2.2. Испытания на ползучесть, длительную прочность и релаксацию.

Существуют испытания, не являющиеся динамическими, поскольку проходят при постоянном значении напряжении или деформации, однако учитывающие влияние времени на процессы, проходящие в материале – это испытания на ползучесть, длительную прочность и релаксацию.

Ползучестью называют явление нарастающих деформаций при длительном действии статических напряжений. Типичная кривая ползучести (рис. 2.2.1. а) состоит из трех участков: 1) неустановившаяся ползучесть (скорость убывает), 2) установившаяся ползучесть (скорость постоянна), 3) разупрочнение (скорость возрастает) – фактически этап развивающегося разрушения. Вид кривой зависит от материала, напряжения и температуры. Из таких испытаний определяется предел ползучести – напряжение, необходимое при заданно температуре для достижения заданной деформации за заданное время. Эта характеристика важна для формования деталей, для которых важна максимальная прочность при минимальном весе – например крыльевых панелей самолетов.

Рис. 2.2.1. Кривые ползучести и релаксации.

Испытания на длительную прочность отличаются от испытаний на ползучесть только определяемой характеристикой – пределом длительной прочности, который есть напряжение, приводящее при заданной температуре к разрушению образца за заданное время.

Релаксацией называют уменьшение напряжений в материале при постоянной температуре и деформации. Этот процесс вызван перераспределением дефектов кристаллической решетки с целью достижения минимума энергии. Типичный график релаксации имеет следующий вид (рис. 2.2.1. б). Релаксация, то есть изменение напряжения, описывается уравнением вида

, (2.10)

где – время, а , – экспериментальные константы. Ее значение полезно для определения остаточных напряжений в материале. К тому же увеличение релаксации говорит о возрастающей поврежденности материала.

2.3. Усталостные испытания.

Многие конструкции подвержены в процессе эксплуатации нагружению, периодически изменяющемуся со временем. Такие нагрузки приводят к постепенному накоплению повреждений в материале и могут привести в итоге к разрушению даже при нагрузках, значительно меньших предела прочности или текучести. Это явление связано с неоднородностью структуры материала, из-за которой при общем упругом состоянии всегда имеются микроскопические области локализованных пластических деформаций или микротрещины, образовавшиеся еще на стадии изготовления материала. Особенно это актуально для элементов конструкций, подверженных вибрациям – деталей двигателей, турбин, летательных аппаратов и прочего, хотя может иметь значения и для конструкций с гораздо более низкой скоростью повторяющегося изменения нагрузки, например мостов, подъемных кранов или шасси самолетов, периодически выдерживающих большую ударную нагрузку при приземлении.

Такое нагружение называют циклическим, а процесс накопления повреждений – усталостью материала. Совокупность последовательных значений напряжения за один период их изменения называют циклом и характеризуют минимальным , максимальным , средним и амплитудным напряжениями (рис. 2.3.1. а).

Рис. 2.3.1. Кривая циклического нагружения и диаграмма Вёллера.

, . (2.11)

Цикл может быть как знакопостоянным (например, чередование сжатия различной степени или сжатия и разгрузки), так и знакопеременным (чередование растяжения и сжатия).

Способность материалов сопротивляться разрушению при повторно-переменных нагружениях называют выносливостью. Для получения некоторых величин, характеризующих выносливость материала проводят серию экспериментов по циклическому нагружению одинаковых образцов при разных амплитудных напряжениях до разрушения. По результатам этих испытаний строят кривую Вёллера (рис. 2.3.1. б), каждая точка которой ставит в соответствие значению число циклов, необходимое для разрушения при таком амплитудном напряжении. Кривую можно разделить на три характерных участка: 1) малоцикловая усталость (максимальное напряжение превышает предел текучести); 2) ограниченная долговечность; 3) неограниченная долговечность (разрушение при таких амплитудных напряжениях практически не происходит).

У некоторых материалов кривая Вёллера имеет горизонтальную асимптоту. Соответствующее ей напряжение называют пределом выносливости. Если асимптоты нет и кривая в пределе стремится к оси абсцисс, используют предел ограниченной выносливости – напряжение, соответствующее некоторому заданному числу циклов , определенному практическими соображениями использования материала.