3.8. Влияние скорости деформации на механические характеристики материалов. Понятие о длительной прочности. Ползучесть, релаксация и старение

Статическая деформация предполагает медленное нарастание нагрузки. Если же нагрузку прикладывать быстро, в течение короткого промежутка времени, пластические деформации не успевают развиваться. Экспериментальное изучение свойств материалов при быстром приложении нагрузки дают основание утверждать, что скорость приложеня нагрузки существенно влияет на механические характеристики материала. На рис.3.10 приведены две диаграммы растяжения пластической стали Ст.3. Цифрой 1 обозначена диаграмма при статическом приложении нагрузки, цифрой 2 обозначенна диаграмма при очень быстром нагружении.

Из сравнения диаграмм видно, что свойства стали изменились: исчезла площадка текучести, увеличились предел упругости и прочности, диаграмма стала короче. Последнее говорит о том, что уменьшились характеристики пластичности. По своим свойствам сталь приблизилась к хрупким материалам.

Значительный интерес представляет влияние длительности действия нагрузок на различные материалы. При высокой температуре и длительного воздействия нагрузки наблюдается разрушения материала при напряжении, величина которого меньше предела прочности материала при данной температуре. В связи с этим возникает необходимость в определении длительной прочности материалов.

Пределом длительной прочности называется напряжение, вызывающее разрыв образца после заданного срока непрерывного действия этого напряжения при определенной температуре. Обозначается предел длительной прочности буквой с двумя числовыми индексами. Верхний индекс дает температуру испытания в, нижний – заданную продолжительность испытания до разрушения в часах. Например, предел длительной прочности за 2000 часов испытания при температуре 500⁰С.

Рис.3.10

Испытания на длительную прочность заключаются в том, что образцы подвергают различным напряжениям при определенной температуре и узнают время до их разрыва. По результатам испытаний строят кривую длительной прочности материала (Рис.3.11).

Рис.3.11

Кривая длительной прочности позволяет определить разрушающее напряжение по заданной продолжительности службы детали при данной температуре. И наооборот, по заданному напряжению можно определить время до разрушения. Например, деталь, изготовленная из материала, для которого имеется кривая длительной прочности (Рис.3.11), при напряжении МПа и температуреразрушится через 1990 часов.

Анализируя кривую длительной прочности, изображенную на рис.3.11, можно сделать вывод, что кривая длительной прочности характеризует степень уменьшения предела прочности в результате длительного приложения нагрузки к детали, например, к растянутому стержню. Напряжение представляет собой предел сопротивления мгновенным деформациям;  предел длительного сопротивления.

На рис.3.11 можно отметить три области:

 точкам, лежащим в области I, соответствуют напряжения, которые растянутый стержень не может воспринимать, так как ;

 точкам, лежащим в области II, соответствуют напряжения, которые стержень может воспринимать на протяжении некоторого отрезка времени, по истечении которого наступит разрушение;

 для точек, лежащих в области III, всегда соблюдается неравенство и поэтому разрушения не происходит.

Таким образом, кривая длительной прочности представляет собой геометрическое место точек, которым соответствуют напряжения, равные пределу прочности, меняющемуся в процессе длительного нагружения при заданной температуре.

Следует отметить, что относительное удлинение при разрыве становится меньшим с уменьшением разрушающего напряжения и с увеличинием времени до разрыва. Материал становится хрупким. Это явление называется охрупчиванием. Для большинства материалов охрупчивание происходит при высоких температурах. Для ряда метериалов, например, для пластмасс, охрупчивание может происходить при комнатных температурах.

При высоких температурах существенное значение имеет явление ползучести, заключающееся в медленном нарастании пластических деформаций при постоянной нагрузке, вызывающей вначале лишь упругие деформации. В зависимости от величины напряжения и температуры деформация, происходящая в результате ползучести, может либо прекратиться, либо продолжаться до разрушения материала.

На рис 3.12 изображена кривая ползучести, представляющая собой зависимость относительных деформаций образца от времени действия постоянной нагрузки.

Рис.3.12

Участок ОА соответствует быстрому нагружению образца. При этом в образце возникают упругие деформации . Далее на участке AD при постоянной нагрузке появляются и непрерывно растут пластические деформации. Тангенс угла наклона касательной к кривой ползучести в любой точке К равняется скорости ползучести в этой точке:

.

На кривой ползучести AD можно отметить три участка – три стадии ползучести: участок АВ соответствует стадии неустановившейся ползучести, при которой скорость ползучести постепенно уменьшается; участок ВС соответствует стадии установившейся ползучести, при которой скорость ползучести будет наименьшей и постоянной; участок СD соответствует стадии прогрессирующей ползучасти, стадии разрушения, при которой скорость ползучести вновь возрастает. Эта стадия заканчивается разрывом образца. Характер разрушения зависит от материала и температуры.

Углеродистая сталь (при температуре 550⁰С), медь и некоторые сплавы имеют пластический характер рахрушения с образованием шейки. Жаропрочные стали имеют хрупкий характер разрушения без образования шейки.

Для каждого материала существует определенная температура нагрева, выше которой возможно возникновение ползучести. Для углеродистых сталей эта температура равна 300-350⁰С, для легированных сталей 350-400⁰С, для легких сплавов 50-150⁰С. Для некоторых металлов (свинец, цинк, латунь, алюминий), для многих пластмасс (целлулоид, бакелит, винипласт), для дерева (при сжатии и изгибе) ползучесть возможна уже при комнатной температуре 20⁰С.

В машиностроении приходится считаться с явлением ползучести металлов. Например, паропроводные трубы при высоких температурах и давлениях непрерывно увеличивают свой диаметр и при некоторых условиях могут разорваться. Расчеты на ползучесть сводятся к удовлетворению условий, чтобы наибольшая деформация ползучести в течение срока службы рассчитываемой детали не превышала определенной величины. Если в некоторый момент времени металлический образец, находящийся в состоянии получести, разгрузить (Рис.3.13), то деформация уменьшится сразу на величину упругой деформации (орезок ), после чего будет медленно уменьшаться (отрезок) до некоторого предела. Последнее явление носит названиеобратной ползучести.

У пластмасс и полимеров скорость деформации ползучести очень велика, но при разгрузке обратная ползучесть приводит при к почти полному восстановлению первоначальных размеров.

В некотором интервале времени деформация от постоянной нагрузки при ползучести может быть выражена формулой

, (3.14)

где  деформация в момент нагружения;  деформация через часов.

Рис.3.13

Функция характеризует изменение деформации во времени и может быть описана некоторым эмпирическим уравнением. Например, для пластмасс, являющихся вязко-упругими материалами, эта функция принимается в виде:

. (3.15)

Коэффициенты инаходятся из опыта. Некоторые из них приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Материал
Полиамиды	0,047
Полиэтилен	0,040
Фенопласт	0,080

При высоких температурах и больших начальных напряжениях наблюдается еще одно явление в материалах, связанное с медленным падением напряжений с течением времени вследствие ползучести в нагруженной детали при неизменной ее полной деформации. Это явление получило название релаксации напряжений.

Сущность релаксации состоит в том, что упругая деформация частично переходит в пластическую, а полная деформация остается неизменной:

.

Для каждого материала температура и начальные напряжения, необходимые для проявления релаксации и ползучести, приблизительно одинаковы.

На рис.3.14 приведена кривая релаксации. Отрезок ОА на этой кривой соответствует быстрому нагружению образца, в результате чего возникают начальные напряжения. Далее на участке АВ при постоянной полной деформации напряжения падают до некоторой неизменной величины. Тангенс угла наклона касательной к кривой релаксации в любой точке равняется скорости релаксации в этой точке:

. (3.16)

Рис.3.14

В машиностроении приходиться считаться с явлением релаксации. Например, весьма плотные болтовые соединения котлов высокого давления при некоторых условиях могут постепенно ослабеть со временем и пропускать пар вследствие падения напряжений в стяжных болтах. Особенно опасна первая стадия релаксации, при котрой происходит наиболее значительное падение напряжений. Эта стадия для различных материалов в зависимости от температуры и начальных напряжений длится от нескольких часов до нескольких сотен часов. В пластмассах релаксация происходит очень быстро при комнатной температуре.

Еще одно явление, связанное с фактором времени, является характерным для многих материалов. Это явление называется старением. Под старением понимается самопроизвольное изменение прочностных и пластических свойств материалов со временем при неизменных внешних условиях и отсутствии нагрузки. Явление это объясняется внутренней нестабильностью материалов. Особенено характерно это для пластмасс, у которых вследствие глубинных окислительных процессов значительно ухудшаются как характеристики пластичности, так и характеристики прочности.