Ползучесть.
Ползучесть (П) – это процесс накопления пластической деформации под действием постоянных нагрузок и температуры. Другими словами – это деформация материала под воздействием механического напряжения. В результате П материал теряет прочность и создаются благоприятные условия для его разрушения.
При испытаниях металлов на ползучесть ключевым критерием является определение предела ползучести – характеристики деформационных свойств материала, выражаемые через максимальное напряжение, при котором скорость деформации ползучести не превышает заданных величин. Если сказать проще – наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести не превышает значения, установленного ТУ.
Явление ползучести.
Деформация ползучести обусловлена движением атомов в материале. Под воздействием приложенной нагрузки направление оно вызывает деформацию материала. На движущийся поток атомов помимо нагрузки существенное влияние оказывает температура. Так, при высоких температурах ослабевает молекулярная связь между атомами и ползучесть во времени происходит быстрее.
Определение значения ползучести используется при прогнозировании ресурса эксплуатации, надежности конструкций и оборудования в целом в условиях воздействия длительной нагрузки и высоких температур. Особенно актуальными такие исследования являются в области самолетостроения, проектировании турбин, двигателестроении.
Для определения последствий ползучести используется график зависимости деформации материала от времени, или график ползучести.
Кривая ползучести зависит от типа материала, температуры и прилагаемого напряжения. Ее анализ позволяет определить ресурс изделия из предполагаемого материала, а при необходимости выбрать более соответствующий предъявляемым требованиям.
Так, например, при исследовании деформации ползучести меди и сплава Д16 (алюминиевый деформированный сплав повышенной прочности) были получены следующие результаты (см. табл. 1):
Таблица 1.
После аппроксимации полученных данных появляется возможность определения зависимости степенной ползучести материалов от напряжения (см. график 1, где: а – для меди, б – для сплава Д16):
График 1.
После обработки всех имеющихся данных, появляется возможность определения необходимых для расчетов конструкций характеристик ползучести материалов (см. табл. 2):
Таблица 2.
Полученные результаты позволяют построить кривую ползучести, которая станет отправной точкой при выборе материала при расчете его долговечности и способности выдерживать определенные нагрузки (см. график 2, где: 1 – сплав Д16, 2 – медь М1, Fp – точки предполагаемого разрушения).
График 2.
Для проверки правильности теоретических расчетов перед изготовлением деталей либо узлов конструкций производятся испытания материала на ползучесть.
Процесс испытаний.
Особенностью испытаний является их длительность. Минимальное время испытаний лежит в пределах 3-4 тыс. часов. Это отрицательно сказывается на себестоимости. Отсюда вытекает необходимость тщательной подготовки и проведения испытаний.
В качестве примера можно привести испытания лопаток авиационных газовых турбин. Время определения ползучести составляет до 10000 часов при температуре от 700 до 1100 °С.
Подготовка и проведение испытаний.
При стандартных испытаниях определяется предел ползучести материала (максимальное растягивающее напряжение, при котором деформация ползучести достигает заданной величины). Испытания проводятся на образцах с круглым или прямоугольным сечением рабочей части. Диаметр цилиндрического образца 10 мм, длина 200 мм. Плоский образец имеет ширину рабочей части 15 мм, длину 100 мм. Головки образцов для крепления в захватах испытательной машины резьбовые.
К образцам для испытаний предъявляются жесткие требования в плане отклонений на размеры и параметров шероховатости (см. табл. 3).
Таблица 3.
Образец, зафиксированный в захватах, нагревается до заданной температуры. При этом отклонения от заданного значения температуры не должно превышать:
После установившейся температуры к образцу плавно прикладывается заданная нагрузка. Одновременно с приложением нагрузки регистрируется удлинение образца. Время до разрушения образца при этой нагрузке является основным показателем испытания.
Дополнительно определяется относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ) образца. Их значения используются при определении предела длительной прочности.
Результаты испытаний оформляются протоколом:
Таблица 4.
Руководящим документом на проведение испытаний является ГОСТ 3248-81.