1.2. Кратковременная ползучесть

При решении практических задач приходится иметь дело с изделиями, предназначенными для самых разнообразных длительностей службы. Узлы паровых турбин проектируются в расчете на длительность службы, измеряемую годами и даже десятками лет, а для элементов ракетных двигателей требуется гарантировать прочность при действии нагрузок и температур в течение нескольких минут или даже секунд. В первом случае нагрузки и температуры должны быть относительно невысоки, во втором можно допустить значительные нагрузки при высоких температурах. Поведение материала в этих случаях существенно отличается.

Области ползучести условно делят на три диапазона:

• Длительная ползучесть (месяцы, годы);

• Ползучесть средней длительности (часы, дни);

• Кратковременная ползучесть (секунды, минуты).

Часто длительную ползучесть и ползучесть средней длительности не различают, а кратковременной называют ползучесть, происходящую в таких условиях, когда за время, не превышающее 20-30 мин, накапливается деформация ползучести либо сравнимая по величине с мгновенной деформацией, либо превышающая ее. Приведенное определение по существу характеризует не столько длительность процесса, сколько рабочие диапазоны напряжений и температур, поскольку фиксация точных границ для деформации и времени службы затруднительна.

Рис.1.2.1

Отметим некоторые особенности кратковременной ползучести на примере на примере стали ЭП-22 при температуре 900 ᵒС при напряжении 30-40 кг/мм² (рис.1.2.1):

• Первый участок на кривой отсутствует и с самого начала ползучесть протекает с постоянной скоростью;

• При малых деформациях (порядка 1-2%) скорость ползучести зависит только от текущих значений напряжения и температуры и не зависит от предыстории;

• Анизотропия материала не играет существенно роли (при умеренных температурах и напряжениях скорость ползучести существенно зависит от текстуры материала);

• Разрушение образцов при кратковременной ползучести, как правило, происходит при постоянной величине равномерного удлинения, то есть не зависит от температуры и напряжения. Разрушению предшествует появление третьих участков на кривых ползучести. Разрушение не связано с изменением площади поперечного сечения и происходит вследствие развития трещин по границам зерен.

Отмеченные особенности протекания процесса кратковременной ползучести позволяют описывать ее следующим уравнением

, ,

где – это мгновенная упругопластическая деформация, определяемая диаграммой мгновенного растяжения. То же самое можно записать в скоростях, подставив в предыдущее выражение зависимости скоростей деформаций от напряжений

, .

Здесь – это скорость мгновенной упругопластической деформации, а – скорость деформации ползучести. Приведенные выше особенности кратковременной ползучести наблюдаются не у всех материалов. Медь и некоторые медные сплавы, например, при любых напряжениях и температурах обнаруживают участок неустановившейся ползучести.

Для практических расчетов скорость деформации ползучести скорость деформации ползучести нужно представить в некоторой аналитической форме. Неизбежный разброс экспериментальных данных делает приемлемыми различные аналитические аппроксимации закона ползучести, и при выборе той или иной аппроксимации можно руководствоваться соображениями удобства ее применения в расчетах.

Для описания кратковременной ползучести в большинстве случаев используют две зависимости: экспоненциальную и степенную (Нортон-Бейли). Экспоненциальная зависимость

,

где A и β – это константы материала при данной температуре, непригодна для малых напряжений, так как при напряжении скорость ползучести отлична от нуля. Правда, поскольку при расчетах на прочность область малых напряжений не представляет интереса, формулой можно пользоваться, принимая соответствующие меры к тому, чтобы избежать формальных противоречий в точках, где напряжение равно нулю. Степенная зависимость

,

где A и n – это константы материала при данной температуре, более популярна. Зависимость констант ползучести от температуры обычно задается графически или в виде таблиц.

Для кратковременной ползучести имеет большое значение точность определения мгновенных характеристик материала. Мгновенной кривой деформирования материала будем называть диаграмму, снятую с такой скорость, при которой влияние сопутствующей деформированию ползучести несущественно (не следует путать эту кривую с динамической кривой, получаемой при больших скоростях деформирования. Для построения мгновенной кривой деформирования рекомендуется следующая методика. Проводится серия испытаний на одноосное растяжение с постоянной скоростью изменения напряжения

.

Рис.1.2.2

На рис. 1.2.2 схематично показаны такие кривые для разных значений , причем . Рассмотрим одну из этих кривых, например, кривую, соответствующую скорости нагружения . Абсцисса AB некоторой точки B этой кривой к моменту, когда напряжение достигло величины σ, представляет собой полную деформацию , состоящую из мгновенной упругопластической деформации AC и деформации ползучести CB. Заметим, что эта ползучесть имеет место не при постоянном, а при переменном напряжении . Предположим теперь, что из независимых опытов на чистую ползучесть (то есть ползучесть при постоянном напряжении) найдено соотношение, определяющее скорость деформации ползучести. Проинтегрировав его при напряжении , получаем величину CB и, тем самым, находим положение точки C, принадлежащей мгновенной диаграмме деформирования. Например, при выборе закона Нортона-Бейли получим

.

Оказывается, что обрабатывая подобным образом кривые растяжения, снятые даже с сильно разнящимися скоростями нагружения (на 3–4 порядка), получим одну и ту же кривую мгновенного деформирования с точностью до разброса свойств материала образцов.

Очевидно, что чем больше скорость нагружения, тем меньше сказывается ползучесть и тем ближе опытная кривая к полученной путем пересчета кривой мгновенного деформирования. Если температура испытания не слишком высока, то кривая растяжения, снятая за 1-2 секунды ( кг/мм²·с), для многих материалов может быть принята за мгновенную кривую.