0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Предел длительной прочности стали

Предел прочности стали

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

  • сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
  • изгибе — влияет на гибкость деталей;
  • кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
  • растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

Предел прочности стали

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

  • химический состав сплава;
  • термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σт. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

  • Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
  • Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
  • Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
  • Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
  • Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
  • Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

Читать еще:  С255 гост 27772 88 марка стали аналог

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Механические свойства характеризуют способность матери­ала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пла­стичность, твердость, ударная вязкость и др.

Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:

Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.

По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления — на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения — на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).

Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения — углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений — углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.

Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.

Предел пропорциональности σпц — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).

Предел упругости σуп — напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.

Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.

Временное сопротивление (предел прочности) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е. характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.

Относительное удлинение при разрыве δ — отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.

Относительное сужение при разрыве ψ — отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.

Условный предел текучести при изгибе σт.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.

Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.

Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.

Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.

Твердость по Бринеллю НВ — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.

Твердость по Роквеллу HRC, HRB — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.

Твердость по Виккерсу HV — твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.

Предел ползучести (условный) — длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.

Предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.

Предел выносливости — наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 10 6 ; 10 7 ; 10 8 ). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ, σ0p и τ.

Ударная вязкость ak — работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.

Упругое последействие: прямое — постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное — сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.

Наклеп — упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).

Старение (механическое) — самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение — при повышенных температурах.

Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) — от сдвига, хрупкое — от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве. Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.

Работа разрушения — величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа — площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа — работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.

Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С — 7,06 (в жидком состоянии).

Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.

Читать еще:  Диск по стали для торцовочной пилы

Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·10 6 кГ/см 2 ; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·10 6 кГ/см 2 . Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·10 6 кГ/см 2 .

Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см 2 ; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·10 4 кГ/см 2 ; для тросов с органическим сердечником E=1,3·10 6 кГ/см 2 .

Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·10 6 кГ/см 2 .

Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·10 6 кГ/см 2 .

Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.

Методы определения механических свойств металлов разделяют на:

— статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

— динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);

— циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).

1. Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).

Длительная прочность

Предел длительной прочности

Как отмечалось выше, разрушение образца, находящегося в условиях ползучести, может происходить как с образованием шейки (вязкое разрушение), так и без него (хрупкое разрушение). В первом случае разрушение, как правило, носит внутризеренный (транскристаллический) характер, во втором — межзеренный (интеркристаллический) характер. При этом наблюдаются многочисленные трещины внутри материала.

Разрушение первого типа характерно для поликристалличе- ских металлов при относительно невысоких температурах и относительно больших скоростях деформации, а также для металлических монокристаллов. Разрушение второго типа обычно наблюдается в поликристаллических металлах при относительно высоких температурах и относительно малых скоростях деформации. Иногда встречается разрушение смешанного типа, промежуточное между описанными выше, частично транскристаллическое, а частично интеркристаллическое, причем последнее имеет место в области, примыкающей к поверхности образца. Разрушение этого типа встречается в поликристаллических металлах при температурах, промежуточных по отношению к температурам первого и второго типов разрушения. Такой смешанный тип разрушения обычно не сопровождается образованием шейки. Таким образом, с повышением температуры вязкое разрушение сменяется хрупким.

Установлено, что с увеличением длительности пребывания металла в нагретом состоянии вследствие постепенного ослабления границ зерен наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому. Это явление называется охрупчиванием материала.

Из изложенного вытекает ошибочность утверждения того, что в условиях ползучести на концентрацию напряжений можно не обращать внимания, поскольку пики напряжений в условиях ползучести якобы сглаживаются. В действительности, в рассматриваемом случае при хрупком разрушении оно начинается, как правило, в окрестности концентраторов напряжений. Поэтому изучение концентрации напряжений в условиях ползучести имеет большое практическое значение.

Прочность материала, находящегося длительное время в напряженном состоянии при высокой температуре, оценивается пределом длительной прочности. Пределом длительной прочности оДЛ называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через определенный промежуток времени, к первоначальной площади поперечного сечения.

Таким образом, предел длительной прочности является условным напряжением. Для рассматриваемого материала он зависит от температуры испытания и отрезка времени до момента разрушения. Последний выбирают равным сроку службы детали. В настоящее время в зависимости от условий эксплуатации деталей представляют интерес пределы длительной прочности, определенные на базе 10 2 —10 5 ч. Очевидно, что с увеличением температуры и заданного промежутка времени до разрушения предел длительной прочности снижается.

При исследовании длительной прочности материала испытывается несколько одинаковых образцов при различных напряжениях и устанавливается время, необходимое для разрушения каждого образца. По результатам испытаний строят график зависимости предела длительной прочности от времени испытания до разрушения и по нему определяют предел длительной прочности для заданного промежутка времени испытания до разрушения.

В логарифмических координатах график зависимости предела длительной прочности от времени имеет вид ломаной линии, состоящей из двух прямых (рис. 6.1). Точка перелома графика обычно соответствует переходу от транскристаллического к интеркристаллическому разрушению. На рис. 6.1 крестиками изображены результаты испытаний образцов, разрушившихся транскристаллически, а кружочками — результаты опытов, завершившихся интеркристаллическим разрушением. Очевидно, что в определенных интервалах времени и напряжений точки перегиба на рассматриваемом графике может и не быть.

Поскольку в логарифмических координатах график зависимости предела длительной прочности от времени является линейным, зависимость времени до разрушения от предела длительной прочности является степенной:

где А и т для определенного материала зависят от температуры и характера разрушения транскристаллического или интеркристаллического; а,. — произвольная величина напряжения (см. § 2).

На рис. 6.2 в логарифмических координатах изображены графики зависимости предела длительной прочности от времени испытания до разрушения при различных температурах для сплава ХН70ВМТЮ (981.

Формула (6.1) устанавливает зависимость предела длительной прочности от времени разрушения для некоторого материала

Рис. 6.1. Зависимость предела длительной прочности от времени испытания до разрушения

Рис. 6.2. Кривые длительной прочности жаропрочного сплава на никелевой основе I98J: О —пределы длительной прочности, полученные при разрушении монотонно возрастающим напряжением

при определенной температуре. Для того чтобы отразить влияние на длительную прочность температуры, установить так называемые температурно-временные зависимости длительной прочности, были предложены различные температурно-временные параметры Я, являющиеся функциями предела длительной прочности. Это означает, что результаты испытаний на длительную прочность при различных температурах можно представить в виде одного графика зависимости предела длительной прочности от температурно-временного параметра Я.

Параметр Ларсона—Миллера [1251 имеет вид

где Т— абсолютная температура; lg t—десятичный логарифм времени; с — постоянная материала.

Параметр Мэнсона—Хаферда [112] определяется формулой

С помощью параметра Мэнсона—Хаферда, содержащего две постоянные, можно лучше отразить экспериментальные результаты, чем с помощью параметра Ларсона—Миллера, в который включена только одна постоянная.

На рис. 6.3 изображена зависимость предела длительной прочности от параметра Ларсона—Миллера для коррозионно- стойкой стали [1251, а на рис. 6.4 — от параметра Мэнсона— Хаферда для двух марок нимоника [112 |.

Как следует из этих рисунков, для рассматриваемых материалов эксперименты подтвердили как температурно-временной параметр Ларсона—Миллера, так и параметр Мэнсона—Хаферда.

Одновременно с экспериментальным определением предела длительной прочности материала иногда устанавливают и оста-

Рис. 6.3. Зависимость предела длительной прочности от температурновременного параметра Ларсона— Миллера (125): ф—кратковременные испытания; о — 649° С, ? — 740° С, Д — 760° С; V — 815° С. А — 871° С; X — 970° С

Читать еще:  Удельный вес нержавеющей стали 12х18н10т

Рис. 6.4. Зависимость предела длительной прочности от температурно-временного параметра Мэйсона—Хаферда [112]:

1 — нимоник 80А; 2 — нимомнк 90; О 3000 ч

точную деформацию образца при разрыве. Она определяется как отношение остаточного удлинения при разрыве к первоначальной длине образца и в случае разрушения образца с образованием шейки представляет собой условную деформацию.

Очевидно, что эта величина является характеристикой пластичности материала, находящегося длительное время в напряженном состоянии при высокой температуре. Как следует из вышеизложенного, с уменьшением напряжения, т. е. с увеличением длительности пребывания металла при высокой температуре, остаточная деформация при разрыве уменьшается (охрупчивание материала).

На рис. 6.5 представлены графики зависимости остаточной деформации при разрыве от времени испытания до разрушения для сплавов трех марок (106]. Известны случаи разрыва образцов высоколегированных сталей при остаточной деформации, равной 1—2% [106].

Рассмотрим влияние концентрации напряжений на длительную прочность. Экспериментальные исследования показывают,

Рис. 6.5. Зависимость остаточной деформации при разрыве от времени испытания до разрушения для сплавов трех марок [106]

Рис. 6.6. Зависимости предела длительной прочности от времени до разрушения, полученные при испытании образцов с концентратором (ф) и без концентратора (О) напряжений:

а — теплоустойчивая сталь, температура испытания 550 е С [IIJ: б — жаропрочный сплав на никелевой основе, температура испытания 650° С [12]

что концентрация напряжений в условиях ползучести может вызвать как снижение, так и повышение длительной прочности в зависимости от материала образцов. На рис. 6.6 представлены приведенные в работах В. Н. Бойкова [11, 12] графики зависимости предела длительной прочности от времени для гладких образцов и образцов с концентратором напряжений, выполненных из теплоустойчивой стали и жаропрочного сплава на никелевой основе. Концентратором напряжений была глубокая выточка — несколько измененный, по рекомендации Г. В. Ужика, круговой гиперболический глубокий надрез Нсйбера. Как следует из этих графиков, для более хрупкой стали концентрация напряжений снижает длительную прочность, а для сплава с более высоким уровнем пластических свойств концентрация напряжений повышает длительную прочность. Однако прямая длительной прочности образцов с концентратором напряжений для сплава хотя и расположена выше прямой длительной прочности гладких образцов, но наклонена к ней. Следовательно, можно ожидать пересечения этих прямых и снижения длительной прочности при испытаниях большей продолжительности.

Объяснение различного влияния концентрации напряжений на длительную прочность в зависимости от материала образцов можно дать на основе анализа напряженного состояния в окрестности концентратора в условиях ползучести [121. На рис. 6.7 изображен примерный вид эпюр осевых окружных а, и радиальных ог напряжений в наименьшем поперечном сечении образца. Напряженное состояние точек в окрестности концентратора — трехосное растяжение. У материалов с низкими пластическими свойствами эпюры осевых и окружных напряжений имеют резкий подъем от средней части к периферии. Пики напряжений с течением времени сохраняются, что приводит к снижению прочРис. 6.7. Эпюры осевых (/), окружных (2) и радиальных (5) напряжений в точках наименьшего поперечного сечения образца с глубокой выточкой в начальный момент времени (сплошные линии) и после перераспределения напряжений в течение некоторого промежутка времени (штриховые линии)

ности надрезанных образцов по сравнению с гладкими. У материалов с более высоким уровнем пластических свойств пики напряжений меньше и с течением времени они уменьшаются. Трехосное растяжение в окрестности надреза затрудняет развитие деформации ползучести, и поэтому длительная прочность образцов с концентратором может быть выше, чем гладких.

Ползучесть и длительная прочность

Металл деталей, работающих при температурах выше 450 °С, подвержен ползучести.

Ползучесть — свойство металла, нагруженного при высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформироваться под воздействием постоянных во времени напряжений.

В результате развития ползучести, в частности, увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации во много раз меньшей, чем от кратковременной перегрузки при той же температуре. Повышение рабочих температур на тепловых электростанциях приводит к тому, что многие детали работают в области температур, при которых проявляется ползучесть.

При приложении нагрузки (рис. 3.5) происходит мгновенная деформация, не относящаяся еще к деформации ползучести (участок ОЛ на диаграмме ползучести).

Первая стадия (участок ЛВ) охватывает деформацию с убывающей скоростью — стадия неустановившейся ползучести.

Во второй стадии процесса (участок ВС) пластическая деформация нарастает с постоянной скоростью — стадия установившейся ползучести.

Третья стадия процесса охватывает деформацию с нарастающей скоростью (участок СП) — стадия разрушения.

Рис. 3.5. Кривая ползучести стали

Длительность каждой стадии зависит от свойств данного сплава, а также температуры и напряжения. Иногда ползучесть может протекать в течение длительного времени и практически не достигать третьей стадии. Если напряжение и температура очень высоки, то вторая стадия процесса ползучести может отсутствовать (первая стадия непосредственно переходит в третью).

Сопротивляемость ползучести оценивается суммарной деформацией за срок службы или скоростью ползучести, определяемой по формуле

где Е — относительная деформация, т — время.

Условный предел ползучести — это напряжение, которое вызывает при определенной температуре заданную скорость ползучести на второй стадии процесса — стадии установившейся ползучести.

Предел ползучести обозначают а (ГОСТ 3248—81) и числовыми индексами, например: — предел ползучести при

допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при 700 °С. При этом необходимо указывать, как определялся предел ползучести — по суммарной или остаточной деформации.

В случае определения ползучести по скорости предел ползучести обозначают также буквой а с двумя числовыми индексами, нижний из которых обозначает заданную скорость ползучести (%/ч), а верхний — температуру испытания, °С, например:

ст ыо -5 — п Р едел ползучести при скорости ползучести Ы0 -5 %/ч при 700 °С.

В результате длительной работы в условиях ползучести подготавливается разрушение металлов. Напряжения, вызывающие разрушение, могут быть существенно меньше временного сопротивления при данной температуре. Способность металла сопротивляться разрушению при воздействии высокой температуры и напряжений характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, приводящим металл при данной температуре через определенный промежуток времени к разрушению.

Основными способами повышения длительной прочности и сопротивляемости ползучести сталей является рациональное легирование и применение оптимальных режимов термической обработки.

Пределы длительной прочности и ползучести зависят в значительной степени от микроструктуры стали. Предел длительной прочности обозначается а с двумя числовыми индексами, например:

а ?ооо — п Р е Д ел длительной прочности за 1000 ч при 800 °С.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector