Кинетика деформирования при ползучести

Типичная классическая кривая ползучести, представляющая зависимость деформации (ε) от времени (τ), при постоянной температуре и нагрузке приведена на рис. 1.5. Она характерна для большинства материалов и имеет следующие периоды[18].

Вначале на участке 0-1 наблюдается упругая(мгновенная) деформация, затем до точки 2 происходит неупругая деформация – наблюдается «неустановившаяся ползучесть» или первая ее стадия (уч. 1-2); на участке 2-3 скорость деформации постоянна, что соответствует периоду «установившееся ползучести» или второй стадии ползучести и, наконец, выше точки 3 наблюдается деформация с увеличивающейся скоростью (ускоряющаяся ползучесть), то есть наблюдается третья стадия ползучести – разрушение. Разделение на стадии (участки) условно, т.к. ползучесть является непрерывным процессом.

Рис. 1.5. Вид кривой ползучести: 0-1 – упругая деформация; 1-2 – начальная; 2-3 – стационарная; 3-4 – ускоряющееся ползучесть

Если после нагружения испытуемого образца на участке 0-1 силой Р_у размеры его восстанавливаются, то это значит, что до напряжений, соответствующих этой силе, материал обладает свойством упругости, а соответствующие напряжения и деформация (σ _ny и ε _ny) характеризуют предел упругости[40]. Незначительное увеличение силы Р_уприводит к остаточным деформациям, которые наблюдаются на последующих участках кривой ползучести.

Соответствующее значение напряжения σ _s, при котором остаточные деформации составляют определенную величину, н-р 2% от ε _ny, называют пределом текучести[40]. Это учитывают при испытании твердых тел на ползучесть, выбирая значения действующего при испытаниях постоянного напряжения ниже предела текучести.

Во многих экспериментах по ползучести керамики, проведенных при сжатии в условиях постоянной нагрузки, не удалось обнаружить третью стадию ползучести и испытание завершили на второй стадии. Тем не менее, трехстадийноеповедение отчетливо проявляется при испытаниях на ползучесть при сжатии, проведенных на кристаллическом MgOи ZrO₂, стабилизированным оксидами иттрия и в испытаниях на растяжение монокристаллического и поликристаллического Al₂O₃.

Возможны и другие типы кривой ползучести, но в целом характеристики кривых аналогичны, причем форма кривой зависит как от температуры, так и от величины действующей на образец нагрузки[18]. При повышении температуры деформации наступает быстрее, а продолжительность установившейся ползучести сокращается. Аналогично форма кривой меняется и с увеличением напряжений. В общем случае кривые могут иметь самый различный вид, вплоть до отсутствия того или иного периода: в начале испытаний иногда наблюдается инкубационный период с отсутствием деформации. Разнообразие форм кривых ползучести обуславливается сложностью процессов, которые протекают в керамическом материале при высокой температуре.

Период неустановившейся ползучести керамических материалов характеризуется взаимодействием зерен с порами. Зерна твердого компонента как бы входят в поры (и в стеклофазу)[7-8]. В этот переходный период резко сокращается количество крупных пор. Затем уменьшается количество пор средних размеров. Уменьшение размера пор и пористости в неустановившийся период ползучести способствует повышению прочности керамического материала, что в свою очередь влияет на деформацию ползучести в установившийся период.

Деформацию за неустановившуюся ползучесть можно описать эмпирическим выражением:

ε =β τ ^р (1.9)

где τ – время, ε – деформация, β и р – параметры, причем β =τ (ч). Некоторая доля неустановившейся ползучести м.б. восстановлена снятием нагрузки при температуре. Это возвратимая часть деформации обязана своим происхождением, вероятно, смещению границ зерен и остаточному напряжению, связанному с неоднородностью деформации. Если обратима значительная часть первичной деформации, то её возврат происходит почти по обратной кривой неустановившейся ползучести.

Период установившейся ползучести представляет особый интерес для изучения и расчета керамических конструкций при продолжительном сроке их службы, поскольку основная деформация материала происходит именно в этот период[9-12]. На этой стадии размеры пор и пористость остаются примерно постоянными, а скорость деформации έ =const и сложным образом зависит как от состава, структуры, дефектности кристаллической решетки: концентраций вакансий (диффузионная ползучесть) и вида напряженного состояния (сжатие, изгиб, растяжение и т.д.), так и от внешних условий проведения испытаний (температура, нагрузка, время, среда).

Если неустановившаяся ползучесть по величине соизмерима с установившейся, то обе ее стадии можно описать уравнением ползучести Андраде:

ε =β τ ^р+qτ (1.10)

где q – имеет смысл скорости установившейся ползучести.

При р=1/3 уравнение описывает ползучесть Андраде, причем справедливость этой зависимости доказана для многих металлических материалов.

Третья стадия ползучести характеризуется нарастающей скоростью ползучести и завершается разрушением материала.

Для надежной долговечной службы керамических и огнеупорных конструкций предпочтительно эксплуатировать в условиях первой стадии ползучести с затухающим процессом деформирования. Однако допустима их эксплуатация и на второй стадии ползучести при условии малой скорости протекания процесса, чтобы за длительное время службы величина деформации материала не превышала практического значения и обеспечивала устойчивость выполненного из него сооружения.

Проведенные на металлах исследования показывают[41, 42], что предварительные нагружения при различных температурах мало влияют на скорость деформации. При сложенном характере изменения нагрузки и температуры скорость процесса в каждый данный момент времени определяется изменением напряжения, температуры, а также упругих и пластических свойств материала. При мгновенном приращении нагрузки или температуры на кривой ползучести появляются новые периоды неустановившейся ползучести и ползучести с постоянной скоростью, соответствующие изменяющимся внешним условиям и свойствам материала.

Анализ литературных данных по ползучести керамических материалов показывает, что качественные закономерности накопления деформации во времени и изменении ее скорости от условий испытания аналогичны для всех изученных материалов. Обычно временные зависимости имеют такой же вид деформации при ползучести, как и у металлов.

При высоких температурах испытаний керамических материалов наблюдается практически только стационарная ползучесть, и кинетика деформирования во времени представляет собой прямолинейную зависимость. Типичный её вид на примере плотноспеченной корундовой керамики показан на рис. 6: деформация при изгибе монотонно увеличивается во времени.

Бакунов В.С. отмечает[20, 22] неоднородность деформации многофазных и пористых образцов при сравнительно низких температурах испытаний (рис.1.7). В этом случае не все элементы структуры материала принимают одновременное участие в процессе деформирования, что, вероятно, приводит к появлению задержек, скачков, перегибов на кривых ползучести. При испытаниях иногда наблюдается инкубационный период деформирования продолжительностью до 0, 5÷ 1ч. Однако причины такого поведения испытуемых образцов пока трудно объяснить.

Рис. 1.6. Кривые ползучести плотноспеченной корундовой керамики (нагрузка 0, 7 Мпа) при изменении температуры: 1- 1700, 2 – 1750, 3 - 1800

Существенное влияние на ход кривых оказывают изменения в структуре материала во время его испытания на ползучесть. При медленном изменении структуры кинетика деформирования и оказывается нелинейной, а при быстрых изменениях (в узком интервале температур или нагрузки) может изменяться только положение кривой. Но при постепенном восстановлении добавки диоксида титана в корунде кривые ползучести (рис.1.8) имели затухающий ход (при испытании в вакууме). Аналогичные зависимости получены при изучении ползучести диоксида церия в процессе восстановления[26].

Рис.1.7. Кривые ползучести алюмосиликатного огнеупора: 1-3 – 0, 4, 0, 5 и 0, 6 МПа при 1165 ; 4, 5 – 1200 и 1250 при 0, 4 МПа

Перерывы в испытаниях, при которых образец не только разгружается, но и охлаждается, не оказывает влияния на ход последующей ползучести[41]. Но если температура при этом не изменяется, может происходить упрочнение материала и через 2-3 паузы нагружения при данной температуре кривая может пойти иначе.

После сброса нагрузки материал «отдыхает», развивается некоторая обратная ползучесть. При этом восстанавливается некоторая часть деформации, накопленной в первый период ползучести. Восстановление наблюдается главным образом в поликристаллических материалах и связано с неоднородностью нагружения кристаллов. При частом сбросе нагрузки происходит наложение процессов прямой и обратной ползучести, вследствие этого иногда наблюдается приостановка ползучести. Если после перерыва вновь нагрузить материал до прежнего уровня напряжения, то сначала скорость ползучести будет несколько выше по сравнению со скоростью ползучести до перерыва, но затем примет значение, которое она имела бы при отсутствии перерыва.

Рис.1.8. Ползучесть в среде инертного газа корундовой керамики без добавки (1) и с добавкой 15 9массовые доли) диоксида титана (2).

При испытании на ползучесть иногда снимаются «полные» кривые ползучести, по которым определяют длительную прочность, ползучесть на установившемся участке и максимальную деформацию перед разрушением.

За длительную прочность принимается время от момента нагружения образца до его разрушения.

В целом можно сказать, что высокотемпературное деформирование гетерогенных многофазных систем, в том числе огнеупорных, очень сложный процесс, зависящий как от значений интенсивных параметров – температуры и напряжения, так и от количества и типа микро- и макроструктурных дефектов, индивидуальных свойств компонентов, их взаимодействия, концентрации и распределения[17, 18].