ГЛАВА XVIII. ПОЛЗУЧЕСТЬ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ

§ 190. Ползучесть металлов.

Начальные сведения о ползучести были сообщены в § 72. В настоящее время вопрос о расчете на ползучесть при проектировании изделий, работающих при высоких температурах, приобрел. очень большое практическое значение. До недавнего времени с ползучестью сталкивались главным образом в энергомашиностроении при проектировании паровых и газовых турбии. Диск и лопатки турбины находятся под действием больших нагрузок от центробежных сил, и долговечность их определяется в первую очередь ползучестью. Развитие сверхзвуковой авиации И реактивной техники вызвало к жизни и новые задачи, связанные с ползучестью. Обшивка самолета, корпус ракеты испытывают значительный аэродинамический нагрев при скоростях, превышающих скорость звука.

Приведем основные факты, относящиеся к ползучести. Если образец подвергнуть действию растягивающей нагрузки, создающей, постоянное напряжение, он будет медленно деформироваться со временем, кривая зависимости деформации от времени подобна изображенной на рис. 285.

Рис. 285.

Здесь — мгновенная деформация, участок I кривой — участок неустановившейся ползучести, происходящей с уменьшающейся скоростью, участок II — фаза установившейся ползучести, когда скорость приблизительно постоянна, на участке III происходит ускоренная ползучесть, заканчивающаяся разрушением. В зависимости от материала, нагрузки и температуры масштаб кривой и соотношение между величинами соответствующих участков могут быть самыми различными. Мгновенная деформация 80 может быть упругой, пропорциональной напряжению; при больших напряжениях она может быть в основном пластической, то есть зависящей от напряжения существенно нелинейным образом.

Деформация в момент разрыва может измеряться долями процента от первоначальной длины при времени до разрушения порядка сотен тысяч часов, а может составлять десять, двадцать и более лроцентов, причем разрушение происходит за несколько минут и даже секунд.

В некоторых случаях второй участок вообще выделить невозможно, существует лишь некоторая область вблизи точки перегиба кривой ползучести, где последняя может с известным приближением считаться прямолинейной. Такая кривая ползучести (рис. 286) характерна для высокого уровня напряжений. С другой стороны, многие материалы имеют кривые ползучести, подобные изображенной на рис. 287. Скорость ползучести весьма быстро становятся постоянной и сохраняет это постоянное значение в течение долгого времени; таким образом, почти вся деформация до момента разрушения может считаться происходящей с постоянной скоростью. Кривые такого рода характерны для длительных испытаний сталей, применяемых в турбостроении, при среднем уровне напряжений порядка рабочих напряжений в дисках и лопатках.

Рис. 286.

Рис. 287.

Испытания на ползучесть, о которых более подробно будет рассказано дальше, проводятся в течение некоторого времени, которое в ряде случаев значительно меньше, чем срок службы изделия. Так, например, паровые турбины работают годы и десятки лет, испытания материала в течение такого времени в условиях заводской лаборатории невозможны, обычно длительность таких испытаний не превышает 2000 — 5000 часов. Поэтому очень большое значение имеет вопрос об экстраполяции кривых ползучести, то есть о возможности предсказания ползучести в течение длительного времени на основании сравнительно кратковременных испытаний. Этот вопрос не нашел положительного решения, пригодного для всех материалов и всех условий; разными авторами предлагались эмпирические формулы для кривых ползучести, пригодные для тех или иных случаев. Наиболее простой способ экстраполяции, возможный тогда, когда кривая ползучести имеет вид, изображенный на рис. 287, состоит в том, что первой фазой ползучести пренебрегают и считают всю деформацию происходящей с постоянной скоростью . Таким образом,

(190.1)

При испытаниях стараются обеспечить длительность достаточную для того, чтобы надежно получить прямолинейный участок и определить его наклон. Зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения при постоянной температуре изучена достаточно хорошо. Наиболее употребительные эмпирические формулы для функции следующие:

(190.2)

где — постоянные при даииой температуре величины. Формулы (190.3) и (190.4) дают практически совпадающие результаты при больших напряжениях, при малых напряжениях формула (190.3) вообще неприменима, так как она дает конечную скорость при однако при больших напряжениях эта формула достаточно точна.

Для сравнительной оценки сопротивления материала ползучести вводят так называемый предел ползучести. Это — условная величина, ее определяют как напряжение, при котором за данное время достигается данная деформация ползучести . Величина обычно принимается равной одному проценту, а время в авиационном моторостроении, например, назначается равным 100 часам, а для материалов стационарных паровых турбин его принимают за 100 000 часов.

Для того чтобы определить предел ползучести, нужно провести серию испытаний при разных напряжениях. Если продолжительность испытания не меньше времени , предел ползучести находится по кривым непосредственно; если длительность испытаний невелика, кривые ползучести используют для нахождения величин постоянных в одной из формул для скорости установившейся ползучести или же просто строят график зависимости по этому графику находят напряжение, для которого

Таким образом, приближенно считается, что вся деформация происходит с постоянной скоростью.

Величина предела ползучести используется конструктором для выбора допустимого напряжения при расчете изделия, если нужно гарантировать, чтобы за время службы изделие не получило недопустимо больших деформаций. В настоящее время существуют более точные методы расчета на ползучесть, и величина предела ползучести потеряла свое значение как расчетная характеристика материала, она может служить лишь для сравнительной оценки различных материалов при их предварительном подборе.

Для первых участков кривых ползучести достаточно хорошее приближение получается, если описывать их с помощью степенной функции времени

Показатель для большинства материалов колеблется от до .