9.Ползучесть. Разрыв при ползучести

9.1. ВВЕДЕНИЕ

Ползучестьв своей простейшей форме представляет собой посте­пенное накопление пластической деформации в образце или в дета­ли, находящихся под напряжением при повышенной температуре в течение некоторого периода времени. Разрушение вследствие ползучести происходит, когда накопленная пластическая деформация приводит к тому, что перемещения детали превосходят допустимые пределы.Разрыв при ползучести представляет собой развитие пол­зучести до такой степени, что нагруженный элемент действительно разделяется на две части. На рис. 22 показана разница между разрывом при кратковременной и длительной ползучести.

Деформации ползучести практически не имеют особого значе­ния до тех пор, пока эксплуатационная температура не достигает 35—70% температуры плавления по абсолютной шкале.

Одно из первых исследований ползучести было проведено фран­цузским инженером, обратившим внимание на изменение со вре­менем удлинения проволочных канатов, использовавшихся в под­весных мостах. Однако лишь после первой мировой войны ползу­честь стала действительно опасным видом разрушения. С этого времени разрушения вследствие ползучести начали наблюдаться во многих приложениях. На электростанциях, нефтеперерабаты­вающих заводах и химических предприятиях появились машины, несущие элементы которых эксплуатируются при температурах от 500 до 900°С. Для деталей энергетических уста­новок стала нормальной температура от 900 до 1200°С. На лопатки роторов газовых турбин одновременно с цент­робежными усилиями воздействуют температуры от 600 до 1200°С. Сопловые блоки и обтекатели ракет и космиче­ских кораблей подвергаются непродолжительному воздействию даже более высоких температур. Температура обшивки летательных аппаратов при скоростях, соответствующих 7М, по некоторым оцен­кам составляет около 3000°С, при этом деформации ползу­чести и выпучивание при ползучести влияют на аэродинамические и прочностные характеристики, а разрыв при кратковременной ползучести становится опасным видом разрушения.

Рис. 22. Иллюстрация ползучести и разрыва при ползучести (εс — деформация ползучести). 1 — разрыв при кратковременной ползучести; 2 — разрыв при дли­тельной ползучести; 3 — ускоренная ползучесть (стадия III); 4— установившая­ся ползучесть (стадия II); 5— неустановившаяся ползучесть (стадия I).

Важными последствиями процесса ползучести являются не только недопустимо большие перемещения, но также и разрыв вследствие ползучести, термическая релаксация, динамическая пол­зучесть при циклических нагружениях и циклических температур­ных воздействиях, ползучесть и разрыв в условиях многоосного напряженного состояния, накопление эффектов ползучести и сов­местное проявление эффектов ползучести и усталости. Все эти во­просы заслуживают пристального внимания.

Деформация ползучести и разрыв начинаются на границах зерен и проявляются в виде скольжения вдоль границ и разделения зерен. Таким образом, разрушение при ползучести является межкристал­лическим в противоположность, например, транскристаллическому разрушению в процессе усталости при комнатной температуре. Хотя ползучесть представляет собой явление пластического течения, в ре­зультате межкристаллического характера разрушения поверхность разрыва выглядит так же, как и при хрупком разрушении. Разрыв при ползучести происходит обычно без образования шейки и без каких-либо предупредительных эффектов.

Для сплавов, хорошо сопротивляющихся ползучести, обязатель­на металлургическая стабильность в процессе длительной выдержки при повышенных температурах. Увеличение времени выдержки при повышенных температурах действует как искусственное старение, и любое начальное улучшение свойств вследствие закалки может исчезнуть. Для хорошо сопротивляющихся ползучести сплавов важны также сопротивляемость окислению и воздействию других коррозионных сред. Больший размер зерен также может сказаться благоприятно, поскольку в этом случае протяженность границ зерен, т. е. мест, где в основном происходит процесс ползучести, меньше.

9.2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

Действительно надежные данные могут быть получены лишь с помощью проведе­ния испытаний на длительную ползучесть, при которых, насколько это возможно, воспроизводятся эксплуатационные нагрузки и тем­пературные условия. К сожалению, расчетчику невозможно долгие годы дожидаться получения необходимых данных для анализа раз­рушения при ползучести. Именно поэтому были разработаны неко­торые практически полезные методы приближенного описания пове­дения материалов при длительной ползучести по результатам ряда кратковременных испытаний.

Результаты испытаний на ползучесть графически могут быть представлены множеством разнообразных способов. Основными пе­ременными, характеризующими процесс ползучести, являются на­пряжение, деформация, время, температура и скорость деформации. Любые две из этих основных переменных могут быть взяты в качестве координат, остальные переменные при этом будут служить параметрами, значения которых на получаемой кривой не меняются. Наиболее распространенными методами использова­ния данных, полученных при кратковременной ползучести, для описания длительной ползучести являются метод экстраполяции, метод механического ускорения и метод термического ускорения. Эти три метода рассмотрены ниже. Следует, однако, отметить, что при применении любого метода испытаний в случае, если время ис­пытаний составляет менее 1 % ожидаемого срока эксплуатации, вряд ли можно рассчитывать на удовлетворительные результаты. В тех случаях, когда это возможно, желательно, чтобы время испы­таний составляло, по крайней мере, 10% ожидаемого срока эксплуа­тации.

Метод экстраполяции

В соответствии с методом экстраполяции испытания на ползучесть проводятся при нескольких различных значениях напряжения и при ожидаемых эксплуатационных температурах. Результаты ис­пытаний представляются графически в виде семейства кривых зави­симости деформации ползучести от времени для различных значе­ний напряжений при одной и той же постоянной температуре, как показано на рис. 23. Кривые вычерчиваются до значений времени, соответствующих продолжительности лабораторных испытаний, а затем экстраполируются до расчетного срока службы. Требования к конструкции определяют предельную расчетную деформацию, знание которой позволяет определить величину расчетного напря­жения (см. рисунок). Важно иметь в виду, что при такой экстрапо­ляции нельзя предсказать возможность разрыва при ползучести до истечения расчетного срока службы.

Метод механического ускорения

При применении механического ускорения в процессе на ползучесть уровни напряжений при лабораторных испытаниях значительно превышают ожидаемые расчетные напряжения, так что предельные расчетные деформации достигаются гораздо быст­рее, чем в реальных условиях. Данные, полученные при механиче­ском ускорении, вычерчиваются, как показано на рис. 24, в виде семейства кривых зависимости напряжения от времени для различ­ных значений деформации при одной и той же постоянной темпера­туре.

Как видно из рисунка, при этом методе может быть использо­вана кривая, соответствующая разрыву при кратковременной пол­зучести. Кривые для различных постоянных значений деформации вычерчиваются до значения времени, соответствующего продолжи­тельности лабораторных испытаний, а затем экстраполируются до расчетного срока службы. Точка, в которой кривая для предельной расчетной деформации достигает расчетного срока службы, опреде­ляет расчетное напряжение (см. рисунок).

Метод термического ускорения

Метод термического ускорения предполагает проведение лабора­торных испытаний при температурах, намного превышающих ожи­даемые эксплуатационные температуры. Как показано на рис. 4, результаты представляются графически в виде семейства кривых зависимости напряжения от времени для различных значений тем­пературы при одной и той же постоянной для всего семейства дефор­мации ползучести. Можно отметить, что при этом допустимо также использование данных о разрыве при кратковременной ползучести. Кривые вычерчиваются до значения времени, соответствующего продолжительности лабораторных испытаний, а затем экстраполи­руются до расчетного срока службы. Точка, в которой соответствую­щая расчетному значению температуры кривая достигает расчетного срока службы, определяет расчетное значение напряжения (см. ри­сунок).

Рис. 23. Иллюстрация метода экстраполяции результатов испытаний на ползу­честь (все данные соответствуют постоянной температуре). 1 — разрыв при кратко­временной ползучести; 2 — расчетное напряжение; S₁, . . ., S₅ — уровни напряже­ния. Точка А соответствует предельной расчетной деформации, В — продолжи­тельности испытания, С — расчетному сроку эксплуатации.

Рис. 24. Иллюстрация метода механического ускорения испытаний на ползу­честь (все данные соответствуют постоянной температуре). По оси ординат — уровень напряжения, Н/м2; δ1 — расчетная деформация, точка А соответствует расчетному напряжению, В — продолжительности испытания, С — расчетному сроку эксплуатации.

Рис. 25. Иллюстрация метода термического ускорения испытаний на ползу­честь (все данные соответствуют постоянной деформации). По оси ординат — уро­вень напряжения, Н/м2; θ4 — расчетная температура; точка А соответст­вует расчетному напряжению; В — продолжительности испытания; С — расчет­ному сроку эксплуатации,