегося течения вновь изменяют скорость в 2...2,5 раза, уменьшая или увеличивая ее [132,133].
В этом способе отсутствует экстраполяция, но точкам А и С (рис.3.2) соответствуют разные степени деформации, а значениям т, полученные при повышении и уменьшении скорости деформации, различны. Указанное различие существенно зависит от градиента скоростей. Добавим также, что при снижении скорости экстремальной точки не существует, а точка С есть начало линейного участка [134].
Следует отметить, что в [134] осуществлен сравнительный анализ данных вычисления ifl на примере образцов алюминиево - медной эвтектики при температуре 750К обоими изложенными методами. При этом применялось как ступенчатое увеличение, так и уменьшение нагрузки. При использовании зависимости (3.4) т соответственно равнялось 0,67 и 0,72; при вычислении т по формуле (3.5) получено 0,96 и 1,25. Причина такого расхождения, по мнению [31], заключается в том, что в ходе течения скорости уменьшаются со временем, а при установившихся значениях нагрузок напряжения все же возрастают.
При использовании зависимости (3.6) предлагается производить обратную экстраполяцию участков установившегося течения при скорости деформирования V2 к деформации (точки Е и Ef на рис.3.2), при которой была переключена скорость. Этот способ прост по геометрическим построениям и дает устойчивое значение т (±0.02) [14]. физический смысл метода, как утверждают авторы [134], не вполне ясен. Наклон кривой и уровень усилий на участке AD (рис.3.2) определяются, кроме всего, структурными изменениями, происходящими в момент переключения скорости (участок DFA ). Иными словами, точкам D и Е отвечают разные структуры.
Последний метод наиболее полно соответствует уравнению состояния (3.2), поскольку деформации в точках D и F практически одинаковы, т.е. приращение деформаций равно нулю. Следует отметить, что такой метод не противоречит строгому в механическом понимании подходу Харта [139]. Авторы метода исходили из понимания того, что известные способы измерения т связаны с растяжением образцов на несколько, а иногда на десятки процентов. Это приводило неизбежно к неучтенным изменениям микроструктуры. Поэтому величину т предлагается определять при малых степенях деформации образца (меньше 1%) путем ступенчатой перемены скоростей. Для алюминиево - медной эвтектики значение т = 0,42 оказалось значительно ниже установленных по другим вышеупоминающимся методикам [134].
Для избежания погрешностей при определении параметра скоростной чувствительности разработана специальная установка [140,141], на которой образцы растягиваются с помощью набора грузов и специального кулачкового устройства, обеспечивающего постоянство напряжений. Параметр т равен в этом случае т= Г/ , У, (3.8) Wb/Vi) где 01( G2 - величины груза до и после его изменения; v2, Vj соответствующие скорости деформирования. Здесь же [140,141] разработан способ определения величины W, основанный на фиксации изменения напряжений из-за уменьшения скорости деформаций в результате возрастания длины образца. Напряжение будет равно 7= (1+ є)"т, (3.9) где as - предел текучести при данной температуре, (1 + г)т = I / /0 -отношение текущей длины образца к первоначальной. Величина т в соответствии с (3.9) будет определяться в каждый момент времени углом наклона кривой зависимости и/ 0 - / / IQ . Значения т = 0, G=&S соответствуют идеально пластичному материалу (прямая, параллельная оси абсцисс); величина 180 m 1, с/ Ту = //4 (гипербола) отвечает идеально вязкому материалу. Между ними заключена область вязкопластичных материалов, для которых 0 т 1. Известен еще способ измерения величины т , отличный от методов скачкообразного изменения скорости деформирования. Образцы с высокой скоростью растягивались до некоторого напряжения, которое затем релаксирует при постоянной деформации. Коэффициент т при этом определялся так [31].
Оговоримся, что процедура определения пг имеет тенденцию к совершенствованию. Так, в [145] сделан обзор экспериментальных методов определения параметра скоростной чувствительности и, естественно, предложен новый способ. Последний основан на ползучести исследуемого сверхпластичного материала при вдавливании пггампа. При этом регистрируется глубина отпечатка штампа как функция времени. Согласно опытам, скорость движения штампа по истечении некоторого времени становится постоянной, при которой вычисляется ЇҐІ . Опыты проведены на эвтектиках типа Al - Zn - Mg при различных температурах. Обсуждаются достоинства предлагаемого метода сравнительно с известными.
Математическое описание процессов высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов
Процесс формулировки уравнений состояния может идти по трем направлениям . 1. физические теории, в основе построения которых лежат установленные микромеханизмы деформаций и взаимодействие между ними. В зависимости напряжений от степени, скорости деформаций и температуры входят микроструктурные характеристики материала. 2. Квазифизические теории, которые представляются в виде моделей сплошной среды с использованием физических (либо других) механизмов деформации. 3. феноменологические теории, в том числе реологического типа, строятся на адекватном отражении уравнениями состояния соответствующих экспериментальных данных, функции и материальные константы, входящие в указанные уравнения определяются из экспериментов, проведенных при простых нагружениях. В дальнейшем полученные результаты некоторым образом обобщаются для необходимой гаммы напряженных состояний. Первое направление в модельных построениях развито достаточно широко [37,129,229,230]. Из последних теорий можно обратить внимание на соотношения, предложенные в [218,231,232,233]. Не останавливаясь подробно на обсуждении зависимостей физического толка, укажем, что их применение для расчета реальных процессов формоизменения весьма ограничено.
Из моделей квазифизического типа наибольший интерес представляют уравнения состояния с учетом микрорастрескивания материала [221,234,235,236,237]. Действительные макронапряжения зависят [234] от плотности микротрещин, которые образуются в результате сброса дислокаций. С привлечением дислокационного механизма записаны уравнения связи, причем кинетические постоянные макропроцесса определяются из сравнения расчетных и экспериментальных данных по ползучести и сверхпластичности. Особенность модели состоит в том, что для ползучести и сверхпластичности предложены различные аналитические выражения, предусматривающие взаимный переход.
Серьезное несоответствие соотношений типа (5.1) любым опытным данным по сверхпластичности привели [12] к формулировке принципиально новой модели упруговязкопластической (EVP) среды. Построению указанной модели предшествовали такие соображения. 1. Наибольшее распространение получили уравнения состояния степенного типа (5Л) и их модификации (5.2)...(5.6). Единственной характеристикой, следящей за сверхпластичностью, при этом считается коэффициент скоростной чувствительности m , зависящий от температуры, состава и структуры деформируемого материала. В разделе 3.3 было показано, что параметр m и сверхпластичность взаимно не связаны. 2. Для решения граничных задач прикладной теории пластичности с использованием сверхпластичности необходимо иметь зависимость напряжений от скорости деформаций не только в интервалах сверхпластичности, но и в диапазонах ползучести и термопластичности. Иными словами, определяющие соотношения должны удовлетворять некоторым условиям перехода материала в сверхпластическое состояние. Феноменологические уравнения состояния и входящие в них параметры, как правило, не отражают физической сущности процесса. Поэтому подобные уравнения не допускают прогнозирования поведения материала в изменяющихся деформационных, температурных и, как следствие, структурных условиях. 3. Модели физического класса вообще применимы в ограниченных термомеханических условиях, пока неизменным остается считающийся превалирующим механизм. На основании прокомментированных соображений [12] делается вывод о целесообразности установления адекватности деформации поли кристаллических материалов в широких температурном 0 є(0.4 ... 1)05и скоростном диапазонах течению сложной упруговязко пластической среды с изменяющимися соотношениями упругого, вязкого и пластического элементов.
При формулировке модели EVP - среды принято совершенно логичное и принципиально новое решение - придать параметрам статус независимых от скорости деформации характеристик. Далее предполагается, что степень деформации и температура являются постоянными величинами, а структура материала считается независимой от скорости деформации. Последнее предположение является довольно сильным и, в принципе, не соответствует реальности, т.к. при температуре проявления эффекта интервал скоростей деформаций ограничен. Кроме того, принимается, что материал относится к категории вязкопластичных и зависимость 0 є схематически изображается характерной S-образной кривой.
В теории динамической сверхпластичности совершенно понятным и приемлемым оказывается использование термодинамического подхода. В частности, указанный подход применен для описания эффекта сверхпластичности, который имеет место в процессе полиморфных превращений [90,245]. Нельзя не остановиться на предложениях, учитывающих макроскопическую трактовку явления сверхпластичности как самоорганизующей диссипативной структуры [40,212,246]. При этом делается логичный вывод о пригодности для описания сверхпластичности математической теории катастроф [181].
