Тема 20. Ползучесть и длительная прочность материалов и элементов конструкции

20.1. Влияние температуры и фактора времени на сопротивление материалов деформации и разрушению. Понятие о ползучести

В предыдущих темах были рассмотрены основы методов расчета на прочность при статическом нагружении, при напряжениях, переменных во времени, а также при динамическом нагружении. Оценка прочности сводилась к сопоставлению критериальных характеристик, определенных с использованием параметров напряженного состояния, с их предельными значениями (механическими характеристиками), полученными из опытов в условиях статического растяжения (сжатия, сдвига) и при нормальной (комнатной) температуре. При статическом нагружении скорость деформирования находится в пределах 1/мин, что соответствует скорости перемещения захватов V=10^-5…10^-2 м/с и, следовательно, относительно короткому времени действия нагрузок.

Вместе с тем, диапазон температур и скоростей деформирования, при которых работают элементы многих конструкций, далеко выходят за рамки нормальных температур и скоростей деформирования, соответствующих «статическому» нагружению. Например, на входной кромке лопатки турбины авиационного реактивного двигателя и на внутренней поверхности камеры сгорания температура может превышать 1000^°С. В широких пределах изменяются и скорости нагружения, и время действия нагрузок. Одни нагрузки действуют годами, другие – доли секунды. Влияние собственно скорости нагружения уже частично рассматривалось при изучении динамических задач сопротивления материалов. В данной теме, как бы оставаясь в рамках статического нагружения, рассматривается влияние температуры и времени нагружения.

Если проводить статические испытания на растяжение при определенной скорости перемещения захватов, то можно установить, что с повышение температуры характеристики прочности (), как правило, уменьшаются, а характеристики пластичности возрастают. Вид диаграмм растяжения зависит от материала и обуславливается сложными физическими и химическими процессами, происходящими в материале. Если же проводить испытания при различных скоростях нагружения, то можно обнаружить, что в определенном диапазоне напряжений и температур существенное влияние на вид диаграмм растяжения и, следовательно, характеристики механических свойств, оказывает длительность испытаний. Эффект времени нагружения зависит от материала и для некоторых металлов проявляется даже при комнатной температуре, как показано в табл. 20.1.

Таблица 20.1

Такое поведение материала объясняется накоплением необратимых деформаций материала под действием нагрузок в определенном диапазоне напряжений и температур. Наблюдается явление, подобное «течению» некоторых материалов при достижении предела текучести при испытаниях.

Изменение во времени деформаций и напряжений в нагруженной детали называют ползучестью.

Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление называют последействием или собственно ползучестью.

Для основных конструкционных материалов можно выделить такой диапазон температур, при котором вид диаграмм растяжения и, следовательно, характеристики механических свойств практически не будут зависеть от времени нагружения в пределах длительности нагружения соответствующих конструкций и машин, хотя и будут зависеть от температуры испытаний. В этом случае имеет место функциональная зависимость вида , которая может быть представлена графически в виде условных диаграмм растяжения при различных температурах. В случае учета влияния времени нагружения функциональная зависимость имеет более сложный вид - и может содержать дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин. В общем виде аналитически или графически представить эту функцию в настоящее время не удается и влияние фактора времени на сопротивление материалов деформациям и разрушению рассматривают применительно к частным классам задач, например, в случае действия высоких температур и длительных относительно мало меняющихся нагрузок, когда основным фактором, определяющим работоспособность конструкции, является ползучесть.