Ползучесть материалов ( последействие ) — медленная, происходящая с течением времени, деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения . Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические , так и аморфные .

История

Явление ползучести было замечено К. Навье (1826 г.), Г. Кориолисом (1830 г.), но впервые количественно изучено Л. Вика (1834 г.). Систематические исследования ползучести металлов и сплавов , резин , стекол относятся к началу XX века и особенно к 40-м годам, когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с ползучестью 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 выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что ползучесть может происходить только при повышенных температурах , однако ползучесть имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре −269 °С, а у железа — при −169 °С.

Причины и свойства

Ползучесть материалов экспериментально изучают прежде всего при простых напряженных состояниях: одноосных растяжении , сжатии , а также чистом сдвиге . Условия проведения таких экспериментов определены ГОСТами. Ползучесть при сложных напряженных состояниях изучают обычно на тонкостенных трубчатых образцах.

Кривая ползучести

Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести , 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) ползучести (стадия I),
• BC — участок установившейся ползучести — деформации, идущей с постоянной скоростью (стадия II),
• CD — участок ускоренной ползучести (стадия III),
• E ₀ — деформация в момент приложения нагрузки,
• точка D — момент разрушения.

Стадии ползучести

Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения ( наклёпа ).

Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также — так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести . Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Ползучесть и пластичность

Описанные кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов , полупроводников , полимеров , льда и других твёрдых тел. Структурный же механизм ползучести , то есть элементарные процессы, приводящие к ползучести , зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит ползучесть . Физический механизм ползучести , особенно при высоких температурах, имеет преимущественно диффузионную природу и тем отличается от механизма деформирования при пластичности , которая связана с быстрым скольжением вдоль атомных плоскостей зёрен поликристалла (Ю. Н. Работнов. Механика деформируемого твёрдого тела). Всё многообразие элементарных процессов необратимой пластической деформации, приводящих к ползучести, можно условно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций (дефектов в кристалле), и процессы, обусловленные диффузией . Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при достаточно высоких температурах. При температурах, близких к температурам плавления различие между ползучестью и пластичностью становится менее выраженным . При неизменной общей деформации напряжения в нагруженном теле с течением времени убывают вследствие ползучести , то есть происходит .

Жаропрочность

Высокое сопротивление ползучести является одним из факторов, определяющих жаропрочность . Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление ползучести характеризуют пределом ползучести — напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В принимают время, равное 100—200 ч, при конструировании стационарных паровых турбин — 100 000 ч. Иногда сопротивление ползучести характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость полной деформации ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}}$ складывается из скорости ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{e}}$ упругой деформации и скорости ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }}$ деформации ползучести .

Другие факторы

Вибрация может ускорять ползучесть во много раз.

Положение в теории

Теория ползучести близко примыкает к теории пластичности , однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории ползучести нет. Для металлов большей частью пользуются :

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,t)}$

где ${\displaystyle s}$ — напряжение, ${\displaystyle t}$ — время, которая удовлетворительно описывает ползучесть при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }}$ от ${\displaystyle s}$ .

Более полное описание ползучести даёт : ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,{\dot {\varepsilon }}_{\pi })}$ ,

которая удобна для приближённого анализа кратковременной ползучести при высоком уровне напряжений. Теория упрочнения правильно улавливает некоторые особенности ползучести при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.

В механике полимеров обычно пользуются :

${\displaystyle \phi (\varepsilon )=\sigma (t)+\int \limits _{0}^{t}K(t-\tau )\sigma (\tau )\;d\tau }$

где ${\displaystyle K(t-\tau )}$ так называемые ядро последействия, которое характеризует, в какой мере в момент времени ${\displaystyle t}$ ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент ${\displaystyle \tau }$ .

Так как напряжение действует и в другие моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, ).

Литература

• Белл Дж.Ф. 1 // Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. — М. : ГРФМЛ, 1984. — 600 с.
• от 18 января 2021 на Wayback Machine
• Работнов Ю. Н. , Милейко С. Т. Кратковременная ползучесть. М.: Наука 1970. 224 с.
• Работнов Ю. Н. Теория ползучести. В кн.: Механика в СССР за 50 лет. Том. 3. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1972. С. 119—154, 167—169