Повзучість – це повільне наростання в часі пластичної деформації матеріалу при силових діях, менших від тих, які можуть викликати залишкову деформацію при випробуваннях звичайної тривалості. Повзучість супроводжується релаксацією напружень, тобто поступовою зміною напружень у тілі при постійній його деформації.
Повзучість мають практично всі конструкційні матеріали. Для сталей і чавунів повзучість істотна лише при підвищених температурах (вище 300 °С) і проходить тим інтенсивніше, чим вища температура. Для металів із низькою температурою плавлення (свинець, алюміній), для бетону, дерева, гуми, пластмаси повзучість помітна і при кімнатних температурах.
Тепловою крихкістю називають явища зменшення пластичності, що визначається за виміром деформації при постійному навантаженні металу при високих температурах.
Необхідно розрізняти дві основні групи механічних властивостей: опір пластичній деформації при тривалих статичних навантаженнях (визначення межі повзучості), опір руйнуванню (тривала міцність) і пластичність при тривалих статичних навантаженнях.
Процес повзучості супроводжується двома взаємно протилежними явищами: зміцненням і знеміцненням. Зміцнення (наклеп) виникає внаслідок пластичної деформації, а знеміцнення є результатом рекристалізації (тобто утворення кристалічних зерен із досконалішою структурою за рахунок вихідних деформованих зерен з менш досконалою структурою), яка проходить при гарячій деформації. У результаті рекристалізації знижуються міцність і твердість металу і збільшується його пластичність.
Короткочасні випробування при високих температурах не характеризують повною мірою метал щодо його повзучості. Для цього проводяться спеціальні випробування (ГОСТ 3248-81).
Випробування на повзучість при розтягуванні полягають у тому, що випробовуваний зразок протягом довгого часу піддається дії постійного розтягувального зусилля і сталої температури. При цьому весь час фіксується деформація зразка (рис. 8.1).
Рисунок 8.1 – Зміна довжини навантаженого зразка через певні проміжки тимчасові: а – при кімнатній температурі; б – при температурі 600 °С
У результаті випробування визначають межу повзучості матеріалу, тобто те найбільше напруження, при якому швидкість або деформація повзучості за певний проміжок часу не перевищує заданої величини.
Для випробувань застосовують циліндрові зразки діаметром 10 мм, з розрахунковою довжиною 100 мм (нормальний зразок) і з розрахунковою довжиною 200 мм (подовжений зразок), а також плоскі зразки шириною 15 мм з розрахунковою довжиною 100 мм. Товщина зразка визначається при цьому товщиною листа. Допускається застосування зразків іншої форми і розмірів.
Розрахункова довжина циліндрових зразків L0 повинна дорівнювати 5d або 10d. Діаметр циліндрових зразків повинен бути не менше 5 мм. Поверхня зразків має бути гладкою, без рисок і пошкоджень.
Велика тривалість випробувань на повзучість, чутливість результатів випробувань навіть від порівняно невеликих коливань температури і необхідність точного вимірювання дуже малих деформацій вимагають застосування спеціальних машин і дуже точних приладів.
Для випробувань служить машина типу АІМА-5. Зразок, поміщений в електропіч, затиснений у захватах, піддається розтягувальній силі під дією постійного навантаження і температури (що підтримується сталою в межах одного випробування). Величина деформації відлічується за шкалою індикатора (при випробуванні на повзучість) або за міліметровою шкалою (при випробуванні на тривалу міцність).
Для вимірювання навантажень і деформацій використовують тензорезисторні датчики. Прилади для вимірювання деформації повинні забезпечувати точність не менше 0,002 мм.
Частини приладів, що виходять з печі, повинні бути сконструйовані й захищені так, щоб короткочасні зміни температури не впливали на показники приладів.
Нагрівальний пристрій повинен забезпечувати рівномірне нагрівання зразка до заданої температури і збереження останньої впродовж усього випробування.
Для вимірювання температури на зразках із розрахунковою довжиною до 100 мм включно повинно бути встановлено не менше двох термопар, а на зразках з розрахунковою довжиною понад 100 мм – не менше трьох термопар, розподілених рівномірно по всій розрахунковій довжині. Термопари встановлюють так, щоб гарячі спаї щільно стикалися з поверхнею зразка; гарячий спай термопари повинен бути захищений від дії розжарених стінок печі.
Вимірювання температури потрібно проводити приладами з похибками не більш 0,5%. Необхідно періодично не рідше одного разу на годину вимірювати температуру потенціометром. Рекомендується автоматичний запис температури впродовж усього випробування.
Встановлений у захватах випробувальної машини і поміщений у піч зразок нагрівають до заданої температури (час нагрівання, як правило, повинен бути не більше 8 год) і витримують його при цій температурі не менше 1 год. В окремих випадках час попередньої витримки може бути відповідно менше 1 год. Наприклад, якщо випробовуваний матеріал має нестабільну структуру і призначається для недовгих термінів служби.
Температура випробування вибирається кратною 50 °С, якщо за умов дослідження не потрібна спеціальна температура.
Після нагрівання зразка до заданої температури і витримки при ній не менше 1 год до зразка плавно прикладають попереднє навантаження, що дорівнює приблизно 10% від заданого загального навантаження (яке не повинне викликати в зразку напруження більше 9,8 МПа), і знімають показники приладу для вимірювання деформації.
Якщо температура зразка і показники вимірювань подовження залишаються протягом 5 хв незмінними, то зразок плавно навантажують до заданого навантаження.
Одночасно з додаванням навантаження візуально визначається початок деформації зразка, для цього вмикається прилад для автоматичного запису подовження. Інтервали для запису подовження повинні вибиратися з таким розрахунком, щоб у процесі випробування можна було повністю встановити характер зміни подовження.
Після закінчення випробування на повзучість зразок розвантажують до величини попереднього навантаження і визначають абсолютну величину залишкового подовження.
Максимальне тривалодіюче напруження, при якому деформація ще дорівнює нулю, називається теоретичною межею повзучості.
Процес випробування зображають у вигляді первинної кривої повзучості в координатах «відносне подовження – час» і визначають напруження, відповідне умовній межі повзучості матеріалу (рис. 8.2).
а б
Рисунок 8.2 – Криві повзучості: а – для однакових умов випробування, б – для різних умов випробування
Умовною межею повзучості є напруження, яке викликає за встановлений час випробування при даній температурі задане подовження зразка (сумарне ?с або залишкове ?0).
Сумарне або залишкове відносне подовження – це зміна розрахункової довжини зразка щодо первинної розрахункової довжини, виражена у відсотках.
Первинна розрахункова довжина L0 повинна вимірюватися при нормальній температурі перед випробуванням зразка.
Умовну межу повзучості визначають таким чином:
- випробовують не менше чотирьох зразків при даній температурі й різних напруженнях;
- на основі одержаних кривих повзучості (рис. 8.2) будують діаграми залежності між напруженням і подовженням або між напруженням і середньою рівномірною швидкістю повзучості на прямолінійній ділянці в логарифмічній системі координат (допускається обробка даних випробувань в інших системах координат). За цими діаграмами знаходять шукане напруження. Величини меж повзучості потрібно визначати з точністю до 4,9 МПа (0,5 кгс/мм2) і округляти у бік зменшення;
- після того як шукане напруження знайдене не менше ніж при трьох різних температурах випробування, будується діаграма залежності між напруженням і температурою.
При визначенні за величиною деформації межа повзучості повинна позначатися трьома числовими індексами: двома нижніми й одним верхнім. Перший нижній індекс позначає задане подовження (сумарне або залишкове) у відсотках; другий нижній індекс – задану тривалість часу випробування в годинах; верхній індекс – температуру в градусах Цельсія.
Приклад 1. – межа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 год випробування при температурі 700 °С.
При цьому необхідно додатково вказати, за сумарною чи залишковою деформацією визначалася межа повзучості.
У разі визначення за швидкістю повзучості межа повзучості повинна позначатися ? з двома числовими індексами: одним верхнім і одним нижнім. Нижній індекс означає задану швидкість повзучості (%/год), верхній індекс означає температуру випробування в °С.
Приклад 2. – межа повзучості при 1·10-5 %/год при температурі 600 °С.
При цьому необхідно додатково вказати час випробування, за яке була досягнута задана швидкість повзучості.
Залежно від навантаження, температури випробування і властивостей металу, що перевіряється, деформація при збільшенні тривалості випробування може проходити з невеликою швидкістю (криві Б і В на рис. 8.2) або, навпаки, швидко збільшуватися до руйнування (криві Г і Д).
Повзучість визначається при розтягуванні, крученні, згині й при складно напруженому стані. Випробування можна проводити при сталій температурі та постійному напруженні (ізотермічний метод), при змінній температурі і постійному напруженні (дилатометричний метод) і при сталій температурі і змінному напруженні (метод релаксації).
Дилатометричний і релаксаційний методи відрізняються від ізотермічного тим, що подовження зразка від повзучості в них негайно компенсується або за рахунок зміни температури (при дилатометричному методі), або за рахунок зміни напруження (при методі релаксації). При цьому припиняється процес повзучості і про деформацію доводиться робити висновки непрямим шляхом за тепловим або пружним подовженням зразка.
Під релаксацією розуміють зниження напруження в навантаженому зразку при незмінній початковій деформації. В цьому випадку співвідношення величин пружної і пластичної деформації, з яких складається початкова деформація, не залишається постійним, оскільки відбувається поступове наростання пластичної деформації за рахунок пружної. Найширшого застосування набув ізотермічний метод, оскільки він точніше відтворює дійсні умови служби деталей (постійність температури і напруження).
До різновидів ізотермічного методу належать: визначення напруження, що викликає задану швидкість деформації при сталому процесі повзучості (умовна межа повзучості за швидкістю деформації); визначення напруження, що викликає за певний проміжок часу загальну деформацію обумовленої величини (умовна межа повзучості за сумарною деформацією), і визначення напруження, яке приводить до повного припинення повзучості (фізична межа повзучості).
– межа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 год випробування при температурі 700 °С.
– межа повзучості при 1·10-5 %/год при температурі 600 °С.