Предел ползучести металлов

Ползучесть металлов проявляется в постепенном накоплении деформации при длительном воздействии нагрузки. Для инженерных расчётов важно не только наблюдать этот процесс, но и определить, при каком напряжении деформация материала остаётся в установленных пределах.

Для этого используют предел ползучести. Характеристика особенно важна для жаропрочных сталей и сплавов, деталей турбин, котельного и печного оборудования, трубопроводов и других конструкций длительной эксплуатации. Метод испытания металлов на ползучесть установлен ГОСТ 3248-81 «Металлы. Метод испытания на ползучесть».

Условный предел ползучести всегда задаётся вместе с условиями испытания. Недостаточно указать только значение напряжения, ведь необходимо понимать, при какой температуре, за какое время и по какому критерию оно было определено. Поэтому одинаковый материал может иметь разные значения предела ползучести в зависимости от температуры, продолжительности испытания и выбранного допуска на деформацию.

ДВА ПОДХОДА К ОПРЕДЕЛЕНИЮ

ГОСТ 3248-81 предусматривает определение условного предела ползучести по двум основным критериям. Оба способа решают одну задачу — позволяют количественно оценить допустимый уровень напряжения для длительной работы материала.

По заданному удлинению образца. Определяют напряжение, при котором за установленное время достигается заданная суммарная или остаточная деформация.

По заданной скорости ползучести. Определяют напряжение, соответствующее установленной средней скорости деформирования на характерном участке кривой ползучести.

ПОЧЕМУ ВАЖНЫ ВРЕМЯ И ТЕМПЕРАТУРА

Для предела ползучести нельзя рассматривать напряжение отдельно от условий испытания. При повышении температуры процессы деформации обычно ускоряются. То напряжение, при котором материал медленно деформируется при одной температуре, при более высокой температуре может привести к значительно большей деформации за тот же период. Время также является частью характеристики. Чем дольше действует нагрузка, тем больше может накопиться деформация. Поэтому результат всегда относится к конкретной продолжительности испытания. ГОСТ приводит, например, обозначения предела ползучести при заданной деформации за установленное число часов либо при установленной скорости ползучести.

КАК ОПРЕДЕЛЯЮТ ПРЕДЕЛ ПОЛЗУЧЕСТИ

Для получения характеристики одного короткого испытания недостаточно. Испытывают серию образцов при одной температуре и нескольких уровнях напряжения. Для каждого образца регистрируют изменение деформации во времени и строят первичную кривую ползучести. Затем определяют деформацию либо скорость ползучести, соответствующую каждому уровню напряжения.

По ГОСТ 3248-81 при определении условного предела ползучести испытания проводят обычно при трёх-четырёх уровнях напряжений, после чего строят зависимости между напряжением и удлинением либо между напряжением и средней скоростью ползучести. По этим зависимостям находят искомое напряжение.

Такой подход позволяет получить характеристику материала, а не результат, относящийся только к одному конкретному образцу.

ПОЛЗУЧЕСТЬ, ПРЕДЕЛ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Эти понятия связаны, но описывают разные стороны поведения материала.

Ползучесть — сам процесс изменения деформации во времени под действием нагрузки и температуры.

Предел ползучести — напряжение, соответствующее установленному критерию деформации или скорости её накопления.

Предел длительной прочности связан уже с разрушением материала за заданное время при установленной температуре.

На практике металл может ещё сохранять целостность, но накопленная деформация уже окажется недопустимой. Поэтому характеристики ползучести и длительной прочности дополняют друг друга.

КАКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТРЕБУЕТСЯ

Испытания выполняют на специализированных машинах, способных длительно поддерживать установленную нагрузку и обеспечивать точное измерение деформации образца. ООО «Эталон-Профит» выпускает машины серии X-TIME для испытаний на ползучесть, длительную прочность и релаксацию напряжений. В серии используются грузовое и пружинное рычажное, электромеханическое и непосредственное грузовое нагружение.

При испытаниях на предел ползучести особенно важны три элемента системы:

• стабильное воспроизведение нагрузки;
• поддержание заданной температуры;
• точное измерение деформации во времени.

Для высокотемпературных испытаний машины комплектуют печами или другими системами температурного воздействия, а измерение удлинения выполняют средствами, рассчитанными на длительную работу в соответствующем температурном режиме.

В отличие от испытания на длительную прочность, где ключевым событием является разрушение образца, при определении предела ползучести необходимо фиксировать сравнительно небольшие изменения деформации в течение продолжительного времени. Поэтому стабильность измерительной системы здесь непосредственно влияет на результат.

ЧТО ВЛИЯЕТ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТА

Длительность испытаний предъявляет повышенные требования ко всей системе. На результат влияют:

• точность поддержания нагрузки;
• температура и её равномерность по рабочей части образца;
• точность измерения деформации;
• соосность установки образца;
• качество его изготовления;
• стабильность оборудования в течение всего испытания.

Даже небольшое систематическое отклонение, сохраняющееся сотни или тысячи часов, способно повлиять на полученную характеристику.

ДЛЯ ЧЕГО ОПРЕДЕЛЯЮТ ПРЕДЕЛ ПОЛЗУЧЕСТИ

Предел ползучести используют при выборе и сравнении материалов для деталей, которые должны длительно сохранять геометрические размеры под нагрузкой и при повышенной температуре. Для таких конструкций недостаточно знать только, разрушится материал или нет. Важно понимать, не накопит ли он недопустимую деформацию ещё до разрушения.

Именно поэтому предел ползучести является одной из ключевых характеристик материалов длительной эксплуатации и дополняет данные по ползучести и длительной прочности.