2.8. Вплив швидкості деформації на механічні характеристики матеріалів. Поняття про тривалу міцність. Повзучість, релаксація і старіння

Статична деформація припускає повільне наростання навантаження. Якщо ж навантаження прикладати швидко, протягом короткого проміжку часу, пластичні деформації не встигають розвиватися. Експериментальне вивчення властивостей матеріалів при швидкому прикладенні навантаження дають підставу стверджувати, що швидкість прикладення навантаження суттєво впливає на механічні характеристики матеріалу. На рис.2.10 наведені дві діаграми розтягання пластичної сталі Ст.3. Цифрою 1 позначена діаграма при статичному прикладенні навантаження, цифрою 2 позначенна діаграма при дуже швидкому навантаженні.

З порівняння діаграм видно, що властивості сталі змінилися: зникла ділянка текучості, збільшилися границі пружності і міцності, діаграма стала коротшою. Останнє говорить про те, що зменшилися характеристики пластичності. За своїми властивостями сталь наблизилася до крихких матеріалів.

Значний інтерес викликає вплив тривалості дії навантажень на різні матеріали. При високій температурі і тривалому впливі навантаження спостерігається руйнування матеріалу при напруженні, величина якого менша границі міцності матеріалу при даній температурі. У зв'язку з цим виникає необхідність у визначенні тривалої міцності матеріалів.

Рис.2.10

Границею тривалої міцності називається напруження, яке викликає розрив зразка після заданого терміну безперервної дії цього напруження при визначеній температурі. Позначається границя тривалої міцності буквою з двома числовими індексами. Верхній індекс дає температуру випробування в, нижній – задану тривалість випробування до руйнування у годинах. Наприклад, границя тривалої міцності за 2000 годин випробування при температурі 500⁰С.

Випробування на тривалу міцність полягає у тім, що зразки піддають різним напруженням при визначеній температурі і дізнаються час до їх розриву. За результатами випробувань будують криву тривалої міцності матеріалу (Рис.2.11).

Рис.2.11

Крива тривалої міцності дозволяє визначити руйнівне напруження за заданою тривалістю служби деталі при даній температурі. І навпаки, за заданим напруженням можна визначити час до руйнування. Наприклад, деталь, що виготовлена з матеріалу, для якого існує крива тривалої міцності (Рис.2.11), при напруженні МПа і температурізруйнується через 1990 годин.

Аналізуючи криву тривалої міцності, зображену на рис.2.11, можна зробити висновок, що крива тривалої міцності характеризує ступінь зменшення границі міцності в результаті тривалого прикладення навантаження до деталі, наприклад, до розтягнутого стержня. Напруження являє собою границю опору миттєвим деформаціям; границя тривалого опору.

На рис.2.11 можна визначити три області:

 точкам, що належать області I, відповідають напруження, що розтягнутий стержень не може сприймати, тому що ;

 точкам, що належать області II, відповідають напруження, які стержень може сприймати протягом деякого відрізка часу, після закінчення якого наступить руйнування;

 для точок, які належать області III, завжди дотримується нерівність і тому руйнування не відбувається.

Таким чином, крива тривалої міцності являє собою геометричне місце точок, яким відповідають напружеення, що дорівнюють границі міцності, яка змінюється в процесі тривалого навантаження при заданій температурі.

Слід зазначити, що відносне подовження при розриві стає меншим зі зменшенням руйнівного напруження і зі зростанням часу до розриву. Матеріал стає крихким. Це явище називається окрихченням. Для більшості матеріалів окрихчення відбувається при високих температурах. Для ряду метеріалів, наприклад, для пластмас, окрихчення може відбуватися при кімнатних температурах.

При високих температурах істотне значення має явище повзучості, що полягає в повільному наростанні пластичних деформацій при сталому навантаженні, що викликає спочатку лише пружні деформації. В залежності від величини напруження і температури деформація, що відбувається в результаті повзучості, може або припинитися, або продовжуватися до руйнування матеріалу.

На рис 2.12 зображена крива повзучості, що являє собою залежність відносних деформацій зразка від часу дії сталого навантаження.

Рис.2.12

Ділянка ОА відповідає швидкому навантаженню зразка. При цьому в зразку виникають пружні деформації . Далі на ділянці AD при сталому навантаженні з'являються і безупинно зростають пластичні деформації. Тангенс кута нахилу дотичної до кривої повзучості в будь-якій точці дорівнює швидкості повзучості в цій точці:

.

На кривій повзучості AD можна відзначити три ділянки – три стадії повзучості: ділянка АВ відповідає стадії несталої повзучості, при якій швидкість повзучості поступово зменшується; ділянка ВР відповідає стадії сталої повзучості, при якій швидкість повзучості буде найменшою і постійною; ділянка СD відповідає стадії прогресуючої повзучості, стадії руйнування, при якій швидкість повзучості знову зростає. Ця стадія закінчується розривом зразка. Характер руйнування залежить від матеріалу і температури.

Вуглецева сталь (при температурі 550⁰С), мідь і деякі сплави мають пластичний характер руйнування з утворенням шийки. Жароміцні сталі мають крихкий характер руйнування без утворення шийки.

Для кожного матеріалу існує визначена температура нагрівання, вище якої можливе виникнення повзучості. Для вуглецевих сталей ця температура дорівнює 300350⁰С, для легованих сталей 350400⁰С, для легких сплавів 50150⁰С. Для деяких металів (свинець, цинк, латунь, алюміній), для багатьох пластмас (целулоїд, бакеліт, вініпласт), для дерева (при стисканні і згинанні) повзучість можлива вже при кімнатній температурі 20⁰С.

У машинобудуванні доводиться враховувати явище повзучості металів. Наприклад, паропровідні труби при високих температурах і тисках безупинно збільшують свій діаметр і при деяких умовах можуть розірватися. Розрахунки на повзучість зводяться до задоволення умов, щоб найбільша деформація повзучості протягом терміну служби деталі не перевищувала визначеної величини. Якщо в деякий момент часу металевий зразок, що знаходиться в стані повзучості, розвантажити (Рис.2.13), то деформація зменшиться відразу на величину пружної деформації (відрізок ), після чого буде повільно зменшуватися (відрізок) до деякої межі. Останнє явище зветьсязворотною повзучістю.

У пластмас і полімерів швидкість деформації повзучості дуже велика, але при розвантаженні зворотна повзучість призводить при до майже повного відновлення первісних розмірів.

Рис.2.13

У деякому інтервалі часу деформація від сталого навантаження при повзучості може бути виражена формулою

, (2.14)

де  деформація в момент навантаження;  деформація через годин.

Функція характеризує зміну деформації в часі і може бути описана деяким емпіричним рівнянням. Наприклад, для пластмас, що є в’язко-пружними матеріалами, ця функція приймається у вигляді:

. (2.15)

Коефіцієнти ізнаходяться з досліду. Деякі з них наведені в таблиці2.5.