Понятие ползучести

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие ползучести

ПОЛЗУЧЕСТЬ - крип (англ. creep), - медленное нарастание пластической деформации материала при силовых воздействиях меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений. Она свойственна практически всем конструкционным материалам. Для сталей и чугунов ползучесть существенна лишь при повышенной температуре (свыше 300 °С) и протекает тем интенсивнее, чем выше температура. Для металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий), для бетона, дерева, высокополимерных материалов (резина, каучук, пластмассы) ползучесть весьма заметна и при комнатных температурах. Ползучесть бетона существенно зависит от его возраста с момента изготовления: чем "моложе" бетон, тем она выше.

Явление ползучести было замечено несколько сот лет назад, однако систематические исследования ползучести металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу 20 в. и особенно к 40-м гг., когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с ползучестью дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Хотя явление ползучести было известно давно, экспериментально его исследовал одним из первых В.Вебер в 1835 г. в опытах по воздействию крутящего момента на кварцевые волокна. В них обнаружилось удивительное для неживой материи свойство хранить «память» о воздействиях, которые она испытывала в прошлом. Потребовались конструкционные материалы (жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что ползучесть может происходить только при повышенных температурах, однако она имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре -269 °С, а у железа - при -169 °С. Ползучесть наблюдают при растяжении, сжатии, кручении и др. видах нагрузки. В реальных условиях службы жаропрочного материала ползучесть происходит в весьма сложных условиях нагрузки или напряжения.

Известны четыре вида ползучести:

- неупругая обратимая ползучесть, которая считается неопасной для конструкций, т.к. она протекает при напряжениях сдвига ниже критических ();

- логарифмическая ползучесть протекает в области относительно низких температур;

- высокотемпературная ползучесть - которая протекает при (0,4...0,6), где - температура плавления материала;

- диффузионная ползучесть реализуется при очень высоких температурах порядка (0,8...0,9).

Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, или стадии: участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (I стадия), участок установившейся ползучести - деформации, идущей с постоянной скоростью (II стадия), участок ускоренной ползучести (III стадия). Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 0,4-0,8 температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа - так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях. Описанные кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов - металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и других твёрдых тел.

Структурный же механизм ползучести, т. е. элементарные процессы, приводящие к ползучести, зависит как от вида материала, так и от условий, в которых она происходит. Микроструктурные исследования различных материалов в процессе ползучести материалов выявили многообразные проявления дислокаций скольжения (прямолинейные, волнистые, поперечные следы скольжения, складки у стыков зёрен, полосы сброса). Установлено, что вблизи границ зёрен действует большее число систем скольжения, чем в их объёме. Вдоль границ зёрен возникают ступеньки, наблюдается миграция границ, в объёме зёрен образуются малоугловые субграницы, приводящие к фрагментации (полигонизации) исходных зёрен, увеличивается разориентировка между образовавшимися субзёрнами. Анализ наблюдаемых изменений микроструктуры показывает, что ползучесть кристаллических материалов является главным образом результатом дислокационной деформации. Термический возврат также связан с перераспределением и аннигиляцией дефектов кристаллического строения - линейных и точечных.

Стадия ползучести материалов оканчивается разрывом материала. Разрыв является лишь завершением процесса разрушения, который протекает на всём или почти всём протяжении высокотемпературной ползучесть материалов. Уже на первой стадии обнаруживается образование неоднородности материала, сопровождаемое уменьшением его плотности. На стадии II на границах зёрен выявляются поры и трещины, слияние которых друг с другом приводит к окончательному разрушению материала. Зародыши трещин и пор могут быть в материале до начала процесса ползучести либо образоваться в результате деформации. Рост пор осуществляется путём диффузии вакансий к ним, взаимного слияния пор и при несогласованности проскальзывания зёрен. Пути повышения сопротивления материалов такие же, как для повышения прочности при комнатных температуpax. Это - упрочнение растворимыми добавками и создание структуры, содержащей дисперсные частицы вторых фаз. Трудностью при создании материалов с высоким сопротивлением ползучести является не получение необходимой структуры и фазового состава материала, а их сохранение при высоких температуpax длительное время.

Физический механизм ползучести такой же, как и пластичности. Всё многообразие элементарных процессов пластической деформации, приводящих к ползучести, можно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций, и процессы вязкого течения. Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при температурах, близких к температурам плавления. При постоянных деформациях вследствие ползучести напряжения с течением времени падают, т. е. происходит релаксация напряжений. Высокое сопротивление ползучести является одним из факторов, определяющих жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление ползучести характеризуют пределом ползучести - напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В авиационном моторостроении принимают время, равное 100-200 часов, при конструировании стационарных паровых турбин - 100 000 часов.

Если в некоторый момент времени t> 0 производить разгрузку, то накопленная деформация ползучести начинает уменьшаться, асимптотически стремясь к некоторому пределу. Такое явление носит название обратной ползучести. Частным случаем обратной ползучести является рост необратимых и обратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействие. Для условий эксплуатации изделий в течение длительного времени под постоянными нагрузками необходимо учитывать явление упругого последействия, которое заключается в том, что упругие деформации продолжают некоторое время возрастать после завершения нагрузки. После разгрузки эта часть деформации исчезает не мгновенно, а постепенно, в течение некоторого времени. Деформации упругого последействия обычно невелики и проявляются, если деталь или образец нагружены до предела пропорциональности и длительное время находятся под этой нагрузкой. Чем однороднее материал, тем они меньше. Особенно ощутимы эти деформации в материалах органического происхождения, где с ними нельзя не считаться. Явление необратимого последействия проявляется, если деталь или образец нагружены до предела упругости, но ниже предела текучести.

Обратимся к другому случаю, характеризующему свойства материалов и тесно связанному с ползучестью. Если имеется образец и обеспечить постоянство деформаций во времени в образце, как показывают эксперименты, то во времени происходит снижение напряжений. Явления медленного уменьшения напряжений в образце при неизменной начальной деформации называется релаксацией. Она сопровождается переходом части упругих деформаций в пластические, поэтому соединения, выполненные с натягом, при длительной работе ослабевают. В металлических образцах при высоких температурах напряжение часто убывает до нуля. При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряжений во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болта, который создается вследствие его упругой деформации. С течением времени натяг болта (уровень деформации) будет ослабевать, т.к. часть упругой деформации будет переходить в пластическую. Испытания образцов на релаксацию напряжений проводят на тех же испытательных машинах и в тех же условиях, что и испытания образцов на ползучесть. Исключение заключается в том, что после приложения начальной полной нагрузки обеспечивается неизменность начальной деформации во времени. Это достигается путем периодического снижения нагрузки на образце по мере нарастания в нем деформации ползучести.

В технической литературе часто встречается термин «замедленное разрушение». Этим термином характеризуется длительное разрушение, наблюдаемое в условиях, близких к условиям заданной деформации, когда происходит релаксация напряжений, сопровождаемая затухающей ползучестью. Накопление повреждений и исчерпание пластичности в этих условиях может привести со временем к разрушению даже при снижающихся напряжениях.

Возникновение релаксации напряжений, упругого и необратимого последействия является отражением того факта, что при нагружении и разгрузке с конечной скоростью материал находится в термодинамически неравновесном состоянии, так как поступающая извне энергия не может мгновенно распределиться по всему объему в соответствии с принципом минимума суммарной энергии системы. Возникают местные очаги с повышенной энергией, перераспределение которой по объему образца требует определенного времени. При этом часть избыточной энергии остается зафиксированной в материале в необратимой форме в виде дислокаций и других несовершенств кристаллической решетки, а также переходит в поверхностную энергию образующихся микротрещин.

Иногда сопротивление ползучести характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость полной деформации складывается из скорости упругой деформации и скорости деформации ползучести (по В. М. Розенбергу) .Теория ползучести близко примыкает к пластичности теории, однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории ползучести нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения:

,

которая удовлетворительно описывает ползучесть при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно не линейный характер зависимости. Более полное описание ползучести даёт теория упрочения:

,

которая удобна для приближённого анализа кратковременной ползучести при высоком уровне напряжений. Теория упрочения правильно улавливает некоторые особенности ползучести при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями. В механике полимеров обычно пользуются теорией наследственности:

,

диффузионная ползучесть деформация материал

которое характеризует, в какой мере в момент времени t ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент времени t. Так как напряжение действует и в другие моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, эффекта обратной ползучести).

Размещено на Allbest.ru