Что такое ползучесть металла

Обновлено: 05.10.2024

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).

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

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.

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

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

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

История

Явление ползучести было замечено несколько сот лет назад, однако систематические исследования ползучести металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу XX века и особенно к 40-м годам, когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с пользучестью 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 ползучесть может происходить только при повышенных температурах, однако ползучесть имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре −269 С°, а у железа — при −169 С°.

Причины и свойства

Ползучесть наблюдают при растяжении, сжатии, кручении и других видах нагружения. В реальных условиях службы жаропрочного материала ползучесть происходит в весьма сложных условиях нагружения.

Кривая ползучести

Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, 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) ползучести (стадия I),
BC — участок установившейся ползучести — деформации, идущей с постоянной скоростью (стадия II),
CD — участок ускоренной ползучести (стадия III),
E₀ — деформация в момент приложения нагрузки (стадия IV),
точка D — момент разрушения.

Стадии ползучести

Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Ползучесть и пластичность

Описанные кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и других твёрдых тел. Структурный же механизм ползучести, то есть элементарные процессы, приводящие к ползучести, зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит ползучесть. Физический механизм ползучести, особенно при высоких температурах, имеет преимущественно диффузионную природу и тем отличается от механизма деформирования при пластичности, которая связана с быстрым скольжением вдоль атомных плоскостей зёрен поликристалла (Ю.Н. Работнов. Механика деформируемого твёрдого тела). Всё многообразие элементарных процессов необратимой пластической деформации, приводящих к ползучести, можно условно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций (дефектов в кристалле), и процессы, обусловленные диффузией . Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при достаточно высоких температурах. При температурах, близких к температурам плавления различие между ползучестью и пластичностью становится менее выраженным (Тайра, Отани. Теория высокотемпературной прочности материалов). При неизменной общей деформации напряжения в нагруженном теле с течением времени убывают вследствие ползучести, то есть происходит релаксация напряжений.

Жаропрочность

Высокое сопротивление ползучести является одним из факторов, определяющих жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление ползучести 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 ползучести характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость полной деформации упругой деформации и скорости ползучести.

Положение в теории

Теория ползучести близко примыкает к теории пластичности, однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории ползучести нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения: — напряжение,

которая удовлетворительно описывает ползучесть при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости .

Более полное описание ползучести даёт теория упрочения:

которая удобна для приближённого анализа кратковременной ползучести при высоком уровне напряжений. Теория упрочения правильно улавливает некоторые особенности ползучести при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.

В механике полимеров обычно пользуются теорией наследственности:

K(t-\tau)\sigma(\tau)\; d\tau" />

где ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент

Ползучесть материалов

Ползучесть материалов (последействие) — изменение с течением времени деформации твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические, так и аморфные.

Явление ползучести было замечено К. Навье (1826), Г. Кориолисом (1830 г.), но впервые количественно изучено Л. Вика (1834 г.). Систематические исследования ползучести металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу XX века и особенно к 40-м годам, когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с ползучестью 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 ползучесть может происходить только при повышенных температурах, однако ползучесть имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре −269 С°, а у железа — при −169 С°.

Ползучесть материалов экспериментально изучают прежде всего при простых напряженных состояниях: одноосных растяжении, сжатии, а также чистом сдвиге. Условия проведения таких экспериментов определены ГОСТами. Ползучесть при сложных напряженных состояниях изучают обычно на тонкостенных трубчатых образцах.

Описанные кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и других твёрдых тел. Структурный же механизм ползучести, то есть элементарные процессы, приводящие к ползучести, зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит ползучесть. Физический механизм ползучести, особенно при высоких температурах, имеет преимущественно диффузионную природу и тем отличается от механизма деформирования при пластичности, которая связана с быстрым скольжением вдоль атомных плоскостей зёрен поликристалла (Ю.Н. Работнов. Механика деформируемого твёрдого тела). Всё многообразие элементарных процессов необратимой пластической деформации, приводящих к ползучести, можно условно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций (дефектов в кристалле), и процессы, обусловленные диффузией . Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при достаточно высоких температурах. При температурах, близких к температурам плавления различие между ползучестью и пластичностью становится менее выраженным [1] . При неизменной общей деформации напряжения в нагруженном теле с течением времени убывают вследствие ползучести, то есть происходит релаксация напряжений.

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.

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.

Читайте также: