Испытание металлов на ползучесть
Цели работы. 1. Ознакомление с явлением ползучести материалов. 2. Изучение методики экспериментального исследования ползучести.
3. Получение характеристик ползучести.
Краткие теоретические сведения. Проявлением реологических свойств материалов является изменение во времени напряженно-деформируемого состояния. Непрерывную пластическую деформацию твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела, как кристаллические, так и аморфные, при температурах от криогенных до близких к температуре плавления. Деформация и скорость ползучести увеличиваются с возрастанием температуры, поэтому действие ползучести особенно появляется при повышенных температурах. Ползучесть материалов описывают кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянной температуре и приложенной нагрузки. Типичная кривая ползучести представлена на рис. 1.
Рис. 1
Участок аb кривой возникает при приложении нагрузки почти мгновенно (1 стадия). Его называют участком неустановившейся ползучести, который характеризуют постепенным уменьшением скорости возрастания деформации. На втором участке bс имеем установившуюся ползучесть с постоянной скоростью роста деформации (2 стадия). Третий участок сd отражает постепенное нарастание скорости деформации, которое объясняется накоплением микроскопических трещин, усиливающих процесс накопления остаточных деформаций металла. На четвертом участке de происходит быстрое слияние микротрещин и прогрессирующее разрушение образца.
Полная деформация
складывается из деформации в момент
приложения нагрузки
и деформации ползучести
:
= + .
Первую и вторую
стадии ползучести можно увидеть на
стальных образцах при нормальной
температуре при напряжениях, превышающих
предел упругости. Кривые ползучести
(рис. 2) в данной работе получают на одном
образце при различных напряжениях в
условиях нормальной температуры. С
ростом напряжения скорость деформации
установившейся ползучести
увеличивается (рис. 2).
Рис. 2 Рис. 3
Скорости установившейся ползучести в зависимости от уровня напряжений можно выразить степенной функцией
,
где
– коэффициенты, зависящие от температуры.
Логарифмируя данное выражение, получим
. (1)
Из выражения (1)
следует линейная зависимость между
логарифмами скорости установившейся
ползучести и напряжения. Располагая
серией кривых ползучести, можно установить
значения эмпирических коэффициентов
и
.
Для этого необходимо подсчитать скорости
деформации установившейся ползучести
при различных напряженях и изобразить
полученные результаты в виде точек в
логарифмических координатах
,
.
Экспериментальные точки аппроксимируют
прямой
по методу наименьших квадратов (рис.
3):
;
, (2)
где
– количество
экспериментальных точек;
;
;
;
.
Если кривые ползучести при одной и той же температуре и различных напряжениях подобны, то можно принять степенную зависимость между деформациями ползучести и напряжением:
.
Для определения
вида функции
необходимо ординаты кривой ползучести,
полученной путем испытания образца при
данном напряжении, разделить на величину
этого напряжения в
степени:
.
При этом для всех
уровней напряжений получится один и
тот же график функции
.
Испытательная машина, образцы и измерительные приборы.
Испытания на ползучесть проводятся на универсальной машине FPZ-100 (п. 1.2.1) в режимах поддержания постоянной нагрузки и постоянной деформации. Деформации измеряются индуктивным датчиком перемещений 2 (рис. 4) на базе образца 1.
Рис. 4
Машина имеет
аналоговый выход с силоизмерителя 3,
расположенного на поперечине 4, и датчика
перемещений 2. Эти сигналы преобразуются
в аналоговой вычислительной машине
МН-10 (5) в напряжение
и относительную деформацию
,
коэффициенты усиления
и
задают в зависимости от площади образца
и базы датчика. Сигналы, соответствующие
напряжению и деформации, поступают на
графопостроители Н306 (6), где ведется
запись
,
и на цифровой вольтметр Щ1413 (7).
Для испытания используют цилиндрический образец, выполненный по ГОСТ 1493-73.
Порядок выполнения лабораторной работы. Коэффициенты усиления в аналоговой машине МН-10 настраивают в соответствии с площадью рабочей части образца и базой датчика деформаций.
Диапазон между
разбивают на необходимое число ступеней
нагружения. Нагрузку, соответствующую
этим напряжениям, последовательно
задают в процессе испытания на пульте
машины. Испытательная машина FPZ-100
поддерживает постоянную во времени
заданную нагрузку. На графопостроителях
пишут: кривые ползучести в координатах
;
диаграммы
.
На самописце испытательной машины для
контроля ведут запись диаграммы
растяжения
.
Одновременно с цифрового вольтметра с
интервалом в одну минуту первые десять
минут, далее через пять минут записывают
величины деформации ползучести. После
того как кривая выходит на участок
установившейся ползучести, задают
следующий уровень нагрузки. Для каждого
уровня напряжений начальное время
.
В итоге имеем несколько кривых ползучести,
соответствующих разным уровням нагрузки.
Обработка
результатов опыта. По
значениям
и
строят зависимость (1), и по формулам (2)
находят коэффициенты
и
.
Далее строят функцию
(рис. 5).
Рис. 5
Контрольные вопросы
1. Опишите явление ползучести. От каких параметров зависит скорость ползучести?
2. Какие характерные участки кривой ползучести вы знаете? Опишите особенности участка установившейся ползучести.
3. Как изменится форма кривой ползучести при повышении напряжений?
4. Выпишете аналитическое выражение, определяющее рост деформации ползучести с течением времени.
5. Каким способом определяют показатель степени ? Каким образом уменьшают погрешность при его определении?
6. Какие величины измеряют при проведении испытания на ползучесть?
7. Опишите принципиальную схему испытательной установки. Какими методами производят измерение напряжений и деформаций?
8. В чем состоит метод наименьших квадратов и как его применяют при обработке данных в настоящей работе?
9. Какие погрешности исключают при многократном измерении физической величины? Какими причинами они могут быть вызваны?
10. Что определяют
в первую очередь – функцию
или показатель степени
?
Объясните почему.
Лабораторная работа № 8