Почему постоянная нагрузка меняет размеры
Ползучесть — накопление деформации во времени под действием напряжения. Деталь может постепенно удлиняться, хотя приложенная сила не увеличивается и кратковременный предел текучести не достигнут. Поэтому проверка статической прочности при комнатной температуре не отвечает на вопрос, сохранится ли размер после тысяч часов работы. Для металлов эффект особенно важен при повышенной температуре; полимеры, припои и некоторые другие материалы заметно изменяются уже в обычных условиях эксплуатации.
Исходные данные должны включать марку, состояние материала, температуру, напряжение и продолжительность выдержки. Напряжение указывают в МПа, время в часах или секундах, относительную деформацию — безразмерной величиной либо процентами. Скорость ползучести имеет размерность ч⁻¹ или с⁻¹. Переход между ними требует множителя 3600. Само обозначение «жаропрочный сплав» без режима испытания не задаёт допустимую деформацию.
Как читать кривую испытания
После начального упругого скачка часто выделяют три стадии. На первичной стадии скорость снижается вследствие упрочнения. На вторичной она близка к минимальной и приблизительно постоянна. На третичной скорость возрастает из-за повреждения, образования полостей и изменения сечения. Такая схема полезна для чтения графика, однако все три участка проявляются не в каждом материале и не при каждом режиме.
| Показатель | Что описывает | Практическое решение |
|---|---|---|
| Деформация за заданное время | Изменение размера при фиксированных температуре и напряжении | Проверка зазора или положения детали |
| Минимальная скорость | Темп накопления деформации на выбранном участке | Ограниченная оценка дальнейшего изменения |
| Время до разрушения | Длительная прочность в конкретном испытании | Проверка ресурса с предусмотренными запасами |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Постоянная сила и постоянное истинное напряжение — разные условия. При уменьшении площади сечения неизменная сила создаёт возрастающее напряжение. Если применяют номинальное напряжение по исходной площади, это следует написать явно. Для тонкого стержня можно начинать с одноосной модели; в массивном узле необходимо учитывать многоосность и перераспределение напряжений.
Условный расчёт изменения длины
Пусть образец длиной 100 мм выдерживается при 600 °C и номинальном напряжении 80 МПа. Для учебного примера примем измеренную на вторичной стадии скорость 2·10⁻⁶ ч⁻¹. Эти числа заданы условно и не являются характеристикой конкретной стали. Дополнительная выдержка 500 ч на этом участке даёт Δε = 2·10⁻⁶·500 = 0,001, то есть 0,1 %. Соответствующее удлинение ΔL = 100·0,001 = 0,10 мм.
Полученный результат относится только к дополнительной вторичной деформации. Начальное упругое удлинение и накопление на первичной стадии в него не входят. Нельзя продолжать эту прямую до разрушения: переход к третичной стадии нарушает предположение о постоянной скорости. Для посадки дополнительно сравнивают изменение обеих деталей и температурное расширение, иначе даже правильно найденное удлинение не определяет рабочий зазор.
Границы модели и проверка ресурса
Степенная зависимость скорости от напряжения, известная как закон Нортона, нуждается в экспериментально определённых коэффициентах. Она не является универсальным законом для всех температур и материалов. В исследовании NIST нитрида кремния AS800 при 1200–1370 °C и 50–400 МПа экспоненциальные зависимости описывали данные лучше простой степенной. Этот результат показывает необходимость проверки формы модели, а не разрешает переносить керамические коэффициенты на металлический болт.
При проектировании задают отдельно допустимое изменение размера и критерий разрушения. Затем выбирают данные именно для рассматриваемого материала и обработки, проверяют диапазон экстраполяции, влияние среды и термоциклов. Для критичного узла полезно испытание представительного образца с регистрацией температуры и деформации. Уменьшение напряжения, охлаждение или увеличение сечения оценивают повторным расчётом, поскольку одновременно могут измениться жёсткость, распределение нагрузки и тепловое состояние.
Источник: NIST: исследование ползучести AS800 и ограничений закона Нортона. На странице доступны аннотация, диапазон испытаний и библиографические сведения.