Временная зависимость прочности

С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление ползучести, т. е. прироста пластической деформации с течением времени

при постоянном напряжении (рис. 3.10, а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести - чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 ч достигает 0,2 %, и обозначают его σ _{0,2 / 100}.. Чем выше температура t, тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла {рис. 3.10, б). Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, σ t ₁₀₀ , σ t ₁₀₀₀ и т. д.).

У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние.

С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов — склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

 

 

Рис. 3.10, Изменение механических свойств конструкционных материалов в функции времени (или числа циклов).

 

Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается {рис. 3.10, в) - металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до N = (2—5) 106 циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

σ_макс - σ_мин / 2

ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузки не разрушается.

Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному АО пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца.

Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклическом изменении температуры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала — коэффициентов линейного расширения и температуропроводности,, модуля упругости, предела упругости и др.

 

Текучесть и ползучесть

Текучесть, свойство тел пластически или вязко деформироваться под действием напряжений; характеризуется величиной, обратной вязкости. У вязких тел (газов, жидкостей) текучесть (Т.) проявляется при любых напряжениях, у пластичных твёрдых тел — лишь при высоких напряжениях, превышающих предел Т.

У различных тел существуют разные механизмы Т., определяющие сопротивление тел пластическому или вязкому течению. У газов механизм Т. связан с переносом импульса из тех слоев, где имеется преобладающее движение молекул газа в направлении течения, к слоям, у которых это движение меньше. У жидкостей механизм Т. представляет собой преобладающую диффузию в направлении действия напряжений.

 

 

Элементарным актом при этой диффузии является скачкообразное перемещение молекулы или пары молекул, или сегмента макромолекулярной цепи (у высокомолекулярных веществ), сопровождающееся переходом через энергетический барьер. У кристаллических твёрдых тел Т. связывается с движением различного рода дефектов в кристаллах, точечных {вакансий), линейных (дислокации) и объёмных (краудионов), течение может быть обусловлено также вызванным напряжением двойникованием. Медленные, происходящие во времени течения металлов при высоких температурах, полимеров и др. материалов называются ползучестью.

С явлениями Т. приходится сталкиваться как на Земле, так и в космосе. На Земле Т. проявляется в движении материков, движениях в атмосфере и гидросфере, тектонических движениях горных массивов. В технике с явлением Т. сталкиваются, например, при движениях газов и жидкостей по трубам и в аппаратах различных производств. Пластические течения и ползучесть имеют место в различных элементах конструкций, работающих при больших нагрузках.

Ползучесть

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 выдергивали 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.

 

 

Рис. 1. Кривая ползучести

 

 

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), ВС — участок установившейся П. — деформации, идущей с постоянной скоростью (II стадия), СО — участок ускоренной П. (III стадия), Е_о — 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, приведшие к П., зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит П. Физический механизм П. такой же, как и пластичности. Всё многообразие элементарных процессов пластической деформации, приводящих к П., можно разделить на процессы, осуществляемые движением 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 достигаемся 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.

 

 

Кривые ползучести; кривые релаксации напряжения

 

Рис. 2. а — кривые ползучести ε_р металлов при различных нагрузках; 6 — кривые релаксации напряжения σ при постоянной деформации.

 

 

Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластической деформации, В кристаллических телах это достигается либо за счет снижения плотности дефектов (П. нитевидных кристаллов, лишённых подвижных дислокации, достигает теоретической), либо за счёт предельно большой плотности дислокации в мелкодисперсном материале. Второе требование — большое сопротивление разрушению — сводится к выбору материала с высокой теоретической прочностью σ_Т = 0,1 Е. Создать

материалы с модулем Юнга Е, превышающим максимальные встречающиеся в природе значения, можно искусственно, путем применения высоких давлений; однако в этом направлении делаются лишь первые шаги. Большие значения σ_Т затрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для ее роста высокие напряжения рассасываются за счёт пластической деформации. Сочетание высокой прочности и пластичности достигается в сплавах термомеханической обработкой, в композитах — подбором материала волокон и матрицы, объёмной доли и размера волокон. Трещина, возникшая в прочной (обычно хрупкой) фазе сплава или в волокне композита, останавливается у границы с пластичной матрицей. Поэтому важной характеристикой высокопрочных материалов является сопротивление распространению трещины, или вязкость разрушения. При механическом измельчении материалов требуется пониженная прочность. Она достигается воздействием поверхностно-активных сред (органические вещества, вода).

Увеличение прочности (s_B,s_0,2) и сопротивления усталости (s_-1) металлов или сплавов при сохранении достаточно высокой пластичности (d,y), вязкости (KCU, KCT) и трещиностойкости (K1c) повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход материалов на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.
Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Повышение прочности достигается: созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, что требует больших затрат и повышением плотности дефектов (в том числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций, что вполне реально.
Рассмотрим с этих позиций основные механизмы упрочнения: деформационное, твердо растворное, образование гетерогенных структур (дисперсное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.
Деформационное упрочнение (наклеп) приводит к увеличению плотности дислокаций, что сильно повышает предел текучести, но одновременно резко снижает сопротивление хрупкому разрушению.
При образовании твердых растворов (твердо растворное упрочнение) увеличиваются предел прочности и текучести и твердость. Повышение прочности в твердом растворе прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до 10 -30 %) Величина К1с при образовании твердых растворов снижается. Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения - малая подвижность дислокаций.
Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от величины зерна, полигонизированной структуры (субструктуры) и других структурных изменений.
Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница - зернограничное упрочнение. Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием. Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения ее направления движения. Измельчение зерна понижает порог хладноломкости.
Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, сильно повышает предел текучести (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможение дислокаций зонами Гинье-Престона или частицами выделений. Помимо зон ГП дисперсными частицами являются химические соединения, например, карбиды, нитриды, которые обладают высокой твердостью, но при этом хрупки.
Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей фазы. И такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности (sB,s0,2), пластичности (d,y), вязкости разрушения (K1c), вязкости (KCV, KCT) и низкой температуры вязко хрупкого перехода (порог хладноломкости t50).
Рассмотренные механизмы упрочнения положены в основу современных технологических процессов повышения конструктивной прочности металлов и сплавов.