Свойства основного металла

С ростом температуры в металле снижается прочность межатомных связей. Поэтому деформации и напряжения могут изменяться во времени даже при постоянных нагрузках. Различают два основных процесса— ползучесть и релаксацию. Изменение деформаций

во времени при постоянных напряжениях называют ползучестью металл а, а изменение напряжений во времени, при постоянных деформациях — простой релаксацией или р е л а к с а ц и е и.

У большинства конструкционных металлов при нагревании до температур (0,4 ÷ 0,5) Тпл (где Тпл выражена в К) процесс ползучести выражен сравнительно слабо. При более высокой температуре характер кривых ползучести зависит от уровня приложенных напряжений (рис. 6.1). Типичная кривая ползучести, например при σ = 190 МПа, содержит три участка, что соответствует трем стадиям ползучести. Первая стадия — неустановившаяся, когда скорость пластической деформации ползучести dε/dt уменьшается. На второй, установившейся, стадии процесс протекает с минимальной скоростью. На третьей стадии скорость пластической деформации возрастает и наступает разрушение. При невысоких температурах и малых напряжениях вторая и третья стадии могут отсутствовать. При высоких температурах и напряжениях первая стадия может непосредственно перейти в третью и кривая будет иметь вид, аналогичный кривой с σ = 200 МПа.

В эксплуатационных условиях наибольший интерес представляют вторая (когда недопустимы существенные изменения размеров деталей) и третья стадии ползучести, связанные с разрушением. Так как вторая стадия обычно продолжается намного больше, чем первая, деформацию ползучести оценивают, как правило, по второй стадии. С ростом напряжения и температуры возрастает скорость ползучести. Многие экспериментальные данные хорошо описываются зависимостью

где έmin — скорость пластической деформации dε/dt на второй стадии; п и k — постоянные коэффициенты, зависящие от температуры и состава металла; а—напряжение при одноосном растяжении. На рис. 6.2 представлены экспериментальные точки и линии в соответствии с формулой (6.1), которые в логарифмических координатах являются прямыми. Значения 1г и п приводятся в справочной литературе.

Для деталей установок, работающих при высоких температурах, нередко бывает необходимо устанавливать допускаемое напряжение в зависимости от пластической деформации, возникающей вследствие ползучести. В качестве условной характеристики сопротивляемости металла ползучести принимают предел ползучести σп,

который может определяться двояко. Для машин и установок с малой общей длительностью работы — не более сотен часов — за предел ползучести принимают напряжение, при котором деформация за заданный промежуток времени достигает значения, установленного техническими условиями. В деформацию включают как существенную часть и деформацию на первой, неустановившейся, стадии ползучести. Для деталей установок, работающих

длительное время, учитывают деформации на установившейся стадии. Пределом ползучести в этом случае является напряжение, при котором скорость деформации соответствует. установленной техническими условиями. Для деталей стационарных энергетических установок скорость деформации обычно принимают 1 % за 10⁵ ч (или примерно 11,5 года) и предел ползучести обозначают как αТ10⁵где Т — температура испытания, °С. Испытания обычно проводят в течение 2 · 10³— 6 · 10³ч при заданной температуре и разных (обычно трех) уровнях напряжений. Затем, используя формулу (6.1), откладывают результаты испытаний на графике lgσ — lgέmin и экстраполируют прямую в точку установленной скорости деформации, например 10^-5 %/ч, для получения σп, (рис. 6.3).

Испытание металла на длительную прочность проводят до разрушения образца. Чем выше температура и напряжение, тем раньше происходит разрушение. Точка перелома прямой линии (рис. 6.4, а) соответствует переходу от вязких разрушений с образованием шейки, которые характерны для высоких напряжений, невысоких температур и сравнительно коротких промежутков времени до разрушения, к хрупким межзеренным (интеркристаллическим) разрушениям, которые происходят при более низких напряжениях, высоких температурах и длительных выдержках. Переход к хрупким разрушениям происходит за счет постепенного ослабления границ зерен.

На каждом из прямолинейных участков справедлива степенная зависимость

где t — время до разрушения; А и т— постоянные для данного материала, температуры и характера разрушения. Зависимость (6.2) позволяет экстраполировать результаты кратковременных испытании на более длительный срок, но во избежание существенных ошибок не более чем на порядок.

Прочность материала при высокой температуре, находящегося под напряжением в течение длительного времени, оценивается пределом длительной прочности σд.п — напряжением, вызывающим разрушение при заданной температуре через определенный промежуток времени. Для стационарных установок принимают σд.п = σ10⁵, вызывающее разрушение через 10⁵ ч. Для транспортных установок используют σ10², σ10³, σ10⁴. На рис. 6.5 приведены значения σ10⁵ для ряда

материалов.

Для сокращения времени испытаний на длительную прочность используют параметрические зависимости между температурой испытания и временем до разрушения при неизменном напряжении. Одной из наиболее распространенных является зависимость Ларсона—Миллера (рис. 6.6)

Р=Т(С+lgt), (6.3)

где Р — параметр, который является постоянным числом для конкретного металла и уровня приложенных напряжений; Т— температура, К; С— постоянная, часто близкая к 20; I— время, ч.

Параметрическая зависимость позволяет по данным относительно кратковременных испытаний при более высоких температурах определять длительную прочность при более низких (эксплуатационных) температурах. Для получения значения параметра необходимо иметь результаты нескольких испытаний при постоянном

напряжении, разных температурах и однотипном разрушении. При этом максимальная температура испытания не должна превышать рабочую более чем на 50—100 °С.

Пластичность металла, оцениваемая по удлинению образцов до разрушения, существенно зависит от характера разрушения (рис. 6.4, б). При вязком разрушении происходит монотонное уменьшение пластичности по мере увеличения времени до разрушения. При переходе от вязкого разрушения к хрупкому межзеренному (t3, t2) пластичность резко снижается. Разрушения конструкций, в том числе и сварных, при высоких температурах, как правило, происходят без заметной пластической деформации, т. е. хрупко. Изучение причин хрупкости по результатам испытании на длительную прочность требует большого времени и затруднено разбросом значений пластической деформации. Более стабильные результаты по высокотемпературной пластичности могут быть получены за сравнительно короткие промежутки времени при испытаниях с постоянной скоростью деформации, обеспечиваемой равномерным перемещением захватов машины. Установлены закономерности изменения пластичности при высоких температурах. При

относительно невысоких температурах в случае вязкого разрушения пластичность снижается с уменьшением скорости деформации. Однако это снижение невелико. При более высоких температурах с уменьшением скорости деформации происходит переход к межзеренному разрушению, что влечет за собой существенное умень-

шение пластичности. В некотором диапазоне скоростей деформации пластичность достигает минимума, и при дальнейшем уменьшении скорости либо не меняется, либо слабо повышается. Значение ми-

нимальной пластичности может быть одним из критериев склонно-

сти стали к хрупкому разрушению.

При испытаниях с постоянной скоростью деформации, но различных температурах пластичность имеет минимум, положение которого смещается в область более низких температур при меньшей скорости деформации. В перлитных сталях минимальная пластичность наблюдается в области 500—600 °С и составляет 3—5 %. Аустенитные стали более склонны к хрупким разрушениям. Минимальная пластичность у них составляет доли процента в диапазоне 550—600 °С. У сплавов на никелевой основе пластичность падает при 600—750 °С. Значения минимальной пластичности определяются характером легирования, структурой, зависящей от термической обработки, предварительной пластической деформацией, которая снижает пластичность.

Концентраторы напряжений снижают прочность и пластичность при высоких температурах. Чувствительность материала к концентрации напряжений выявляется при растяжении цилиндрических образцов со спиральным надрезом и оценивается следующими коэффициентами:

где σд.пн, δн — длительная прочность и пластичность надрезанного образца; σд.пг, δг — то же, гладкого образца. Значения Кδ находятся в пределах 0,5—1, а Кδ может изменяться в большом диапазоне от 0,8 до 0,04; особенно низкие значения Кδ у высокопрочных аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе.

Процесс простой релаксации протекает при постоянной полной деформации, которая включает в себя упругую и пластическую составляющие:

где σ0 — начальное напряжение, вызывающее полную деформацию σ0 /Е; σ/Е — упругая составляющая деформации, переменная в времени; εпл — пластическая деформация ползучести. Упругая составляющая деформации непрерывно уменьшается, а пластическая — увеличивается. Характер кривой а при постоянной температуре показан на рис. 6.7.

Для сварных конструкций процесс релаксации напряжений представляет интерес как средство снижения собственных остаточных напряжений после сварки (см. гл. 7).

Дата добавления: 2015-07-08