Что такое ползучесть металла

Ползучесть

Полезное

Смотреть что такое «Ползучесть» в других словарях:

Ползучесть — развитие деформаций грунта во времени при неизменном напряжении. Источник: ГОСТ 12248 96: Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Ползучесть — материалов медленная непрерывная пластическая деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела как кристаллические, так и аморфные. Содержание … Википедия

Ползучесть — – медленная непрерывная пластическая деформация твердого тела под действием постоянной нагрузки или механического напряжения. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург 2002] Ползучесть – процесс непрерывного … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ползучесть — Процесс непрерывного деформирования материала во времени при постоянной нагрузке. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 82. Строительная механика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] ползучесть Изменение… … Справочник технического переводчика

ПОЛЗУЧЕСТЬ — ПОЛЗУЧЕСТЬ, в металлургии продолжительная деформация металла под воздействием напряжений, при которой металл как будто течет, как чрезвычайно вязкая жидкость. Металлические детали можно проверять на ползучесть, определяя в процентах их удлинение… … Научно-технический энциклопедический словарь

ползучесть — крип, Словарь русских синонимов. ползучесть сущ., кол во синонимов: 3 • виброползучесть (1) • … Словарь синонимов

ПОЛЗУЧЕСТЬ — ПОЛЗУЧЕСТЬ, медленная непрерывная пластическая деформация (металла или сплава) под действием постоянной механической нагрузки. Ползучести подвержены все твердые тела в широком интервале температур. Физический механизм ползучести такой же, как и… … Современная энциклопедия

ПОЛЗУЧЕСТЬ — непрерывная пластическая деформация материалов под действием постоянной нагрузки. Ползучести подвержены все кристаллические и аморфные твердые тела при всех видах механических нагрузок и при всех температурах … Большой Энциклопедический словарь

Ползучесть — горных пород (a. creep of rocks; н. Kriechen der Gesteine; ф. fluage de terrain, fluage de roche; и. fluidez de rocas, fluencia de rocas) медленная непрерывная пластич. деформация г. п. под воздействием постоянной нагрузки или механич.… … Геологическая энциклопедия

ползучесть — ПОЛЗУЧИЙ, ая, ее. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

ПОЛЗУЧЕСТЬ — (крип) способность металла давать остаточные деформации при напряжениях, меньших предела упругости, под длительным воздействием высокой температуры. Пределом П. при данной температуре называется напряжение материала, при котором скорость… … Морской словарь

Источник

Ползучесть

Материалов, медленная непрерывная пластическая деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. П. в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические, так и аморфные. Явление П. было замечено несколько сот лет назад, однако систематические исследования П. металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу 20 в. и особенно к 40-м гг., когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с П. дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Потребовались конструкционные материалы (Жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что П. может происходить только при повышенных температурах, однако П. имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная П. наблюдается при температуре —269 °С, а у железа — при —169 °С.

П. наблюдают при растяжении, сжатии, кручении и др. видах нагружения. В реальных условиях службы жаропрочного материала П. происходит в весьма сложных условиях нагружения. П. описывается т. н. кривой ползучести (рис. 1), которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, или стадии: АВ — участок неустановившейся (или затухающей) П. (I стадия), BC — участок установившейся П. — деформации, идущей с постоянной скоростью (II стадия), CD — участок ускоренной П. (Ill стадия), E₀ — деформация в момент приложения нагрузки, точка D — момент разрушения. Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 0 4—0,8 температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание П. на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (Наклёпа). Т. к. П. происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — т. н. Возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия П. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Описанные кривые П. имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и др. твёрдых тел. Структурный же механизм П., т. е. элементарные процессы, приводящие к П., зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит П. Физический механизм П. такой же, как и пластичности (См. Пластичность). Всё многообразие элементарных процессов пластической деформации, приводящих к П., можно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций (См. Дислокации), и процессы вязкого течения. Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при температурах, близких к температурам плавления. При постоянных деформациях вследствие П. напряжения с течением времени падают, т. е. происходит релаксация напряжений (рис. 2).

Высокое сопротивление П. является одним из факторов, определяющих Жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление П. характеризуют пределом ползучести — напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В авиационном моторостроении принимают время, равное 100—200 ч, при конструировании стационарных паровых турбин — 100 000 ч. Иногда сопротивление П. характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость полной деформации ε складывается из скорости упругой деформации и скорости ε̇_p деформации П.

Теория П. близко примыкает к пластичности теории (См. Пластичности теория), однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории П. нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения: ε̇_p = f (σ, t) (σ —- напряжение, t — время), которая удовлетворительно описывает П. при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости ε̇_p от σ.

Более полное описание П. даёт теория упрочения: ε̇_p = f (σ,ε̇_p), которая удобна для приближённого анализа кратковременной П. при высоком уровне напряжений. Теория упрочения правильно улавливает некоторые особенности П. при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.

В механике полимеров обычно пользуются теорией наследственности:

,

где K (t — τ) т. н. ядро последействия, которое характеризует, в какой мере в момент времени t ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент τ. Т. к. напряжение действует и в др. моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, эффекта обратной П.).

Лит.: Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Розенберг В. М., Основы жаропрочности металлических материалов, М., 1973; Гарофало Ф., Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968; Работнов Ю. Н., Ползучесть элементов конструкций, М., 1966; Бугаков И. И., Ползучесть полимерных материалов, М., 1973; Качанов Л. М., Теория ползучести, М., 1960; Малинин Н. Н., Прикладная теория пластичности и ползучести, М., 1968; Работнов Ю. Н., Теория ползучести, в кн.: Механика в СССР за 50 лет, т. 3, М., 1972.

Рис. 1. Пример кривой ползучести.

Рис. 2. а — кривые ползучести ε_p металлов при различных нагрузках; б — кривые релаксации напряжения σ при постоянной деформации.

Источник

Природа процесса ползучести металла

Пластическая деформация, накопленная в результате процесса ползучести, является следствием незначительного взаимного смещения сопряженных объемов.

При растяжении образцов из поликристаллического металла с высокими скоростями ползучести в зернах его возникают полосы скольжения, а на образце появляется шейка, как и при деформировании в условиях комнатной температуры.

В случае низких скоростей ползучести происходит смещение одних зерен по отношению к другим. Это доказано экспериментально: на шлифованные алюминиевые образцы, которые, например, можно получить при металлообработке на rms.msk.ru, наносилась сетка, после чего последние испытывались на ползучесть. Если бы скольжение зерен по границам отсутствовало, линии, образующие сетку, не претерпевали бы разрывов.

Установлено, что границы зерен оказывают существенное влияние на распространение скольжения. Сами границы под влиянием скольжения по ним могут перемещаться в новое положение, благоприятствующее продолжению скольжения по границам.

Применение теории дислокаций к анализу процесса ползучести позволяет объяснить различные явления, сопровождающие ползучесть, а также получить ценные рекомендации для повышения жаропрочности материалов.

Согласно структурной теории ползучести, предложенной И. А. Одингом, скорость ползучести определяется плотностью дислокаций (их числом в единице объема), подготовленных к движению. В технических металлах и сплавах дислокации встречают при своем движении различные препятствия. К таким препятствиям относятся: свободные от атомов узлы кристаллической решетки (вакансии), дислоцированные атомы, атомы, входящие в твердый раствор основной решетки (чужеродные атомы). Если эти препятствия находятся вблизи источника дислокаций, то они вызывают повышение величину критическое напряжения, при котором начинается генерация новых дислокации. При удалении препятствий от источника они тормозят движение дислокаций. С этой точки зрения насыщенный твердый раствор должен обладать более высоким сопротивлением ползучести по сравнению с ненасыщенным твердым раствором. Однако при оценке влияния вышеуказанных точечных препятствий необходимо учитывать расстояние, на котором они находятся друг от друга, а также их диффузионную способность: при достаточно большом расстоянии между препятствиями и при большой скорости диффузии указанные препятствия не могут затормозить заметного количества дислокаций.

Рассмотренные препятствия являются нестабильными. В зависимости от условий, в которых находится металл, они могут изменяться: может увеличиваться расстояние между ними, увеличиваться их скорость диффузии, что будет неизбежно сказываться на ходе ползучести.

Другими препятствиями для движения дислокаций являются зоны Гинье—Престона, возникающие при дисперсионном твердении, а также «облака» чужеродных атомов, окружающие дислокации (точнее более высокая концентрация чужеродных атомов на действующих плоскостях скольжения). Облака образуются в результате миграции чужеродных атомов к дислокации под влиянием силового поля, возникающего вокруг нее: атомы, размеры которых больше атомов основной решетки, скапливаются в растянутых областях, а атомы с меньшими размерами — в сжатых областях.

Если облако будет легко диффундировать в материале, что имеет место при высоких температурах, то скорость ползучести будет большая. При малых скоростях диффузии облака высокие скорости ползучести возможны только в случае вырывания дислокации из облака чужеродных атомов, т. е. при приложении к металлу большой величины внешних напряжений.

Таким образом, перемещение дислокаций зависит от диффузионной способности облаков, окружающих их. В случае, если облака препятствуют движению дислокаций, последние могут освободиться от них путем диффузии.

В процессе ползучести при постоянном напряжении наряду с возникновением новых дислокаций и их задержкой около препятствий происходит освобождение от препятствий задержанных дислокаций. Следовательно, в каждый момент времени в материале имеется определенное количество дислокаций, подготовленных для начала движения. Если это число (плотность) дислокаций, подготовленных к движению, велико, то будет велика и скорость ползучести. Плотность же дислокаций, готовых начать движение, зависит от числа препятствий и их стабильности, которая определяется диффузионными константами материала. На первой стадии ползучести происходит накопление дислокаций у препятствий, что повышает сопротивление ползучести, и скорость ее уменьшается.

Таким образом, с точки зрения теории дислокаций для подавления процесса ползучести необходимо подавить диффузию, т. е. стабилизировать препятствия, а следовательно, создать устойчивую блокировку дислокаций.

Управляя плотностью дислокаций в металлах и их распределением в зернах и на границах зерен, можно достигнуть весьма эффективного повышения жаропрочности и прочности металлов. Например, с помощью термопластической обработки армко-железа (растяжением на 0,2% при температуре 450 °С и выдержке в течение 72 ч) скорость ползучести получается в 25 раз меньше но сравнению с нормализованным состоянием.

Источник

ПОЛЗУЧЕСТЬ

Ползучесть – это явление, заключающееся в том, что металл, нагруженный при постоянно высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформируется под воздействием постоянных во времени напряжений.

Чем медленнее увеличивается деформация, а следовательно меньше скорость ползучести, тем выше будет жаропрочность материала при заданных напряжении и температуре. Для металлов в теплоэнергетике характерна рекристаллизационная ползучесть, которая начинается при температуре, большей температуры рекристаллизации Т_рек. Следовательно, чем выше Т_рек материала, тем выше его жаропрочность. Поэтому одним из путей повышения жаропрочности является увеличение Т_рек за счет использования тугоплавких материалов в качестве основы сплавов или твердых растворов при легировании.

Тугоплавкие материалы повышают не только Т_рек, но и прочность межатомных связей, а, следовательно, снижают скорости диффузии и ползучести. При легировании растворенные атомы легирующих элементов повышают сопротивление ползучести за счет упругого взаимодействия с дислокациями и влияния на диффузионные процессы.

На скорость ползучести может сильно влиять термическая обработка, в результате которой происходит упрочнение металла вследствие выделения из пересыщенных твердых растворов упрочняющих фаз. Такие фазы в виде карбидов, нитридов, интерметаллидов создают препятствия и затрудняют пластическую деформацию, что приводит к снижению скорости ползучести.

В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации, во много раз меньшей, чем при кратковременной перегрузке при той же температуре. Повышение рабочих температур на тепловых электростанциях привело к тому, что многие детали работают в условиях, при которых появляется ползучесть.

При эксплуатации оборудования АЭС наблюдается радиационная ползучесть.

Радиационная ползучесть— ползучесть, вызванная облучением материала; характеризуется, как правило, повышенной скоростью.Радиационная ползучесть сталей проявляется при температуре 300–500 °С, когда роль термической ползучести еще пренебрежимо мала.

Следствием радиационно-ускоренной ползучести является существенное снижение длительной прочности материалов под действием облучения. Радиационная ползучесть происходит в результате скольжения и переползания дислокаций. Установившаяся скорость радиационной ползучести пропорциональна приложенному напряжению и повреждающей дозе.

Основной характеристикой ползучести является предел ползучести. Предел ползучести – напряжение, которое вызывает заданную деформацию за определенный промежуток времени. Заданная деформация устанавливается исходя из допустимых зазоров между деталями, а время – из срока службы изделия. Так, для теплоэнергетического оборудования задается деформация, равная 1 %, а время – 10 5 ч. При таком большом промежутке времени основная деформация соответствует прямолинейному участку диаграммы ползучести, по сравнению с которой деформация на начальном криволинейном участке ничтожно мала, и ею можно пренебречь. Тогда скорость деформации на установившемся участке для e = 1 % и времени t = 10 5 ч будет составлять .

Предел ползучести обозначают , где t – температура, °С; t – время, ч; e – деформация, %. — скорость ползучести

Для деталей длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1% за 10 5 ч.

Например, для допускаемой деформации, равной 1 %, за 10 5 ч при температуре t = 500 °С предел ползучести обозначается: МПа (напряжение, равное 130 МПа, вызывает деформацию в 1 % за 10 5 ч при температуре 550 °С).

Источник

ПОЛЗУЧЕСТЬ

ПОЛЗУЧЕСТЬ – медленное деформирование тела под действием постоянной нагрузки. Иногда этот термин используют в более общем смысле для обозначения неупругих процессов изменения во времени деформаций и напряжений в телах различной природы, таких как пластики, горные породы, бетон, органические материалы, лед и др. Изучением ползучести и, вообще, деформаций и текучести таких материалов занимается реология. Классическая область исследований теории ползучести – это деформации металлов и сплавов при высоких температурах.

Основной эффект можно наблюдать в таком опыте: находящийся при достаточно высокой температуре образец подвергается действию постоянной растягивающей нагрузки, в процессе опыта записывается деформация как функция времени.

Типичная кривая ползучести представлена на рис. 1. Вертикальный отрезок OA изображает мгновенную деформацию в момент приложения нагрузки; участок кривой AB дает рост деформации во времени при постоянной нагрузке: видно, что скорость деформирования v(t), равная производной d e / dt, убывает, AB – участок неустановившейся ползучести, после которой наступает установившаяся ползучесть с постоянной скоростью d e / dt = const, которая существенно зависит от величины приложенного напряжения. Третий участок CD характеризуется возрастанием скорости и заканчивается разрушением образца. Деформации ползучести аналогичны пластическим деформациям с одним отличием: если полностью разгрузить образец, то обнаруживается явление возврата или обратной ползучести (рис. 2): в момент разгрузки мгновенно исчезает начальная упругая деформация (отрезок BC); после этого ненагруженный образец продолжает укорачиваться, и кривая CD, имеющая горизонтальную асимптоту ED, иллюстрирует этот процесс. Обычно деформация возврата составляет небольшую долю деформации ползучести и в расчетах ею обычно пренебрегают.

На рис. 3 и 4 приведены качественно похожие семейства кривых: первое представляет собой типичные кривые ползучести, построенные в экспериментах при одинаковой температуре, но при разных напряжениях; вторая – при одинаковых напряжениях, но различных температурах.

Скорость ползучести на установившемся участке существенно зависит от температуры и от действующего напряжения. Если аппроксимировать степенной функцией экспериментальную зависимость скорости от напряжения,

то оказывается, что показатель n в разных случаях имеет величину от 3 до 12. Это означает, что уравнения, описывающие ползучесть металлов при высоких температурах должны быть сильно нелинейными, поэтому методы реологии, использующие в основном линейные и близкие к линейным уравнения, не используются в теории ползучести металлов, которая исторически развивалась независимо от реологии и была логически связана скорее с теорией пластичности металлов как пластичность при высоких температурах.

Релаксацией напряжений называется процесс уменьшения во времени напряжений в теле; классический опыт на релаксацию состоит в том, что образец быстро растягивают до деформации e 0 и фиксируют в этом состоянии. Если температура достаточно велика, чтобы в материале происходил процесс ползучести, то обнаруживается уменьшение напряжений. Математически это следует из того, что деформация e 0 = const представляется в момент t в виде суммы упругой деформации e y и деформации ползучести e n: (t)

Деформация ползучести e n (t) все время увеличивается, а сумма e 0 остается постоянной; отсюда следует, что уменьшается первое слагаемое – упругая деформация, которая связана с напряжением s по закону Гука:

Ползучесть при постоянном напряжении и релаксация при постоянной деформации – это два предельных случая, когда же тело находится при высокой температуре под действием заданной системы нагрузок, в нем происходит изменение, перераспределение как деформаций, так и напряжений. Если внешние нагрузки не изменяются во времени, то в теле преимущественную роль играет процесс ползучести. Такая ситуация характерна для тепловых машин, особенно для газовых турбин, так как турбинные лопатки подвергаются длительному нагружению центробежными силами, действующими в одном направлении – по радиусу диска. Поскольку зазор между лопатками ротора и корпусом делается достаточно малым, ползучесть лопаток является одним из важнейших факторов, влияющих на работу турбины. Второй фактор – это материал, из которого сделаны лопатки, металловеды создали специальные сплавы, которые имеют рабочие температуры 950–1000° C. Теория ползучести должна уметь ответить на вопрос – с какой скоростью увеличивается длина лопатки в зависимости от режимы работы турбины и определить время службы (ресурс) лопатки.

С ползучестью тесно связано явление длительной прочности. Определение времени до разрушения – основная проблема теории длительной прочности, которая изучает способность материала сопротивляться разрушению при высоких температурах в условиях ползучести. Говоря о прочности сооружения или детали, работающей при нормальной температуре в стабильных условиях, исключающих ползучесть, мы по существу говорим, что разрушение не наступит неопределенно долго. Расчет по теории длительной прочности при заданном уровне напряжений гарантирует определенное время, в течение которого разрушение не произойдет.

Источник