4.4.2. Наклеп. Понятие о ползучести материалов. Основные проявления ползучести

Наклепом называется явление повышения упругих свойств материалов при их предварительном пластическом деформировании.

Графическая иллюстрация явления наклепа представлена на рис. 4.11. При разгрузке образца (линия MN) и последующем нагружении (линия NM) предел пропорциональности стали увеличивается: . В действительности процесс «разгрузка-нагружение» осуществляется по петле гистерезиса и сопровождается затратами энергии (площадь заштрихованной фигуры – удельные затраты на внутреннее трение в материале). В практических расчетах этими потерями, как правило, пренебрегают, полагая, что процесс «разгрузка-нагружение» осуществляется по прямой, параллельной линии пропорциональности OA.

а) б)

Рис. 4.13

Явление деформирования предварительно нагруженных материалов во времени называется ползучестью.

Ползучесть свойственна древесине, бетону, кирпичу, материалам на основе полимеров, материалам оснований зда­ний, цветным металлам и др. Стали также обладают ползу­честью, особенно при повышенных температурах. Эффект пол­зу­чес­ти материалов, как правило, негативно сказывается на работе конструкций и сооружений (ослабление соединений, искривления элементов, ослабления сечений и т.д.). Су­щест­вуют, однако, и позитивные проявления ползучести (ис­чез­новение с течением времени нежелательных дополни­тельных напряжений в материалах, например, вследствие прокатки, холодной штамповки и гнутья; ослабление влияния кон­цен­тра­торов напряжений). Все перечисленные следствия ползучести связаны с двумя ее основными проявлениями – последействием и релаксацией.

Последействием называется рост необратимых деформаций во времени при постоянной нагрузке. В свою очередь, релаксацией называется уменьшение во времени напряжений в материале при неизменной деформации. Основные проявления ползучести можно исследовать в экспериментах при растяжении-сжатии (рис. 4.13).

В эксперименте, схема которого показана на рис. 4.13, а, исследуется явление последействия. Груз P центрально подвешивается к вертикальному стержню и создает в нем постоянную продольную силу. Изменение первоначальной длины стержня во времени складывается из начальной деформации и последующей деформации вследствие ползучести. В зависимости от величины P графики могут иметь вид 1 или 2 (рис. 4.14, а).

а) б)

Рис. 4.14

В случае 1 материал обладает ограниченной ползучестью и при заданном уровне напряжений не разрушается. В случае 2 участок неустановившейся ползучести AB сменяется участком установившейся ползучести BC, с хрупким разрушением в С. Участок СD добавляется при вязком разрушении материала с образованием «шейки». В эксперименте, схема которого показана на рис. 4.13, б, путем предварительного деформирования и последующего закрепления стержня в жестких опорах создается начальная продольная сила N. Варианты графиков снижения напряжений во времени (релаксации) представлены на рис. 4.14, б. Кривая 1 соответствует ограниченной ползучести вплоть до стабилизации напряжений; кривая 2 соответствует ползучести вплоть до полного исчезновения предварительных напряжений. Попутно можно заметить, что проведение эксперимента и построение кривых релаксации – задача технически более сложная, чем исследование последействия.

Основными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца за заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения образца.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.