Длительная прочность металлов

Введение

Целью данной работы является рассмотрение понятия об длительной прочности металлов.
Проблема длительной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она расширилась и приобрела особое значение в связи с новыми задачами, которые ставят такие быстро развивающиеся отрасли техники, как энергетическое и химическое машиностроение, авиакосмическая техника и др. Долговечность конструкций приходится оценивать во многих случаях в условиях нестационарных силовых и температурных режимов нагружения, при этом могут протекать различные процессы длительного разрушения. К таким обычно относят статическую усталость, возникающую в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием усилий, мало- и многоцикловую усталость, связанную с циклическими сменами усилий безотносительно ко времени выдержки, а также процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. При этом возможны еще и другие, комбинированные процессы. Длительному разрушению подвержены не только традиционные металлические, но и различные новые неметаллические материалы — полимеры, керамики, стекла и различные композиты, причем многие неметаллические материалы обнаруживают как циклическую, так и указанную статическую усталость практически в любых температурных условиях, ввиду чего проектирование изделий из этих материалов неизбежно наталкивается на необходимость их расчетов на длительную прочность.
Таким образом, проблема прогнозирования прочности материалов и элементов конструкций, находящихся длительное время под нагрузкой в условиях высоких температур относится к числу важнейших современных проблем механики деформируемого твердого тела, и она по-прежнему остается актуальной.
1. Основные сведения о ползучести длительной прочности

В механике деформируемого твердого тела принято различать исследуемые материалы по их реакции на нагрузку. Когда при произвольном процессе нагружения материал сразу же после снятия нагрузки возвращается в исходное состояние, то это означает, что материал проявляет упругие свойства. Если после разгрузки появляются остаточные деформации, которые зависят только от величин нагрузок и порядка их приложения, но не зависят от скоростей нагружения и времени выдержки, то такая среда носит название упругопластической. В случае же, когда эти деформации существенно зависят от длительности нагружения, то такие среды обладают свойствами ползучести или в более общем виде — реологическими свойствами.
Такое разделение полных деформаций на упругие, «мгновенные» пластические и деформации ползучести необходимо ввиду принципиальных различий в соотношениях, описывающих тот или иной вид деформирования. Упругое деформирование в достаточно широких пределах можно описать конечными соотношениями между напряжениями и деформациями. Мгновенное пластическое деформирование описывается дифференциальными уравнениями, связывающими приращения напряжений и деформаций; эти уравнения не зависят от времени [1].
Ползучестью принято называть необратимое деформирование материала при постоянной нагрузке (напряжении). Для конструкционных материалов это явление заметно при абсолютных температурах (Tabs) выше 25% абсолютной температуры плавления (T0). Типичная кривая ползучести, полученная при испытаниях с постоянной нагрузкой, показана на рис.1 [2].

Рис. 1. Схема кривой ползучести
На кривой ползучести принято [3] различать три участка (рис.3.1): первый - переходная ползучесть (первая стадия ползучести), второй - установившаяся ползучесть (вторая стадия ползучести) и третий - разрушение (третья стадия ползучести). Величина е0 определяет мгновенную деформацию, которая возникает непосредственно после приложения к образцу испытательной нагрузки. Асимптотическое значение ε1 соответствует предельному значению деформации, накопленной на первой стадии ползучести.
Если действующее напряжение велико, то опыты на ползучесть образца при постоянной нагрузке (σ(t) = const) заканчиваются переходом на третью стадию ползучести и приводят к разрыву этого образца по истечении некоторого времени. Время доразрушения уменьшается с увеличением σ. Прочность конструкции, находящейся длительное время в напряженном состоянии при высокой температуре, оценивается так называемым пределом длительной прочности.
Пределом длительной прочности называют напряжение, вызывающее разрушение за заданное время при данной температуре [4]. Его используют в том случае, когда фактором, лимитирующим безотказную работу конструкции, является не чрезмерная деформация (вызванная деформациями ползучести), а опасность разрушения материала.
При исследовании длительной прочности на основе деформационных критериев разрушения обычно анализируются значения относительного удлинения при разрыве или относительного сужения. По их величине судят о деформационной способности материала при высоких температурах. Однако в этом случае возникает проблема с разделением между собой деформаций мгновенной пластичности и ползучести [2].
Обычно характеристики разрыва при повышенных температурах исследуют, варьируя скорость деформирования. Как правило, при достаточно высокой скорости (10-2-10-3сек) их значения остаются примерно постоянными и слабо зависят от температуры. Разрушение - преимущественно внутризеренное.
С уменьшением скорости растяжения начинает сказываться воздействие среды, порообразования и других, протекающих во времени процессов, которые ведут к охрупчиванию материала. На поверхности разрыва в этом случае доминируют межзеренные повреждения.
Таким образом, деформирование металла проявляет себя двояким образом. С одной стороны, деформация ползучести, суммируясь с мгновенной пластической деформацией, способствует вязкому внутризеренному разрушению. Причем такое разрушение происходит с образованием шейки. Данный тип разрушения в условиях ползучести характеризуется теми же характеристиками разрыва, что и кратковременное растяжение при той же температуре [2].
Стандартный метод испытания на длительную прочность состоит в том, что образец испытывается при постоянной нагрузке P и определяется зависимость времени до разрушения от напряжения. Результаты испытаний представляются в виде так называемых кривых длительной прочности, которая схематически показана на рисунке 2 [4].

Рис. 2. Диаграмма длительной прочности
Имея такой график, можно определить предел длительной прочности, т. е. минимальное напряжение σдл, при котором разрушение происходит за данное время.
Незначительные изменения напряжения сильно влияют на величину времени до разрушения, поэтому кривые длительной прочности удобно строить в логарифмических или полулогарифмических координатах, т. е. откладывая по соответствующим осям вместо σ и t величины lg σ и lg t. На рисунке 3 приведена типичная для металлических материалов диаграмма длительной прочности в двойных логарифмических координатах.

Рис. 3. Диаграмма длительной прочности в двойных логарифмических координатах
Как правило, эта диаграмма хорошо аппроксимируется двумя прямыми

. Иногда точка пересечения прямых выявляется совершенно четко, иногда существует переходный криволинейный участок (обозначен штрихпунктирной линией на рисунке 3).
На участке I реализуется вязкое разрушение, сопровождающееся значительной деформацией в момент разрушения. На участке II - хрупкое разрушение, которое сопровождается незначительными деформациями в момент разрушения.
Стоит отметить, что диаграмма длительной прочности носит условный характер, так как истинное напряжение в момент разрушения существенно отличается от номинального напряжения в начальный момент нагружения образца [5].
Поскольку зависимость lg σ от lg t линейная, то зависимость времени до разрушения от предела длительной прочности при постоянной температуре степенная:
t = Aσ−m(1), (1)
где A и m - константы материала при постоянной температуре T.
В общем случае A = A(T), m = m(T).
Формула (1) устанавливает зависимость предела длительной прочности от времени разрушения для некоторого материала при определенной температуре. При переменных температурах характерные графики длительной прочности имеют вид, схематически представленный на рисунке 4.

Рис. 4. Диаграммы длительной прочности при T1 < T2 < T3
2. Методы и средства определения характеристик длительной прочности

В настоящее время в нашей стране действует стандарт [6], который устанавливает метод проведения испытаний черных и цветных металлов и сплавов на длительную прочность при температурах до 1200°С. Сущность метода заключается в доведении стержня постоянного сечения до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре [1]. В результате испытаний устанавливается предел длительной прочности, т.е. напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время испытания при постоянной температуре. Установки для проведения испытаний металлов на длительную прочность должны соответствовать ГОСТу 8.500-84 [7].
Для испытаний согласно действующему стандарту в качестве основных используются цилиндрические или плоские образцы. В случае использования цилиндрических образцов для диаметра и начальной расчетной длины l0 принимаются соответственно следующие значения: 5 и 25 мм, или 10 и 50 мм, или 7 и 70 мм, или 10 и 100 мм. Диаметр цилиндрических образцов должен быть не менее 3 мм. В случае испытания плоских образцов их толщина определяется толщиной проката, а величина связана с начальной площадью поперечного сечения рабочей части образца F0 соотношением
l0=5.65F0 мм
При наличии технических обоснований допускается пропорциональное изменение размеров образцов. Форма и размеры образца для испытаний устанавливаются стандартами или техническими условиями на металлопродукцию. При применении образцов различных размеров необходимо учитывать возможное влияние масштабного фактора на результаты испытаний. Допускаемое отклонение по величине площади поперечного сечения не должно превышать +0.5%. Сопряжение головки образца с его рабочей частью должно быть плавным.
Образец, установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь, нагревается до заданной температуры (время нагрева должно быть не более 8 часов) и выдерживается при этой температуре не менее 1 час. При необходимости продолжительность выдержки регламентируется в технических условиях на металлопродукцию.
В особых случаях, если испытываемый материал имеет стабильную структуру и предназначен для длительных сроков службы, время нагрева может быть более 8 часов, а для материала, имеющего нестабильную структуру и предназначенного для небольших сроков службы, время предварительной выдержки составляет менее 1 час.
Для измерения температуры образцов на их рабочей части должно быть установлено не менее двух термопар, а на образцах с расчетной длиной свыше 100 мм не менее трех, распределенных равномерно по всей расчетной длине. Термопары устанавливаются так, чтобы горячие спаи плотно соприкасались с поверхностью образца. Горячий спай термопары должен быть защищен от воздействия раскаленных стенок печи. Холодный спай термопары в процессе испытаний должен иметь постоянную температуру. В случае аварийного выхода из строя одной термопары допускается окончание испытаний при наличии другой термопары при условии ее работы в течение не менее 70% времени испытания, предусмотренного в стандартах или технических условиях на металлопродукцию. Отклонения от заданной температуры в течение всего испытания в любой точке расчетной длины образца не должны превышать ±3°С при температуре ώ = φ(σ,ω)С, ±4°С при 600 < Т < 900 °С и ±6°С при 900 < Т < 1200 °С. Необходимо периодически, не реже, чем через 2 часа, измерять температуру образцов. Рекомендуется автоматическая запись температуры на протяжении всего испытания. Температура испытания выбирается кратной 25, если по условиям исследования не требуется специальная температура. После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывают нагрузку. Время до разрушения при заданной величине напряжения, т.е. нагрузки, отнесенной к начальной площади поперечного сечения образца, является основным показателем данного вида испытания. После разрушения образца определяются относительное удлинение ε и относительное сужение образца ψ в области шейки [1].
Продолжительность испытания устанавливается для каждого материала в зависимости от его назначения. В случае вынужденного перерыва при проведении испытаний нагрузка может сниматься полностью или частично. Температура помещения во время испытания должна быть по возможности постоянной.
Данный метод применим для испытаний на длительную прочность одновременно нескольких образцов на одной установке (испытание «цепочкой»). При этом температуру каждого образца допускается измерять одной термопарой, установленной в его средней части, при условии, что температурный градиент на испытываемых образцах не превышает норм стандарта [6].
В результате испытаний устанавливается зависимость между напряжением σ и временем до разрушения t* при заданной постоянной температуре Т. При этом количество уровней напряжений должно быть не менее трех. По результатам испытаний серии образцов для каждого напряжения определяется среднее значение времени до разрушения. Количество образцов в серии должно обеспечивать необходимую точность установления предела длительной прочности. Графически зависимость между напряжением и средним значением времени до разрушения представляется в логарифмических lgt* lga или полулогарифмических lgt*-σ координатах. По этим графикам интерполяцией или экстраполяцией устанавливаются средние значения пределов длительной прочности материала (с точностью до 5 МПа), при этом указывается метод определения этих величин. При необходимости статистической оценки значений пределов длительной прочности используются стандартные методы математической статистики.
Относительное удлинение образцов после разрыва ε* в процентах подсчитывается по формуле
ε*=((l*-l0)/l0)·100%,
где l0 и l* — значения расчетной длины, измеренной при комнатной температуре соответственно перед испытанием образца и после разрыва