Основы расчётов на ползучесть

Ползучесть — сталь

Ползучесть сталей исследуется специальными продолжительными испытаниями при рабочих температурах и напряжениях с замером значений деформации во времени.
 

Ползучесть сталей наблюдается при температурах выше 350 С.
 

Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться ( ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре

Практически считают, что, начиная с 400, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть.
 

Ползучесть стали заключается в том, что детали, находящиеся длительное время под нагрузкой при высоких температурах, приобретают способность непрерывно пластически деформироваться ( ползти) при напряжениях, значительно меньших, чем предел текучести металла для данной температуры, определенный кратковременным испытанием.
 

Исследована ползучесть стали Х18Н10Т с неталлокерамическими покрытиями Ш ( состав, в мас.
 

Характеристика ползучести стали для деталей газопроводов, применяемых в условиях давлений 1001 — 2500 кГ / см2, должна соответствовать специальным техническим условиям.
 

Оценка ползучести стали характеризуется фазой установившегося процесса с постоянной скоростью.
 

Скорость ползучести стали тесно связана с температурой, резко увеличиваясь с возрастанием последней; поэтому понятие о ползучести стали всегда относится к той или иной температуре.
 

Сопротивление ползучести сталей связано с другими механическими свойствами и обусловлено сложным взаимодействием компонентов микроструктуры. Карбиды, нитриды и карбонитриды способствуют дисперсионному упрочнению и препятствуют скольжению по границам зерен. Если содержание углерода и азота уменьшается, число карбидов и нитридов также уменьшается, следовательно, пределы ползучести и прочности будут уменьшаться ( табл. 11.3), а пластичность увеличиваться. Вторичным эффектом уменьшения содержания углерода является увеличение количества свободного хрома в матрице. Это приводит к образованию ст-фазы, которая может вызвать уменьшение пластичности и предела прочности. В одном из экспериментов предел прочности в среде натрия уменьшился примерно на 15 % по сравнению с данными для воздуха. Обычно рассматривалось суммарное действие всех эффектов, поэтому существует опасение, что если изменение состава относится только к границам зерен, то может произойти очень сильное падение пластичности. Недавняя работа указывает, что такой эффект может существовать, соответствуя третьей стадии на кривой ползучести.
 

Пределом ползучести стали при данной температуре называют напряжение, при котором непрерывно увеличивающаяся остаточная деформация, при заданном времени, достигнет назначенной величины. Очевидно, что предел ползучести — величина условная. При прочих равных условиях ( температура, марка металла и суммарная остаточная деформация) он может изменяться в зависимости от принятого времени. Точно так же можно варьировать величину суммарной деформации при неизменном времени.
 

Характеристики ползучести стали должны также учитываться при составлении норм контроля надежности котельных элементов в эксплуатации по измерению накопленной деформации.
 

Характеристика ползучести стали для деталей газопро-водов, применяемых в условиях давлений 1001 — 2500 кГ / см2, должна соответствовать специальным техническим условиям.
 

Характеристики ползучести стали должны также учитываться при составлении норм контроля надежности котельных элементов в эксплуатации по измерению накопленной деформации.
 

Факторы, влияющие на ползучесть

Многочисленные исследования в области металлургии свидетельствуют о том, что развитие ползучести зависит от таких факторов:

• структурные особенности конкретных образцов (могут различаться в зависимости от места изъятия – например, продольный или поперечный срез);
• химический, фазовый состав, тип кристаллической решетки;
• жаропрочные сплавы менее подвержены деформациям;
• вибрация может ускорять процесс разрушения;
• внешние условия, в которых находятся комплектующие механизма (тип установки, точность измерений, воздействие побочных факторов);
• примененное напряжение.

Параметр важен при расчете металлических конструкций, чтобы за время службы изделие не получило больших разрушений. К деталям, работающим в условиях высокого нагрева, должна прикладываться нагрузка, не превышающая предельно допустимую.

Интерес представляют данные, характеризующие скорость ползучести при контакте жидкого металла с твердым. Монокристаллы цинка покрывали расплавленным оловом химическим или электролитическим способом. Далее воздействовали температурой и напряжением. Результаты свидетельствовали о том, что скорость разрушения металла возрастала по сравнению с данными, полученными на воздухе.

Единой теории ползучести не существует. На эту тему написано много научных работ, проведены испытания, выявлены определенные закономерности. Процесс тесно соприкасается с механизмом пластичности, в ходе которого образуются упругие и неупругие деформации.

Ползучесть в бетоне

Ползучесть — это увеличение деформации бетона с течением времени при постоянном напряжении. Это свойство бетона, которое проявляется в структурных преобразованиях и уменьшении объема, особенно когда нагрузка от давления используется в высокой степени.

Сползание возможно благодаря воде, содержащейся в цементном камне . Внешняя нагрузка приводит к изменению места молекул воды в геле цементного камня. Кроме того, между частицами геля происходят процессы сжатия и скольжения. Химически несвязанная вода выдавливается из пор цемента в капилляры и испаряется, что приводит к усадке геля. Увеличение деформаций ползучести со временем становится все меньше и прекращается только через несколько лет.

Ползучесть состоит из двух частей. Составляющая обратимой деформации, которая уменьшается с задержкой по времени после разгрузки, также известная как обратная ползучесть, мало зависит от возраста бетона и достигает своего окончательного значения через короткое время. Доминирующий компонент необратимой деформации остается полностью неизменным после снятия нагрузки ; его также называют течением, но он сильно зависит от возраста бетона и достигает своего значения только через долгое время. При неблагоприятных условиях окончательный индекс ползучести может достигать значения примерно 3,0, т.е. ЧАС. деформации бетона из-за ползучести в три раза больше, чем из-за упругой деформации.

На характер и степень ползучести влияют не только величина нагрузки и возраст бетона, но также объем цементного камня и водоцементное соотношение. Другими параметрами являются влажность, геометрия поперечного сечения компонента, скорость твердения цемента и прочность бетона на сжатие . Коэффициенты ползучести определяются в лаборатории с помощью испытания на ползучесть .

Информация в DIN 1045-1 относится к линейной ползучести при напряжении сжатия, т. Е. ЧАС. коэффициенты ползучести не зависят от уровня нагрузки. Это относится к растяжению примерно 45% прочности цилиндра бетона. При более высоких сжимающих напряжениях в бетоне возникает нелинейная ползучесть в результате увеличения микротрещин в бетоне. Деформации ползучести непропорционально возрастают с увеличением нагрузки.

При расчете предварительно напряженных бетонных деталей ( предварительно напряженного бетона ) ползучесть бетона является важным параметром, который необходимо учитывать, поскольку предварительное напряжение обычно вызывает большие сжимающие напряжения в бетоне. Возникающее при ползучести сжатие бетонного компонента снижает предварительную деформацию стали и, следовательно, усилие предварительного напряжения. Однако ползучесть бетона также может иметь решающее значение при проверке несущей способности тонких железобетонных колонн или при проверке деформации тонких потолков .

Ползучесть не следует путать с усадкой бетона, которая представляет собой уменьшение объема из-за потери влаги в бетоне.

Получение постоянных ползучести из справочных данных

В этом примере разбирается процесс получения постоянных ползучести по справочным данным для материала из нержавеющей стали.

Согласно классическому степенному закону Бэйли-Нортона, деформация ползучести в момент времени t, когда изменение температуры не рассматривается, определяется как:

В диалоговом окне Материал постоянные C, C₁ и C₂ обозначены как:

C = Постоянная ползучести 1, C₁ = Постоянная ползучести 2, а C₂ = Постоянная ползучести 3

В приведенном выше уравнении: Постоянная ползучести 1 (C) рассчитывается в системе единиц СИ (напряжение в Н/м2 и время в сек.), Постоянная ползучести 2 (C₁ >1) не имеет единиц измерения, а Постоянная ползучести 3 (C₂) находится в диапазоне от 0 до 1.

Из приведенных ниже справочных данных о ползучести вычисляются постоянные ползучести для уравнения состояния ползучести. В таблице приведены значения постоянных напряжений при постоянных температурах, которые могут вызвать деформацию ползучести равную 1% в течение продолжительного периода. Эти данные относятся к нержавеющей стали класса 310.

Выберите данные напряжения для температуры 550C Предполагая, что C₂ =1 из приведенного выше уравнения состояния ползучести, имеется система из 2 уравнений с 2 неизвестными C и C₁. Сначала вы рассчитываете C₁. Два уравнения для состояния ползучести:

0,01 = C * 110 C₁* 10 000 (Ур.1)

0,01 = C * 90 C₁* 100 000 (Ур.2)

Приравнивая два уравнения и используя логарифмические функции:

C₁ * log (110) = C₁ * log (90) +1 (Ур.3)

Из (Ур.3) вы вычисляете C₁ = 11,47.

Вы можете использовать (Ур.1) или (Ур.2) для вычисления C. C рассчитывается в единицах СИ, поэтому необходимо применять коэффициенты пересчета.

C = 0,01 / ((90E6)11,47 * 100 000 *3600) = 1,616E-102

Введите три постоянные ползучести в диалоговом окне Материал:

Постоянная ползучести 1 = 1,616E-102 , Постоянная ползучести 2 = 11,47, Постоянная ползучести 3 = 1

В диалоговом окне Материал выберите Включить эффект ползучести, чтобы активировать расчет ползучести для выбранной модели материала. Расчеты ползучести учитываются только для нелинейных исследований. Эффект ползучести недоступен для линейных упругих ортотропных или изотропных материалов.

Настройки решающей программы для расчетов ползучести

• В диалоговом окне Материал выберите Включить эффект ползучести, чтобы активировать расчет ползучести для выбранной модели материала. Расчеты ползучести поддерживаются только для нелинейных исследований с сеткой твердых тел. Эффекты ползучести не поддерживаются для оболочек или балок. Учет ползучести недоступен для линейных упругих ортотропных или изотропных материалов.
• Если вы учитываете эффекты ползучести в нелинейном исследовании, выберите параметр Автоматически (автошаг), чтобы повысить вероятность сходимости (диалоговое окно Нелинейное исследование). Решающая программа вычисляет исходное значение для деформации ползучести ε_org, и если ε_org превышает 1,0, решение заканчивается. Если решающая программа превышает максимальные равновесные итерации, необходимые для достижения сходимости, решение завершается, а программа выдает соответствующие сообщения об ошибках с корректирующими действиями.
• Для параметраРешающая программа выберите Автоматический выбор решающей программы.
• Введите Время окончания в секундах (диалоговое окно Нелинейное исследование).

Причины и свойства

Ползучесть материалов экспериментально изучают прежде всего при простых напряженных состояниях: одноосных растяжении, сжатии, а также чистом сдвиге. Условия проведения таких экспериментов определены ГОСТами. Ползучесть при сложных напряженных состояниях изучают обычно на тонкостенных трубчатых образцах.

Кривая ползучести

Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении).

Её условно делят на три участка, или стадии:

• АВ — участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I),
• BC — участок установившейся ползучести — деформации, идущей с постоянной скоростью (стадия II),
• CD — участок ускоренной ползучести (стадия III),
• E — деформация в момент приложения нагрузки,
• точка D — момент разрушения.

Стадии ползучести

Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа).

Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Ползучесть и пластичность

Описанные кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и других твёрдых тел. Структурный же механизм ползучести, то есть элементарные процессы, приводящие к ползучести, зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит ползучесть. Физический механизм ползучести, особенно при высоких температурах, имеет преимущественно диффузионную природу и тем отличается от механизма деформирования при пластичности, которая связана с быстрым скольжением вдоль атомных плоскостей зёрен поликристалла (Ю. Н. Работнов. Механика деформируемого твёрдого тела). Всё многообразие элементарных процессов необратимой пластической деформации, приводящих к ползучести, можно условно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций (дефектов в кристалле), и процессы, обусловленные диффузией . Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при достаточно высоких температурах. При температурах, близких к температурам плавления различие между ползучестью и пластичностью становится менее выраженным. При неизменной общей деформации напряжения в нагруженном теле с течением времени убывают вследствие ползучести, то есть происходит релаксация напряжений.

Жаропрочность

Высокое сопротивление ползучести является одним из факторов, определяющих жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление ползучести характеризуют пределом ползучести — напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В авиационном моторостроении принимают время, равное 100—200 ч, при конструировании стационарных паровых турбин — 100 000 ч. Иногда сопротивление ползучести характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость полной деформации ε˙{\displaystyle {\dot {\varepsilon }}} складывается из скорости ε˙e{\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{e}} упругой деформации и скорости ε˙π{\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }} деформации ползучести.

Положение в теории

Теория ползучести близко примыкает к теории пластичности, однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории ползучести нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения:

ε˙π=f(s,t){\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,t)}

где s{\displaystyle s} — напряжение, t{\displaystyle t} — время, которая удовлетворительно описывает ползучесть при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости ε˙π{\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }} от s{\displaystyle s}.

Более полное описание ползучести даёт теория упрочнения:
ε˙π=f(s,ε˙π){\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,{\dot {\varepsilon }}_{\pi })} ,

которая удобна для приближённого анализа кратковременной ползучести при высоком уровне напряжений. Теория упрочнения правильно улавливает некоторые особенности ползучести при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.

В механике полимеров обычно пользуются теорией наследственности:

ϕ(ε)=σ(t)+∫tK(t−τ)σ(τ)dτ{\displaystyle \phi (\varepsilon )=\sigma (t)+\int \limits _{0}^{t}K(t-\tau )\sigma (\tau )\;d\tau }

где K(t−τ){\displaystyle K(t-\tau )} так называемые ядро последействия, которое характеризует, в какой мере в момент времени t{\displaystyle t} ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент τ{\displaystyle \tau }.

Так как напряжение действует и в другие моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, эффекта обратной ползучести).

История

Явление ползучести было замечено К. Навье (1826 г.), Г. Кориолисом (1830 г.), но впервые количественно изучено Л. Вика (1834 г.). Систематические исследования ползучести металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу XX века и особенно к 40-м годам, когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с ползучестью дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Потребовались конструкционные материалы (жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что ползучесть может происходить только при повышенных температурах, однако ползучесть имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре −269 °С, а у железа — при −169 °С.

Ползать по полу

Грунты со временем деформируются под действием сжимающих и сдвигающих нагрузок. С одной стороны, это уплотнение, при котором , плохо грунты поглощают или высвобождают поровую воду только с задержкой по времени; с другой стороны, ползучесть играет важную роль из-за вязкости почвы.

В случае сжимающих нагрузок при одномерных (oedometric) или гидростатических ( изотропных ) напряжений, то плотность элемента почвы увеличивается дополнительно при постоянных эффективных напряжений. Увеличение плотности следует следующему эмпирическому закону для одномерного сжатия:

εcрзнак равноС.а(1-е)⋅бревно⁡(тт){\ Displaystyle \ varepsilon _ {cr} = C_ {a} (1-e_ {0}) \ cdot \ log (т / т_ {0})}

с участием

• εcр{\ displaystyle \ varepsilon _ {cr}} одномерное удлинение из-за ползучести
• С.а{\ displaystyle C_ {a}}эмпирический коэффициент ползучести
  
• е{\ displaystyle e_ {0}}начальное количество пор
• т{\ displaystyle t_ {0}} справочное время.