5.2. Испытания на ползучесть

Многие детали должны работать под нагрузкой в течение длитель­ного времени при определенной температуре. При этом происхо­дит медленная пластическая деформация металла под действием постоянной нагрузки, большей предела упругости при данной температуре, называемая ползучестью.

Р азличают ползучесть при высоких и низких температурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползучесть. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противо­положных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластиче­ской деформации и разупрочнение в результате нагрева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффузионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высоких температурах ползучесть происходит с помощью диффузионных процессов, то при низких температурах она осуществляется за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивирован­ную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.

Основными критериями жаро­прочности металлов являются предел длительной прочности и предел пол­зучести. Схема установки для испы­таний приведена на рис. 56. Образец помещается в электрическую печь, нагревается до заданной температу­ры, и к нему прикладывают опреде­ленную постоянную нагрузку. Воз­никающая в образце деформация из­меряется и по результатам испыта­ний серии образцов строят кривые длительной прочности и ползучести (рис. 57).

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое при­водит к разрушению образца при заданной температуре за определен­ное время, соответствующее услови­ям эксплуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ_τ^t, где индексы t и τ обозна­чают температуру и время испытаний: например σ₂₀₀⁷⁰⁰ = 300 МПа, означает, что длительная прочность металла при испытании в те­чение 200 ч при 700 °С составляет 300 МПа.

Кривая ползучести состоит из четырех участков (см. рис. 57). Участок О А соответствует упругой и пластической деформации, возникшим в момент приложения нагрузки. Затем идет участок АВ неустановившейся ползучести, где металл деформируется с не­равномерной скоростью, ВС - установившейся ползучести и СD - ускоренного разрушения, связанный с образованием шейки. Пре­делом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной, тем­пературе. Предел ползучести обозначают σ_δ/τ^t, где t - темпера­тура, δ - суммарное удлинение, τ - время; например σ_1/1000⁴⁰⁰ = 350 МПа означает, что предел ползучести металла при 1 %-ной деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400 °С состав­ляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч.

Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низ­ких температурах, предусматривают их длительную безаварий­ную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криоген­ных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энер­гии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значительному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких темпе­ратур эксплуатации, существенно усиливается опасность хруп -кого разрушения.

П ри низкотемпературных испытаниях ползучести необходи­мая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение пере­дается на образец через верхний или нижний захват испытатель­ной машины.