Ползучесть. Разрыв при ползучести

9.1. ВВЕДЕНИЕ

Ползучесть в 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.

Дата добавления: 2014-01-07