Ползучесть металлов

Ползучесть металлов — это изменение деформации материала во времени при длительном воздействии нагрузки. Особенно заметно это явление при повышенных температурах, когда металл может постепенно деформироваться даже при напряжении, которое значительно ниже нагрузки, вызывающей быстрое разрушение при обычном испытании на растяжение.

Для деталей турбин, трубопроводов, энергетического оборудования, печей и других конструкций, работающих под нагрузкой в течение сотен или тысяч часов, такое поведение материала имеет практическое значение. Кратковременное испытание может показать достаточную прочность, но не отвечает на вопрос, как материал поведет себя через длительное время эксплуатации.

Для испытаний металлов на ползучесть применяется ГОСТ 3248-81 «Металлы. Метод испытания на ползучесть». Стандарт является действующим.

Что происходит с металлом при ползучести

После приложения нагрузки образец получает первоначальную деформацию. Если нагрузка и температура сохраняются, деформация может продолжать увеличиваться во времени. Это принципиальное отличие ползучести от обычной упругой деформации. При упругом нагружении изменение размеров связано главным образом с величиной приложенного усилия и после снятия нагрузки исчезает. При ползучести важным фактором становится время.

На скорость процесса влияют температура, напряжение, структура материала, его химический состав, термическая обработка и состояние образца. Чем выше температура и напряжение, тем быстрее обычно развивается ползучесть. Поэтому испытания проводят при строго заданных условиях, которые должны стабильно поддерживаться в течение всего периода наблюдения.

Кривая ползучести

Результаты удобно представлять в виде зависимости деформации от времени. Типичная кривая ползучести позволяет увидеть, как изменяется скорость деформирования материала на разных этапах испытания. Условно выделяют три стадии:

• Первая стадия характеризуется постепенным снижением скорости ползучести. После начала нагружения деформация развивается сравнительно быстро, затем процесс замедляется;
• Вторая стадия отличается относительно устойчивой скоростью деформирования. Именно этот участок часто представляет особый интерес при оценке длительного поведения материала;
• Третья стадия сопровождается ускорением деформации и может завершаться разрушением образца.

Выраженность отдельных стадий зависит от материала и условий испытания. Не каждое испытание обязательно проходит все три стадии до разрушения.

Почему температура так важна

При повышении температуры механизмы деформации металла меняются. Процессы, которые при комнатной температуре развиваются крайне медленно, при нагреве становятся значительно интенсивнее. Поэтому ползучесть особенно важна для жаропрочных сталей и сплавов, применяемых в энергетике, авиации и другом высокотемпературном оборудовании.

Температура образца должна поддерживаться стабильно не только в начале, но и в течение всего длительного испытания. Локальный перегрев, перепад температуры по рабочей длине или длительное отклонение от установленного режима способны повлиять на результат. По этой причине машина для испытаний на ползучесть обычно работает совместно с печью или другой системой температурного воздействия.

Как проводится испытание на ползучесть

Образец устанавливают в захваты испытательной машины и нагревают до заданной температуры. После стабилизации температурного режима прикладывают установленную нагрузку. Далее система должна длительно поддерживать заданное силовое воздействие, а средства измерения фиксируют изменение деформации образца во времени. Продолжительность зависит от материала, режима и целей исследования. В отличие от обычного испытания на растяжение, здесь речь может идти о длительной непрерывной работе оборудования.

Ключевое значение имеют стабильность нагрузки, температуры и измерения деформации. Ошибка любого из этих параметров на длительном интервале способна существенно исказить результат.

Ползучесть и длительная прочность — не одно и то же

Эти понятия связаны, но описывают разные характеристики. При испытании на ползучесть основное внимание уделяют развитию деформации во времени при заданных условиях. Длительная прочность характеризует способность материала сопротивляться разрушению при длительном воздействии нагрузки и температуры. Для металлов метод испытания на длительную прочность установлен ГОСТ 10145-81, который также продолжает действовать.

На практике оба вида испытаний часто выполняются на близком по назначению оборудовании, но цель испытания и обрабатываемые результаты различаются.

Какое оборудование применяется

Для таких задач используют специализированные машины, способные в течение длительного времени поддерживать требуемую нагрузку.

В линейке «Эталон-Профит» для этих испытаний предназначены машины серии X-TIME. Они применяются для длительной прочности, ползучести и релаксации напряжений и выпускаются с различными принципами нагружения: рычажным грузовым и пружинным, электромеханическим и непосредственным грузовым нагружением. Выбор исполнения зависит от требуемой силы, материала и размеров образца, длительности испытания, температурного режима и применяемой методики.

Машины X-TIME внесены в Государственный реестр средств измерений РФ, регистрационный № 96078-25. Для испытаний при повышенных температурах система может комплектоваться температурным оборудованием и средствами измерения деформации.

Что влияет на достоверность результата

Для длительных испытаний особенно важна стабильность условий. На результат могут влиять:

• точность и постоянство приложенной нагрузки;
• температура и равномерность нагрева образца;
• точность измерения деформации;
• правильность установки и соосность образца;
• стабильность работы оборудования во времени;
• геометрия и качество подготовки образца.

При испытании, которое продолжается долго, даже небольшое систематическое отклонение становится значимее, чем при кратковременном тесте.

Что дает испытание на ползучесть

Испытание позволяет увидеть не только текущее состояние материала, но и как его деформация развивается во времени. Для инженера это особенно важно при выборе материалов для деталей, которые должны длительно работать под нагрузкой и при высокой температуре. Именно поэтому ползучесть рассматривают отдельно от обычной прочности при растяжении. Кратковременное испытание отвечает на вопрос, какую нагрузку материал способен выдержать сейчас. Испытание на ползучесть помогает понять, что будет происходить с ним при длительной работе в заданных условиях.