Ползучесть алюминиевых сплавов
Испытание алюминиевых сплавов на ползучесть
Обычные испытания образцов на растяжении выполняются при непрерывном увеличении нагрузки и, следовательно, напряжений. Считается, что соответствующие деформации при данном напряжении не зависят от времени. Если, однако, напряжение достаточной величины, но ниже предела прочности прилагать постоянно в течении длительного времени, то деформации будут непрерывно увеличиваться (рисунок 1). Если напряжения достаточно велики и прилагаются достаточно долго, то образец разрушится приблизительно также как и при плавном увеличении нагрузки.
Fig. 1 – Creep Curves for an Aluminium-Copper Alloy Stressed at 110 MPa [1]
Это явление называется ползучестью. Ползучесть – это медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при обычных испытаниях на растяжение. Интенсивность этого явления с ростом рабочей температуры возрастает.
Испытания алюминия на ползучесть заключаются в том, что испытываемый образец в течение длительного времени подвергается воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуры. При этом все время фиксируется удлинение образца.
Результат испытания на ползучесть выражается не только численным значением напряжения, а также рабочей температурой, длительностью нагружения и количеством полученной деформации. На рисунке представлены такие кривые ползучести для алюминиевого сплава Al-Cu.
Такие данные важны для проектирования конструкций, которые будут подвергаться силовым воздействиям и нагреву. Это может быть, например, транспортное средство для перевозки горячего гудрона (требуемый срок службы 1000 часов) или технологический сосуд высокого давления (требуемый срок службы 100000 часов). Может быть также необходимость расчета срока службы конструкции в чрезвычайных ситуациях, например, сохранение целостности конструкции, окруженной огнем (30 минут) или даже очень короткий срок службы до разрушения, как это нужно для оболочки ракетоносителя (2 минуты). Во всех этих случаях время до разрушения при данном уровне напряжения и температуре является конструкционным параметром.
Информация, которую использует конструктор, является результатом испытаний некоторого количества, иногда большого, образцов на растяжение при различных уровнях напряжения и постоянной температуре, а также при различных температурах и постоянном напряжении. При этом длительность испытания может достигать нескольких тысяч часов. Так получают семейство кривых ползучести, такие как на рисунке.
Четыре стадии ползучести алюминия
На каждой из этих кривых деформация возрастает за четыре стадии:
– сначала упруго (от точки О до точки А);
– затем с замедлением скорости деформации (от А до В);
– на третьем участке кривой от В до С – почти с постоянной скоростью деформации, которая может быть пренебрежимо мала при малых напряжении и температуре;
– и, наконец, на участке от С до D, когда возрастающая скорость деформации приводит к разрушению образца.
На рисунке только верхняя кривая имеет последнюю стадию. Она указывает конструктору пути применения этих данных при проектировании изделий.
Один путь – ограничить суммарную ползучесть при данной температуре, скажем, величиной 0,1 % за 10000 часов при воздействии допустимых рабочих нагрузок.
Другой путь – ограничить рабочие напряжения до уровня, при котором конечная стадия кривой ползучести не достигается в течение срока службы алюминиевого изделия и при которых суммарная деформация в конце этого срока будет еще приемлемой.
Время, которое требуется для получения данных по ползучести, может быть очень большим. Обычно считается непрактичным продолжать испытания на ползучесть дольше нескольких тысяч часов. Однако конструкторам сосудов под давлением могут потребоваться данные о разрушении при длительности испытаний более 100000 часов. В таких случаях часто применяются специальные методы интерполяции данных.
Источник:
