Последействие и релаксация материалов

Если в некоторый момент времени > 0 производить разгруз­ку, то накопленная деформация ползучести начинает уменьшаться, асимптотически стремясь к некоторому пределу рис.18.4. 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 нагружения. 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.

Рис. 18.4 Рис. 18.5

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 (рис.18.5). 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.

Уравнение релаксации напряжений имеет вид:

или , (18.4)

где - упругая часть деформации, соответствующая напряжению ; - деформация ползучести, нарастающая во времени при снижающихся напряжениях. Таким образом, релаксация напряжений является частным случаем ползучести при изменяющемся напряжении.

Увеличение деформаций ползучести приводит к снижению упругой деформации, причем скорость снижения напряжений во времени зависит от скорости деформации ползучести

и . (18.5)

Результаты испытаний на релаксацию напряжений представляются в виде кривой релаксации напряжений в координатах (рис.18.5).

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.