Ползучесть (деформация)

редактировать

Тенденция твердого материала к медленному перемещению или постоянной деформации под действием механического напряжения

Движение льда в леднике пример ползучести в твердых телах.

В материаловедении, ползучесть (иногда называемая холодным течением ) - это тенденция твердого материала двигаться медленно или деформироваться необратимо под действием постоянных механических напряжений. Это может произойти в результате длительного воздействия высоких уровней напряжения, которые еще ниже предела текучести материала. Ползучесть более серьезна в материалах, которые подвергаются воздействию тепла в течение длительного времени, и обычно увеличивается по мере прибли их температуры плавления.

Скорость деформации является функцией свойств материала, времени воздействия, температурного воздействия и приложенной структурной нагрузки. Вслучае приложенного напряжения и его продолжительности, деформация может стать настолько большой, что компонент больше не выполняет свою функцию - например, ползучесть лопатки, турбины могут привести к контакту лопатки с корпусом, что приведет к отказ лезвия. Ползучесть напряжения обычно вызывает напряжение у инженеров и металлургов при оценке компонентов, работающих при высокихх или высоких температурах. Ползучесть - это механизм деформации, который может составлять или не составлятьрежим отказа. Например, умеренная ползучесть в бетоне иногда приветствуется, потому что она снимает растягивающие напряжения, которые в случае потери силы приводят к растрескиванию.

В отличие от хрупкого разрушения, возникает деформация ползучести не внезапно при приложении напряжения. Вместо этого деформация накапливается в результате длительного стресса. Следовательно, ползучесть - это деформация, зависящая от времени. Он работает по принципузакона Гука (напряжение прямо пропорционально деформации).

Содержание

1 Температурная зависимость
2 Стадии
3 Механизмы деформации
- 3.1 Карты механизма деформации
4 Общее уравнение
- 4.1 Ползучесть дислокаций
- 4.2 Ползучесть по Набарро - Херрингу
- 4.3 Ползучесть булыжника
- 4.4 Ползучесть при сопротивлении растворенного вещества
- 4.5 Ползучесть дислокации при подъеме-скольжении
- 4.6 Ползучесть по Харперу - Дорну
- 4.7 Спекание
5
- 5.1 Полимеры
- 5.2 Древесина
- 5.3 Бетон
6 Области применения
7 Профилактика
- 7.1 Суперсплавы
8 См. Также
9 Ссылки
10 Дополнительная литература
11 Внешние ссылки

Температурная зависимость

Температурный диапазон, в котором может возникать деформация ползучести, различается для разных материалов. Деформация ползучести обычно возникает, когда материал подвергается напряжению при температуре, близкой к его температуре плавления. Хотявольфрам требует температуры в тысячи градусов, прежде чем может быть деформация ползучести, свинец может ползти при комнатной температуре, а лед будет ползать при температурех ниже 0 ° C (32 ° F). Пластмассы и металлы с низкой температурой плавления, в том числе многие припои, могут начать ползать при комнатной температуре. Ледниковый поток является примером процессов ползучести во льду. Эффекты деформации ползучести обычно становятся заметными примерно при 35% температуры плавления металлов и45% температуры плавления керамики.

Этапы

Деформация как функция времени из-за постоянного напряжения в течение длительного периода для материала класса М.

Ползучесть можно разделить на три основных этапа. При первичной или переходной ползучести скорость деформации является функцией времени. В материалах класса M, принадлежащими наиболее чистым материалам, скорость деформации со временем снижается. Это может быть связано с размером плотности дислокаций илиизменяющимся размером зерна . В материалах класса A, которые имеют большое количество твердого вещества твердого вещества, скорость деформации увеличивается со временем из-за утонения веществ увлечения по мере движения дислокаций.

Во вторичной или стационарной ползучести дислокационная структура и размер достигли равновесия, и поэтому скорость деформации постоянна. Уравнения, которые определяют скорость деформации, относящейся к стационарной деформации. Зависимость этойскорости напряжения от механизма ползучести.

При третичной ползучести скорость деформации экспоненциально расширенного напряжения. Это может быть вызвано явлением образования шейки, внутренними трещинами или пустотами, которые уменьшают площадь поперечного сечения и увеличивают истинное напряжение в области, что еще больше ускоряет деформацию и приводит к разрушению.

Механизмы деформации

В зависимости от температуры и напряжения активируются механизмыдеформации. Обычно работает механизм, который обычно участвует в процессе почти полной деформации.

Различные механизмы:

Объемная диффузия (Ползучесть по Набарро - Херрингу )
Диффузия по границам зерен (Ползучесть Coble )
Управляемая скольжением ползучесть дислокаций : дислокации перемещаются посредством скольжения и подъема, и скорость скольжения является доминирующим фактором деформации
Ползучесть дислокации, управляемая скорость: дислокацииперемещаются путем скольжения и подъема, скорость подъема ведущим фактором скорости деформации
Ползучесть по Харпер- Дорн: механизм ползучести при низком напряжении в некоторых чистых материалах

При низких температурах и низком напряжении ползучесть практически отсутствует, и вся деформация является упругой. При низких температурах и высоких напряжениях материалы испытывают пластическую деформацию, а не ползучесть тенденцию к преобладающей ситуации. В то время как при высокойтемпературе и высоком напряжении преобладает дисл окационная ползучесть.

Карты механ изма деформации

Карты механизмов деформации представляют собой визуальный инструмент для классификации механизмов деформации. функция как гомологической температуры, напряжения, нормализованного по модулю сдвига, и скорости деформации. Как правило, два из этих трех типов (чаще всего напряжение и напряжение) показывают себя осями карты, а третье отображается на карте как контуры.

Чтобы заполнить карту, найдены определяющие уравнения для каждого механизма деформации. Они используются для определения между механизмом деформации, а также контуров скорости деформации. Карты механизмов деформации одна из версий сравнения различных механизмов упрочнения, а также сравнение различных типов.

Общее уравнение

d ε dt = C σ mdbe - Q k T {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ varepsilon} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {C \ sigma ^ {m}} {d ^ {b}}} e ^ {\frac {-Q} {kT}}}

\ frac {\ mathrm {d} \varepsilon} {\ mathrm {d} t} = \ frac {C \ sigma ^ m} {d ^ b} e ^ \ frac {-Q} {kT}

где $ε {\ displaystyle {\ varepsilon}}$ ${\ varepsilon}$ - деформация ползучести, C - константа, зависящая от материала и конкретного механизма ползучести, m и b - показатели степени, зависящие от механизма ползучести, Q - энергия ползучести, σ - приложенное напряжение, d - размер зерна, k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура.

Дислокационная ползучесть

При высоких напряжениях (относительно модуля сдвига ) ползучестьконтролируется движением дислокаций. Для ползучести дислокаций Q = Q (самодиффузия), m = 4–6 и b меньше 1. Следовательно, ползучесть дислокаций сильно зависит от приложенного напряжения и собственной энергии активации, а также от размера зерна. По мере уменьшения размера зерна площадь границы зерна увеличивается, поэтому движение дислокаций затрудняется.

Некоторые сплавы демонстрируют очень большой показатель степени напряжения (m>10), и это обычно объясняется введением«порогового напряжения» σ th, ниже которого ползучесть не может быть измеряется. Затем модифицированное уравнение степенного закона принимает следующий вид:

d ε dt = A (σ - σ th) me - QR ¯ T {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ varepsilon} {\ mathrm {d} t }} = A \ left (\ sigma - \ sigma _ {\ rm {th}} \ right) ^ {m} e ^ {\ frac {-Q} {{\ bar {R}} T}}}

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ varepsilon} {\ mathrm {d} t}} = A \ left (\ sigma - \ sigma _ {\ rm {th}} \ right) ^ {m} e ^ {\ frac {-Q} {{\ bar {R}} T}}}

где A, Q и m можно объяснить обычными механизмами (так, 3 ≤ m ≤ 10), R - газовая постоянная. Положительноепрепятствие, препятствие перемещению через препятствие. Другими словами, часть работы, необходимая для преодоления энергетического барьера препятствие, приложенным напряжением, а остальная часть - тепловая энергия.

Ползучесть Набарро - Херринга

Диаграмма, показывающая диффузию элементов и вакансий при ползучести Набарро-Херринга.

Ползучесть Набарро-Херринга (NH) - это форма диффузионной ползучести, в то время как ползучесть дислокации не с диффузией элементами.Ползучесть Набарро - Херринга преобладает при высоких температурах и низких напряжениях. Как показано на рисунке справа, боковые стороны развертывания напряжения растяжения, горизонтальные стороны - напряжения сжатия. Атомный объем изменяется под воздействием приложенного напряжения: он увеличивается в области при растяжении и уменьшается в области при воздействии. Таким образом, активация энергии образования вакансии изменяется на ± $σ Ω {\ displaystyle \ sigma \ Omega}$ ${\ displaystyle \ sigma \ Omega}$ , где $Ω {\ displaystyle \ Omega}$ $\ Omega$ - это атомного Объем, знак « $+ {\ displaystyle +}$ $+$ » предназначен для сжатия, знак « $- {\ displaystyle -}$ $-$ » - для области растяжения. Фракционная структура вакансий вакансий $exp ⁡ (- Q f ± σ Ω RT) {\ textstyle \ exp (- {\ frac {Q_ {f} \ pm \ sigma \ Omega} {RT}})}$ ${\ textstyle \ exp (- {\ frac {Q_ {f} \ pm \ sigma \ Omega} {RT}})}$ , где $Q f {\ textstyle Q_ {f}}$ ${\textstyle Q_ {f}}$ - энергия образования вакансии, вакансия выше в областях растяжения, чем в областях сжатия, что приводит кчистому потоку вакансий из области под растяжением в области под сжатием, и это эквивалентно чистой диффузии элементов в противоположном направлении, что вызывает деформацию ползучести: зерно удлиняется по оси растягивающего напряжения и сжимается по оси сжимающего напряжения.

При ползучести Набарро - Херринга учитывает факторы диффузии элементов через решетку, Q = Q (самодиффузия), m = 1 и b = 2. Следовательно, ползучесть Набарро - Херринга имеет слабую зависимость от напряжения иумеренную зависимость от размера зерна при этой скорости ползучести.

Ползучесть Набарро - Херринга сильно зависит от температуры. Для решеточной диффузии элементов в материале соседние узлы решетки или межузельные узлы в кристаллической структуре должны быть свободными. Данный атом также должен преодолеть энергетический барьер, чтобы переместиться из своего текущего места (он находится в энергетически выгодной потенциальной яме ) к ближайшему вакантному месту (другаяпотенциальная яма). Общая форма уравнения диффузии: $D = D 0 e EKT {\ displaystyle D = D_ {0} e ^ {\ frac {E} {KT}}}$ ${\ displaystyle D = D_ {0} e ^ {\ frac {E} {KT}}}$ где D 0 имеет зависимость от частоты перехода, так и от числа соседних узлов, а также от вероятности того, что эти узлы будут вакантными. Таким образом, существует двойная зависимость от температуры. При более высоких температурах коэффициент диффузии увеличивается из-за прямой температурной зависимости уравнения, увеличение вакансий за счет образованиядефекта Шоттки и увеличения средней энергии элементов в материале. Ползучесть Набарро - Херринга преобладает при очень высоких температурах по температурной плавления материала.

Ползучесть по камню

Ползучесть по камню - это вторая форма ползучести, управляемой диффузией. При ползучести Булыжник атомы диффундируют по границам зерен, удлиняя оси вдоль оси напряжения. Это приводит к тому, что ползучесть по Coble имеет более сильную зависимость от зерна, чем ползучестьпо набарро - Херрингу, поэтому ползучесть по Coble будет более в материалах, состоящих из очень мелких зерен. Для ползучести Кобла связана с коэффициентом диффузии элементов вдоль границы зерен, Q = Q (диффузия по границам зерен), m = 1 и b = 3. Диаграмма Q (диффузия по границам зерен) < Q(self diffusion), Coble creep occurs at lower temperatures than Nabarro–Herring creep. Coble creep is still temperature dependent, as the temperature increases so does the grain boundary diffusion. However, since the number of nearest neighbors is effectively limited along the interface of the grains, and thermal generation of vacancies along the boundaries is less prevalent, the temperature dependence is not as strong as in Nabarro–Herring creep. It also exhibits the same linear dependence on stress as Nabarro–Herring creep. Generally, the diffusional creep rate should be the sum of Nabarro–Herring creep rate and Coble creep rate. Diffusional creep leads to grain-boundary separation, that is, voids or cracks form between the grains. To heal this, grain-boundary sliding occurs. The diffusional creep rate and the grain boundary sliding rate must be balanced if there are no voids or cracks remaining. When grain-boundary sliding can not accommodate the incompatibility, grain-boundary voids are generated, which is related to the initiation of creep fracture.

Ползучесть сопротивления растворенного вещества

Ползучесть с увлечением растворенного вещества - это один из видов механизма степенного ползучести (PLC), включающий как дислокационный, так идиффузионный поток. Ползучесть растворенного вещества в некоторых металлических сплавах. Их скорость ползучести увеличивается на первой стадии ползучести перед установлением состояния, что можно объяснить с помощью моделей, не связанных с упрочнением твердого раствора. Несоответствие и краевых дислокаций может ограничивать движение дислокаций. Напряжение течения, необходимое для движения дислокаций, увеличение при низких температурах из-за неподвижности растворенных элементов. Но атомырастворенного вещества подвижны при более высоких температурах, поэтому атомы растворенного вещества могут двигаться вместе с краевыми дислокациями в качестве «тормозящего» их движения, если движение дислокации или скорость ползучести не слишком высоки. Скорость ползучести растворенного вещества составляет:

$d ε dt = CD sol σ 3 ε b 2 c 0 {\ displaystyle {\ frac {d \ varepsilon} {dt}} = C {\ frac {D _ {\ rm {sol }} \ sigma ^ {3}} {\ varepsilon _ {b} ^ {2} c_ {0}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac { d \ varepsilon} {dt}} = C {\ frac {D _ {\ rm {sol}} \ sigma ^ {3}} {\ varepsilon _ {b} ^ {2} c_ {0}}}}$

где C - постоянная, Dsol - коэффициент диффузии растворенного вещества, $c 0 {\ displaystyle c_ {0}}$ $c_ {0}$ - уровень растворенного вещества, а $ε b {\ displaystyle \ varepsilon _ {b}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {b}}$ - параметр несоответствия, $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ - приложенное напряжение. Таким образом, из приведенного выше уравнения видно, что m равно 3 для ползучести с сопротивлением растворенного вещества. Ползучесть растворенного вещества демонстрирует особое явление, которое называетсяэффектом Портвена-Ле Шателье. Когда напряжение становится достаточно большим, дислокации отрываются от частиц вещества. После отрыва напряжения уменьшается, и скорость дислокации также уменьшается, что позволяет атомам растворенного вещества приближаться и снова достигать ранее удаленных дислокаций, что приводит к увеличению. Процесс повторяется при достижении следующего локального максимума напряжения. Таким образом, формирующиеся локальные максимумы и минимумы напряжения обнаружены во времяползучести растворенного вещества.

Ползучесть с подъемом-скольжением дислокации

Ползучесть с подъемом-скольжением дислокации наблюдается в материалах при высоких температурах. Начальная скорость ползучести больше, чем скорость стационарной ползучести. Ползучесть с подъемом-скольжением можно проиллюстрировать следующим образом: когда приложенное напряжение недостаточно для того, чтобы движущаяся дислокация подъема преодоления препятствий на своем пути только посредствомскольжения дислокации, дислокация может происходить на параллельную плоскость скольжения посредством диффузионных процессов, дислокация может происходить в параллельном скольжении. скользить на новом самолете. Этот процесс повторяется каждый раз, когда дислокация встречает препятствие. Скорость ползучести может быть записана как:

$d ε dt = ACGDLM 1/2 (σ Ω k T) 4.5 {\ displaystyle {\ frac {d \ varepsilon} {dt}} = {\ frac {A _ {\ rm {CG}} D _ {\ rm {L}}} {M ^ {1/2}}} \ left ({\ frac {\ sigma\ Omega} {kT}} \ right) ^ {4.5}}$ ${\ displaystyle {\ frac {d \ varepsilon} {dt} } = {\ frac {A _ {\ rm {CG}} D _ {\ rm {L}}} {M ^ {1/2}}} \ left ({\ frac {\ sigma \ Omega} {kT}} \ справа) ^ {4.5}}$

где A CG включает детали геометрии дислокации петли, D L - коэффициент диффузии решетки, M - количество источников дислокаций в единице объема, $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ - приложенное напряжение, а $Ω {\ displaystyle \ Omega}$ $\ Omega$ - атомный объем. Показатель m для ползучести с подъемом-скольжением дислокации равен 4,5, если M не зависит от напряжения, и это значение m согласуется с результатами значительныхэкспериментальных исследований.

Ползучесть Харпера - Дорна

Ползучесть Харпера - Дорна - это контролируемый подъемом дислокационный механизм при низких напряжениях, который наблюдался в системах из алюминия, свинца и олова, а также в системах неметаллов, таких как керамика и лед. Он обладает зависимостью между установившейся скоростью деформации и величиной нагрузки при постоянной температуре и величине приложенного напряжения. Последнее наблюдение подразумевает, чтоползучесть Харпера - Дорна контролируется движением дислокаций; а именно, поскольку ползучесть может происходить из-за диффузии вакансий (ползучесть по Набарро-Херрингу, ползучесть по Коблу), зернограничного скольжения и / или движения дислокаций, и первые два механизма от размера зерна, ползучесть по Харперу-Дорна должна быть дислокационной. зависит от движения.

Тем не менее, ползучесть по Харперу - Дорна другими механизмами ползучести в ситуациях и поэтому не наблюдается вбольшинстве систем. Феноменологическое уравнение, описывающее ползучесть Харпера - Дорна, выглядит так:

d ε dt = ρ 0 D v G b 3 k T (σ s G) {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ varepsilon} {\ mathrm {d} t}} = \ rho _ {0} {\ frac {D_ {v} Gb ^ {3}} {kT}} \ left ({\ frac {\ sigma _ {s}} {G}} \ справа)}

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \ varepsilon} {\ mathrm {d} t}} = \ rho _ {0} {\ frac {D_ {v } Gb ^ {3}} {kT}} \ left ({\ frac {\ sigma _ {s}} {G}} \ right)}

где: $ρ 0 {\ displaystyle \ rho _ {0}}$ $\ rho _ {0}$ - плотность дислокаций (постоянная для ползучести Харпера - Дорна), $D v {\ displaystyle D_ {v}}$ $D_ {v}$ - коэффициент диффузиив объеме материала, $G {\ displaystyle G}$ $G$ - модуль сдвига и $b {\ displaystyle b}$ $b$ - вектор Бургера, $σ s {\ displaystyle \ sigma _ {s}}$ $\ sigma_s$ .

Объемная энергия активации указывает, что скорость ползучести Харпера - Дорна контролируется диффузией вакансий к дислокациям и от них., что приводит к контролируемому подъемом движению дислокации. В другом механизме ползучести, плотность дислокаций здесь постоянна и не зависит от приложенного напряжения. Кроме того,плотность дислокаций должна быть низкой, чтобы ползучесть по Харперу - Дорну преобладала. Было предложено увеличивать плотность по мере, как дислокации перемещаются посредством поперечного скольжения от одной плоскости скольжения к другой, тем самым увеличивая длину дислокации на единицу объема. Поперечное скольжение также может приводить к изгибам по длине достаточно дислокации, если они большие, могут действовать как источники односторонних дислокаций.

Спекание

При высокихтемпературах это энергетически благоприятен для усадки пустот в материале. Приложение растягивающего напряжения препятствует снижению энергии, полученной за счет усадки пустот. Таким образом, требуется определенная величина приложенного растягивающего напряжения, чтобы компенсировать эти эффекты усадки и вызвать рост пустот и трещинообразование при ползучести в материалах при высокой температуре. Это напряжение возникает на пределе спекания системы.

Напряжение, имеющее тенденцию ксокращению пустот, проходит через поверхность и отношение площади поверхности к объему пустот. Для общей пустоты с поверхностной энергией γ и использовать радиусами кривизны r 1 и r 2 предельное напряжение спекания составляет:

$σ sint = γ r 1 + γ r 2 {\ displaystyle \ sigma _ {\ rm {sint}} = {\ gamma \ over r_ {1}} + {\ gamma \ over r_ {2}}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ rm {sint}} = {\ gamma \ over r_ {1}} + {\ gamma \ over r_ {2}}}$

Ниже этого критического напряжения пустоты будут сокращаться а не расти. Дополнительные эффекты усадки пустот также результатыприложения сжимающего напряжения. Для типичного описания ползучести, приложенное растягивающее напряжение превышает предел спекания.

Ползучесть также объясняет один из влияющих на уплотнение во время спекания металлического порошка путем горячего прессования. Основным аспектом уплотнения является изменение формы частиц порошка. Это изменение включает в себя остаточную деформацию кристаллических твердых тел. Приложенное сжимающее напряжение во время прессования увеличивает скоростьусадки пустот и позволяет установить связь между закономерностью установившейся степени ползучести и скоростью уплотнения материала. Наблюдается, что это явление является одним из основных механизмов уплотнения на заключительных стадиях спекания, во время которого происходит уплотнение (в предположении, что поры отсутствуют от газа) можно объяснить следующим образом:

$ρ ˙ = 3 A 2 ρ (1 - ρ) [1 - (1 - ρ) 1 N] N (3 2 P en) n {\ displaystyle {\ dot {\ rho}} = {3A \ over 2} {\ rho (1- \ rho) \over [ 1- (1- \ rho) ^ {1 \ over n}] ^ {n}} \ left ({3 \ over 2} {P_ {e} \ over n} \ right) ^ {n}}$ ${\ displaystyle {\ dot {\ rho}} = {3A \ over 2} {\ rho (1- \ rho) \ over [1- (1- \ rho) ^ {1 \ over n}] ^ {n}} \ left ({3 \ over2} {P_ {e} \ over n} \ right) ^ {n} }$

Где $ρ ˙ {\ displaystyle {\ dot {\ rho}}}$ ${\ dot {\ rho}}$ - это коэффициент уплотнения, $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - это плотность, $P e {\ displaystyle P_ {e}}$ $P_ { e}$ - приложенное давление, $n {\ displaystyle n}$ $n$ значение показателя степени скорости деформации, а A - константа, зависящая от механизм. A и n взяты из следующей формы общего уравнения стационарнойползучести:

$ϵ ˙ = A σ n {\ displaystyle {\ dot {\ epsilon}} = A \ sigma ^ {n}}$ ${\ Displaystyle {\ точка {\ epsilon}} = A \ sigma ^ {n}}$

где $ϵ ˙ {\ displaystyle {\ dot {\ epsilon}}}$ ${\ dot {\ epsilon}}$ - скорость деформации, а $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ - растягивающее напряжение. Для целей этого механизма константа $A {\ displaystyle A}$ $A$ происходит из следующего выражения, где $A ′ {\ displaystyle A '}$ $A'$ - это безразмерная экспериментальная постоянная, μ - модуль сдвига, $b {\ displaystyle b}$ $b$ - вектор Бюргерса, $k {\ displaystyle k}$ $к$ - постоянная Больцмана, $T {\ displaystyle T }$ $T$ - абсолютная температура, $D 0 {\ displaystyle D_ {0}}$ $D_ {0}$ - коэффициент диффузии, а $Q {\ displaystyle Q}$ $Q$ - энергия активации диффузии:

$A = A ′ D 0 μ bk T exp ⁡ (- Q k T) {\ displaystyle A = A ^ {'} {D_ {0} \ mu b \ over kT} \ exp \ left (- {Q \ over kT} \ right)}$ $A=A^{'}{D_{0}\mu b \over kT}\exp \left(-{Q \over kT}\right)$

Примеры

Полимеры

а) приложенное напряжение и б) индуцированнаядеформация как функции время в течение короткого периода для вязкоупругого материала.

Ползучесть может возникать в полимерных и металлах, которые считаются вязупругими материалами. Когда полимерный материал подвергается резкой силе, реакцию можно смоделировать с помощью модели Кельвина-Фойгта. В этой модели материал представиной гуковской пружиной и ньютоновской деталью. Деформация ползучести определяется следующим интегралом свертки :

ε (t) = σ C 0 + σ C ∫ 0 ∞ f (τ) (1 - exp ⁡ [- t / τ]) d τ {\ Displaystyle \ varepsilon (т) = \ сигма С_ {0} + \ сигма С \ int _ {0} ^ {\ infty} е (\ тау) (1- \ ехр [-т / \ тау]) \, \ mathrm {d} \ tau}

\ varepsilon (t) = \ sigma C_ {0} + \ sigma C \ int _ {0} ^ {\ infty} f (\ tau) (1- \ exp [-t / \ tau]) \, {\ mathrm {d}} \ tau

где:

σ = приложенное напряжение
C0= мгновенная податливость ползучести
C = коэффициент податливости ползучести
$τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ = время замедления
$f (τ) {\ displaystyle f (\ tau)}$ $f (\ tau)$ = распределение времен замедления

При воздействии ступенчатого постоянного напряжения вязкоупругие материалы испытывают увеличение в зависимости от времени. Это явление известно как вязкоупругая ползучесть.

В момент времени t 0 вязкоупругий материал нагружается постоянным напряжением, которое сохраняется в течение длительного периода времени. Материал реагирует на напряжение растяжением, которое увеличивается до тех пор, пока материал не разрушается. Когда напряжение сохраняется в течение более короткогопериода времени, материал испытывает начальную деформацию момента времени t 1, в котором напряжение снимается, после чего деформация немедленно уменьшается (прерывистость), продолжает постепенно уменьшаться до остаточная деформация.

Данные вязкоупругой ползучести могут быть представлены одним из двух способов. Общая деформация может быть отображена как функция времени для данной температуры или температуры. Ниже критического значения приложенного напряжения может проявитьлинейную вязкоупругость. Выше этого критического напряжения скорость ползучести растет непропорционально быстрее. Второй способ графического представления вязкоупругой ползучести материала заключается в построении графика модуля ползучести (постоянного приложенного напряжения, деленного на общую деформацию в конкретный момент времени) как функции времени. Ниже критического напряжения модуль вязкоупругой ползучести не зависит от приложенного напряжения. Семейство кривых, описывающих зависимостидеформации от времени на различные приложенные напряжения, может быть представлена одной кривой модуля вязкоупругой ползучести от времени, если приложенные напряжения ниже критического напряжения значения материала.

Кроме того, известно, что молекулярная масса интересующего полимера влияет на его характеристики ползучести. Эффект увеличения молекулярной массы способствует вторичному цепзыванию между полимерными материалами, таким образом, делает полимер более устойчивым к ползучести.Точно так же ароматические полимеры даже более устойчивы к ползучести из-за повышенной жесткости колец. И молекулярная масса, и ароматические кольца повышают термическую стабильность полимеров, увеличительное сопротивление ползучести полимера.

Ползучесть могут как полимеры, так и металлы. Полимеры испытывают значительную ползучесть при температуре выше прибл. –200 ° С; однако есть три основных различия между ползучестью полимеров и металлов.

Ползучесть полимеров проявляется восновном двумя способами. При типичных рабочих нагрузках (от 5 до 50%) полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой (Spectra, Dyneema ) будет демонстрировать линейную во времени ползучесть, тогда как полиэстер или арамиды (Тварон, Кевлар ) покажут ползучесть с логарифмическим временем.

Древесина

Древесина считается ортотропным материалом, проявляющим разные механические свойства в трех взаимно перпендикулярныхнаправлениях. Эксперименты показывают, что тангенциальное направление в массивной древесине тенденцию демонстрировать немного более высокую податливость к ползучести, чем в радиальном направлении. В продольном направлении податливость к ползучести относительно низка и обычно не показывает никакой зависимости от времени по другим направлениям.

Также было показано, что существует существенная разница в вязкоупругих свойствах древесины в зависимости от способа нагружения (ползучесть присжатии или растяжении). Исследования показали, что некоторые коэффициенты Пуассона постепенно изменяются от положительных до значений значений в течение испытания на ползучесть при сжатии, чего не происходит при растяжении.

Бетон

Ползучесть бетона, развивающая из-за гидратов силиката кальция (CSH) в затвердевшей пасте портландцемента (который является связующим веществом минеральных заполнителей), принципиально отличается от ползучести металлов, а такжеполимеров. В отличие от ползучести металлов, возникает проблема всех уровней напряжения и в пределах диапазона рабочих напряжений линейно зависит от постоянного напряжения, если содержание воды в порах. В отличие от ползучести полимеров и металлов, он проявляет многомесячное старение, вызванное химическим упрочнением из-за гидратации, которое делает микроструктуру жесткостью, и многолетнее старение, вызванное длительной релаксацией самоуравновешенных микронапряжения в нанонапряжениях. пористаямикроструктура CSH. Если бетон полностью высох, он не ползет, хотя высушить бетон без серьезных трещин сложно.

Приложения

Ползет на нижней стороне картонной коробки: большая часть пустая коробка была помещена на меньшую коробку, и больше коробок было помещено на нее. Из-за веса пустого ящика, не поддерживаемые нижние опорой, отклонялись вниз.

Хотя в основном из-за снижения предела текучести при более высоких температурах, обрушение Всемирного торгового центра былоотчасти из-за ползучести из-за повышенной температуры.

Скорость ползучести горячих компонентов под давлением в ядерном устройстве может быть значительным конструктивным ограничением, поскольку скорость ползучести увеличивается за счет потока энергичных частиц.

Ползучесть эпоксидного анкерного клея была обвинена в обрушении потолка туннеля Big Dig в Бостоне, Массачусетс, которое произошло в июле 2006 года.

Конструкция вольфрамовых ламп накаливанияуменьшает деформацию ползучести. Провисание катушки накала между опорами со временем увеличивается из-за веса нити. Если происходит слишком большая деформация, соседние витки катушки касаются друг друга, вызывая короткое замыкание и локальный перегрев, что быстро приводит к выходу нити из строя. Таким образом, геометрия катушки и опоры предназначены для ограничения напряжений, вызываемых весом нити, и используется специальный вольфрамовый сплав с небольшим количеством кислорода, захваченного награницах зерен кристаллита . для снижения скорости ползучести.

Ползучесть может вызвать постепенное прорезание изоляции провода, особенно когда напряжение концентрируется путем прижатия изолированного провода к острой кромке или углу. В устройствах для наматывания проводов используются специальные устойчивые к ползучести изоляционные материалы, такие как Kynar (поливинилиденфторид ), чтобы предотвратить прорезание из-за острых углов зажимов дляпроволочной обмотки. Тефлоновая изоляция устойчива к повышенным температурам и обладает другими желательными свойствами, но, как известно, она уязвима для сквозных отказов, вызванных ползучестью.

На паротурбинных электростанциях по трубам проходит пар при высоких температурах (566 ° C (1051 ° F)) и давлениях (выше 24,1 МПа или 3500 фунтов на квадратный дюйм). В реактивных двигателях температура может достигать 1400 ° C (2550 ° F) и вызывать деформацию ползучести даже в турбинныхлопатках усовершенствованной конструкции с покрытием. Следовательно, для правильной работы важно понимать поведение материалов при деформации ползучести.

Деформация ползучести важна не только в системах, выдерживающих высокие температуры, таких как атомные электростанции, реактивные двигатели и теплообменники, но и при проектировании многих повседневных объектов. Например, металлические скрепки прочнее пластиковых, потому что пластик ползет при комнатной температуре. В качестве примераэтого явления часто ошибочно используются стареющие стеклянные окна: измеримая ползучесть может возникать только при температурах выше температуры стеклования около 500 ° C (932 ° F). В то время как стекло действительно проявляет ползучесть при правильных условиях, очевидное провисание старых окон может быть следствием устаревших производственных процессов, таких как те, которые использовались для создания коронного стекла, что привело к непостоянной толщине.

Фрактальная геометрия, использующая детерминированную структуру Кантора, используется для моделирования топографии поверхности, где представлены последние достижения в области термовязкоупругого контакта ползучести с шероховатыми поверхностями. Для моделирования поверхностных материалов используются различные вязкоупругие идеализации, в том числе модели Максвелла, Кельвина – Фойгта, стандартные линейные твердые тела и модели Джеффри.

Нимоник 75 сертифицирован Европейским Союзом вкачестве стандартного эталонного материала для ползучести.

Практика лужения многожильных проводов для облегчения процесса подключения провода к винтовой клемме, хотя и была распространенной и считалась стандартной практикой долгое время, была не рекомендуется профессиональными электриками из-за того, что припой может сползать под давлением, оказываемым на конец луженого провода винтом клеммы, в результате чего соединение теряет натяжение и, следовательно,создается неплотный контакт через некоторое время. Общепринятая практика при подключении многожильного провода к винтовой клемме заключается в использовании наконечника на конце провода.

Предотвращение

Как правило, материалы имеют лучшее сопротивление ползучести, если они имеют более высокие температуры плавления, более низкий коэффициент диффузии и более высокую прочность на сдвиг. Плотноупакованные структуры обычно более устойчивы к ползучести, посколькуимеют тенденцию иметь более низкий коэффициент диффузии, чем неплотноупакованные структуры. Common methods to reduce creep include:

Solid solution strengthening : adding other elements in solid solution can slow diffusion, as well as slow dislocation motion via the mechanism of solute drag.
Particle dispersion strengthening: adding particles, often incoherent oxide or carbide particles, block dislocation motion.
Precipitation hardening : precipitating a second phase outпервичной решетки блокирует движение дислокаций.
Размер зерна: увеличение размера зерна уменьшает количество границ зерен, что приводит к более медленной ползучести из-за высокой скорости диффузии по границам зерен. Это противоположно низкотемпературным приложениям, где увеличение размера зерна снижает прочность, блокируя движение дислокаций. В системах с очень высокими температурами, таких как турбины реактивных двигателей, часто используются монокристаллы.

Суперсплавы

Материалы, работающие при высоких температурах peratures, such as this nickel superalloy jet engine (RB199 ) turbine blade, must be able to withstand creep present at these temperatures.

Материалы, используемые в высокопроизводительных системах, таких как реактивные двигатели, часто достигают экстремальных температур, превышающих 1000 ° C, что требует специальной конструкции материалов. Суперсплавы на основе Co, Ni и Fe обладают высокой устойчивостью к ползучести. Термин «суперсплав» обычно относится к аустенитным сплавам наоснове Ni, Fe или Co, в которых используется дисперсионное упрочнение γ ’или γ” для сохранения прочности при высокой температуре... γ ’фаза представляет собой фазу Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) кубической структуры L12, которая дает кубические выделения. Суперсплавы часто имеют высокую (60-75%) объемную долю выделений γ ’. Выделения γ ’когерентны с исходной γ-фазой и устойчивы к сдвигу из-за развития противофазной границы, когда осадок сдвигается. Γ ”-фаза представляет собойтетрагональную структуру Ni3Nb или Ni3V. Однако γ ”фаза нестабильна при температуре выше 650 ° C, поэтому γ” менее широко используется в качестве упрочняющей фазы при высоких температурах. Карбиды также используются в поликристаллических суперсплавах для предотвращения скольжения по границам зерен... Многие другие элементы могут быть добавлены в суперсплавы для изменения их свойств. Их можно использовать для упрочнения твердого раствора, чтобы уменьшить образование нежелательных хрупкихосадков и повысить стойкость к окислению или коррозии. Суперсплавы на основе никеля нашли широкое применение при высоких температурах и низких напряжениях. Суперсплавы на основе Fe обычно не используются при высоких температурах, поскольку γ’-фаза нестабильна в матрице Fe, но иногда используются при умеренно высоких температурах, поскольку железо значительно дешевле никеля. Γ ’структура на основе кобальта была обнаружена в 2006 году, что позволило разработать суперсплавы на основе кобальта,которые превосходят суперсплавы на основе никеля по коррозионной стойкости. Однако в базовой системе (Co-W-Al) γ 'стабилен только при температуре ниже 900 ° C, а суперсплавы на основе Co имеют тенденцию быть более слабыми, чем их аналоги из Ni.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Эшби, Майкл Ф. ; Джонс, Дэвид Р. Х. (1980). Технические материалы 1: Введение в их свойства и применение. Pergamon Press. ISBN 978-0-08-026138-6.
Фрост, Гарольд Дж.; Эшби, Майкл Ф. (1982). Карты механизма деформации: пластичность и ползучесть металлов и керамики. Pergamon Press. ISBN 978-0-08-029337-0.
Тернер, С. (2001). Ползучесть полимерныхматериалов. Оксфорд: Elsevier Science Ltd., стр. 1813–1817. ISBN 978-0-08-043152-9.

Внешние ссылки

Исследовательская группа по анализу ползучести - Туринский политехнический университет
Карты механизма деформации, пластичность и ползучесть металлов и Керамика
Национальный институт стандартов и технологий - Брифинг WTC
«Введение в ползучесть». Архивировано из оригинального 17.06.2008. Проверено 16 октября 2008 г.