Ползучесть металлов. Релаксация напряжений

Необходимость знакомства с основными закономерностями процесса ползучести объясняется, прежде всего, тем, что металлические конструкции (в том числе и сварные) зачастую находятся под нагрузкой в условиях высоких температур. Кроме того, сами по себе технологические процессы сварки, например диффузионной и стыковой контактной сопровождаются ползучестью.

Под ползучестью понимают непрерывно растущую во времени пластическую деформацию материала, происходящую под действием постоянного усилия (или напряжения) при постоянной температуре.

Процесс релаксации (лат. relaxatio - отдых, ослабление) напряжений сопутствует ползучести и лежит в основе снижения остаточных напряжений при термообработке сварных конструкций.

Углеродистая сталь (и ряд других материалов), поведение которой при обычных температурах хорошо описывается теорией упругости, если напряжения не слишком велики, и теорией пластичности при более высоких напряжениях, ведет себя совершенно иначе в области температур более 450 °С. Уже при небольших напряжениях сталь перестает подчиняться закону Гука, кривая её растяжения существенно зависит от той скорости, с которой происходит растяжение, поэтому говорить о зависимости «напряжение - деформация», которая в теории пластичности принимается за исходную, невозможно. Под действием постоянной нагрузки образец продолжает деформироваться, как говорят «ползет».

У ряда металлов (свинец, алюминий и некоторые другие металлы и сплавы) ползучесть наблюдается и при комнатной температуре. Однако у стали, чугуна и ряда цветных металлов и сплавов ползучесть может возникать лишь при нагреве их выше некоторой, определенной для каждого материала температуры (углеродистые стали и чугун - выше 300-350 °С, легированные стали - выше 350-400 °С, легкие сплавы - выше 50-150 °С). При температурах ниже указанных явление ползучести у этих материалов не наблюдается. Вместе с тем, при температуре, при которой в данном металле возможно явление ползучести, ползучесть возникает лишь при напряжениях выше некоторой, определенной для каждого металла величины.

Изложенная трактовка вопроса о возникновении ползучести в зависимости от напряжения и температуры характерна и для инженерных проблем. Строго говоря, ползучесть наблюдается при любых напряжениях и при отсутствии повышенных температур. Например, явление ползучести можно наблюдать в таком хрупком материале как оконное стекло. Нагруженная силами собственного веса нижняя часть стекла за многие десятилетия получает деформации увеличения толщины.

Опытное изучение явления ползучести производится преимущественно в виде испытаний на простое растяжение или сжатие. При этом в течение всего срока испытания продолжающегося иногда тысячи или даже десятки тысяч часов обеспечивается неизменность температуры и величины нагрузки.

При таких испытаниях через некоторые промежутки времени измеряется удлинение образца и по данным измерений строится диаграмма испытания в координатах: относительная деформация (ε) - время (t), называемая диаграммой ползучести материала. Вид кривой ползучести зависит как от материала, так и от величины напряжения и температуры. Характерная кривая ползучести металла приведена на рис. 1.10.

При нагружении образца, нагретого до определенной температуры Т, его деформация обычно возрастает очень быстро (в зависимости от скорости нагружения) до величины ОА. Деформацию ОА называют мгновенной. Она может быть чисто упругой, а может включать в себя мгновенную пластическую деформацию. На первом участке кривой ползучести АВ скорость ползучести dε /dt постепенно убывает до некоторого значения в точке В. Это так называемая стадия неустановившейся ползучести.

Рис. 1.10

Если деформации ползучести образца велики и, следовательно, изменение площади сечения образца значительно, то при постоянной нагрузке напряжение будет возрастать, а скорость деформации - увеличиваться. Таким образом, на кривой появится третий участок CD, в точке D которого происходит разрушение образца. Для некоторых материалов такое чисто геометрическое объяснение появления третьего участка оказывается точным. Однако, такие же участки наблюдаются на кривых ползучести жаропрочных сплавов, разрушающихся при очень малом удлинении. Причина этого состоит в том, что ползучесть сопровождается образованием микротрещин на границах зерен. В результате эффективная площадь, воспринимающая нагрузку, уменьшается, и скорость ползучести увеличивается. С увеличением скорости ползучести увеличивается скорость образования новых микротрещин и рост уже имеющихся; наконец в каком-то месте образца микротрещины сливаются, образуя большую трещину разрушения.

Рис. 1.11

При относительно небольшом напряжении σ ₁, или сравнительно невысокой температуре деформация ползучести может вообще не иметь места, то есть после нагружения образца диаграмма ε - t будет представлять собой прямую линию, проведенную из точки A₁ параллельно оси абсцисс. При несколько более высоком напряжении σ ₂ после сравнительно короткой стадии неустановившейся ползучести скорость на данном этапе может уменьшиться до нуля и дальнейшее увеличение длины образца прекратится. При напряжении σ ₃ может оказаться, что скорость установившейся ползучести хотя и не будет равна нулю, но окажется настолько малой, что приведет к разрушению образца через очень большой промежуток времени. При напряжении σ ₄ получим кривую, подобную изображенной на рис. 1.10. Дальнейшее увеличение напряжения может привести к отсутствию на кривой стадии установившейся ползучести (точки В₅ и C₅ совпадают).

На кривых ползучести может также отсутствовать стадия неустановившейся ползучести, и вся кривая будет состоять из непродолжительного участка с постоянной скоростью деформации и третьей стадии. На характер кривых ползучести существенное влияние могут оказывать фазовые переходы. Однако, современные теории ползучести применимы только к структурно устойчивым материалам.

Процесс ползучести при диффузионной или стыковой контактной сварке происходит по более сложным законам, чем в случае длительных испытаний цилиндрических образцов. Это предопределено относительной кратковременностью сварки и изменчивостью температуры при этом. Очевидно к процессам, происходящим при сварке, ближе не общая теория ползучести, а так называемая теория кратковременной ползучести, которая описывает деформацию материалов, происходящую при высоких температурах и напряжениях в течение нескольких секунд или минут. В этих условиях упрочнения не происходит, ползучесть начинается с постоянной скоростью, которая затем увеличивается, если напряжения растягивающие. Вопрос о применимости результатов, полученных в условиях растяжения, к случаям воздействия сжимающих напряжений исследован недостаточно.

В реальных условиях проявление ползучести в виде деформации растягиваемого образца при постоянном напряжении встречаются редко.

Если элемент конструкции, в котором может происходить ползучесть, связан с упругими элементами, стесняющими его возможные деформации, происходит перераспределение напряжений в элементах системы. Под системой может подразумеваться и сплошное тело с различной жесткостью его отдельных частей и с разным напряженным состоянием этих частей. Такая схема нагружения нередко наблюдается в сварных конструкциях.

Если бы элементы конструкции, которые ограничивают деформацию нагруженных частей, были абсолютно жесткими, то есть деформация нагруженной части была невозможна, то с течением времени происходило бы перераспределение напряжений и деформаций в нагруженной части. Упругая составляющая деформации со временем уменьшается, а пластическая увеличивается на туже величину. Степень уменьшения упругой составляющей общей деформации приводит к такому же снижению напряженности элемента, то есть к релаксации.

Релаксацией называется постепенное снижение напряжений в нагруженной детали, полная деформация которой остается неизменной во времени.

Рис. 1.12

Процесс релаксации можно разделить на две стадии: первую (участок АВ кривой релаксации), в течение которой снижение напряжений происходит весьма быстро и вторую (участок ВС кривой), в течение которой снижение напряжений происходит намного медленнее с постепенно убывающей скоростью. Физическая сущность процесса релаксации и на первой и на второй стадиях в настоящее время изучены недостаточно.