Ползучесть (деформация) - Creep (deformation)

Движение льда в леднике - это пример ползучести твердых тел.

В науке материалов , ползучести (иногда называемый холодный поток ) является тенденция твердого материала медленно или деформироваться постоянно двигаться под воздействием стойких механических напряжений . Это может произойти в результате длительного воздействия высоких уровней напряжения, которые все еще ниже предела текучести материала. Ползучесть более серьезна в материалах, которые подвергаются воздействию тепла в течение длительного времени, и обычно увеличивается по мере приближения к их температуре плавления.

Скорость деформации зависит от свойств материала, времени воздействия, температуры воздействия и приложенной структурной нагрузки . В зависимости от величины приложенного напряжения и его продолжительности деформация может стать настолько большой, что компонент больше не сможет выполнять свою функцию - например, ползучесть лопатки турбины может привести к контакту лопатки с корпусом, что приведет к выходу из строя лопатки. лезвие. Ползучесть обычно вызывает беспокойство у инженеров и металлургов при оценке компонентов, работающих в условиях высоких нагрузок или высоких температур. Ползучесть - это механизм деформации, который может или не может составлять режим отказа . Например, умеренная ползучесть в бетоне иногда приветствуется, поскольку она снимает растягивающие напряжения, которые в противном случае могли бы привести к растрескиванию.

В отличие от хрупкого разрушения , деформация ползучести не возникает внезапно при приложении напряжения. Напротив, напряжение накапливается в результате длительного стресса. Следовательно, ползучесть - это деформация, «зависящая от времени».

Температурная зависимость

Температурный диапазон, в котором может возникать деформация ползучести, различается для разных материалов. Деформация ползучести обычно возникает, когда материал подвергается напряжению при температуре, близкой к его температуре плавления. Хотя вольфрам требует температуры в тысячи градусов, прежде чем может возникнуть деформация ползучести, свинец может ползти при комнатной температуре, а лед будет ползать при температурах ниже 0 ° C (32 ° F). Пластмассы и металлы с низкой температурой плавления, включая многие припои, могут начать ползать при комнатной температуре. Ледниковый поток является примером ползучести во льдах. Эффекты деформации ползучести обычно становятся заметными примерно при 35% температуры плавления металлов и 45% температуры плавления керамики.

Этапы

Деформация ( ε ) как функция времени из-за постоянного напряжения в течение длительного периода для материала класса M.

Поведение ползучести можно разделить на три основных этапа. При первичной или переходной ползучести скорость деформации является функцией времени. В материалах класса M, к которым относятся наиболее чистые материалы, скорость деформации со временем снижается. Это может быть связано с увеличением плотности дислокаций или с изменением размера зерна . В материалах класса A, которые имеют большое количество твердого раствора, скорость деформации увеличивается со временем из-за утончения атомов увлечения растворенного вещества по мере движения дислокаций.

Во вторичной или установившейся ползучести дислокационная структура и размер зерна достигли равновесия, и поэтому скорость деформации постоянна. Уравнения, которые определяют скорость деформации, относятся к стационарной скорости деформации. Зависимость этой скорости от напряжения зависит от механизма ползучести.

При третичной ползучести скорость деформации экспоненциально увеличивается с увеличением напряжения. Это может быть связано с явлением образования шейки , внутренними трещинами или пустотами, которые уменьшают площадь поперечного сечения и увеличивают истинное напряжение в области, что еще больше ускоряет деформацию и приводит к разрушению.

Механизмы деформации

В зависимости от температуры и напряжения активируются разные механизмы деформации. Хотя обычно существует множество механизмов деформации, действующих постоянно, обычно преобладает один механизм, отвечающий за почти всю деформацию.

Существуют различные механизмы:

  • Массовая диффузия ( ползучесть по набарро – сельди )
  • Диффузия по границам зерен ( ползучесть по камню )
  • Ползучесть дислокаций, управляемая скольжением: дислокации движутся путем скольжения и подъема, и скорость скольжения является доминирующим фактором на скорости деформации.
  • Ползучесть дислокаций, управляемая подъемом: дислокации перемещаются посредством скольжения и подъема, и скорость подъема является доминирующим фактором на скорость деформации.
  • Ползучесть Харпер-Дорна: механизм ползучести с низким напряжением в некоторых чистых материалах

При низких температурах и низком напряжении ползучесть практически отсутствует, а вся деформация является упругой. При низких температурах и высоких напряжениях материалы скорее пластическая деформация, чем ползучесть. При высоких температурах и низком напряжении диффузионная ползучесть имеет тенденцию быть доминирующей, в то время как при высоких температурах и высоком напряжении, как правило, доминирует дислокационная ползучесть.

Карты механизма деформации

Карты механизма деформации представляют собой визуальный инструмент, классифицирующий доминирующий механизм деформации в зависимости от гомологической температуры , напряжения, нормализованного по модулю сдвига, и скорости деформации. Как правило, два из этих трех свойств (чаще всего температура и напряжение) являются осями карты, а третье рисуется на карте в виде контуров .

Чтобы заполнить карту, определяющие уравнения находятся для каждого механизма деформации. Они используются для определения границ между каждым механизмом деформации, а также контуров скорости деформации. Карты механизма деформации можно использовать для сравнения различных механизмов упрочнения, а также для сравнения различных типов материалов.

Общее уравнение

где ε - деформация ползучести, C - константа, зависящая от материала и конкретного механизма ползучести, m и b - показатели степени, зависящие от механизма ползучести, Q - энергия активации механизма ползучести, σ - приложенное напряжение, d - размер зерна материала, k - постоянная Больцмана , а T - абсолютная температура .

Ползучесть дислокации

При высоких напряжениях (относительно модуля сдвига ) ползучесть контролируется движением дислокаций . Для ползучести дислокаций Q  =  Q (самодиффузия), 4 ≤  m  ≤ 6 и b  <1. Следовательно, ползучесть дислокаций сильно зависит от приложенного напряжения и собственной энергии активации и слабее зависит от размера зерна. По мере уменьшения размера зерна площадь границы зерна увеличивается, поэтому движение дислокаций затрудняется.

Некоторые сплавы демонстрируют очень большой показатель напряжения ( m  > 10), и это обычно объясняется введением «порогового напряжения» σ th , ниже которого ползучесть не может быть измерена. Затем модифицированное уравнение степенного закона принимает следующий вид:

где A , Q и m можно объяснить обычными механизмами (так что 3 ≤  m  ≤ 10), а R - газовая постоянная . Ползучесть увеличивается с увеличением приложенного напряжения, так как приложенное напряжение имеет тенденцию толкать дислокацию мимо барьера и заставляет дислокацию перейти в более низкое энергетическое состояние после обхода препятствия, что означает, что дислокация имеет тенденцию преодолевать препятствие. Другими словами, часть работы, необходимой для преодоления энергетического барьера прохождения препятствия, обеспечивается приложенным напряжением, а остальная часть - тепловой энергией.

Набарро – Селедочный крап

Диаграмма, показывающая диффузию атомов и вакансий при ползучести Набарро – Херринга.

Ползучесть по Набарро – Херрингу (NH) представляет собой форму диффузионной ползучести , в то время как ползучесть дислокационного скольжения не связана с диффузией атомов. Ползучесть Набарро – Херринга преобладает при высоких температурах и низких напряжениях. Как показано на рисунке справа, боковые стороны кристалла подвергаются растягивающему напряжению, а горизонтальные стороны - сжимающему напряжению. Атомный объем изменяется под действием приложенного напряжения: он увеличивается в областях при растяжении и уменьшается в областях при сжатии. Таким образом, энергия активации образования вакансии изменяется на ± σΩ , где Ω - атомный объем, положительное значение - для сжатых областей, а отрицательное - для растянутых. Поскольку фракционная концентрация вакансий пропорциональна exp (- Q f ± σΩ/RT) , где Q f - энергия образования вакансии, концентрация вакансий выше в областях растяжения, чем в областях сжатия, что приводит к чистому потоку вакансий из сжатых областей в растягиваемые области, что эквивалентно чистому потоку вакансий из сжатых областей в области, подверженные растяжению. диффузия атомов в обратном направлении, что вызывает деформацию ползучести: зерно удлиняется по оси растягивающих напряжений и сжимается по оси сжимающих напряжений.

В случае ползучести Набарро – Херринга k связано с коэффициентом диффузии атомов через решетку, Q  =  Q (самодиффузия), m  = 1 и b  = 2. Следовательно, ползучесть Набарро – Херринга имеет слабую зависимость от напряжения и умеренную зависимость от размера зерна, при этом скорость ползучести уменьшается с увеличением размера зерна.

Ползучесть Набарро – Сельди сильно зависит от температуры. Для решеточной диффузии атомов в материале соседние узлы решетки или междоузлия в кристаллической структуре должны быть свободными. Данный атом также должен преодолеть энергетический барьер, чтобы переместиться со своего текущего места (он находится в энергетически выгодной потенциальной яме ) к соседнему вакантному месту (другой потенциальной яме). Общий вид уравнения диффузии:

где D 0 зависит как от частоты попытки перехода, так и от числа ближайших соседних узлов, а также от вероятности того, что эти узлы будут вакантными. Таким образом, существует двойная зависимость от температуры. При более высоких температурах коэффициент диффузии увеличивается из-за прямой температурной зависимости уравнения, увеличения вакансий за счет образования дефекта Шоттки и увеличения средней энергии атомов в материале. Ползучесть Набарро – Херринга преобладает при очень высоких температурах по сравнению с температурой плавления материала.

Ползучесть булыжника

Ползучесть булыжника - это вторая форма ползучести, управляемой диффузией. При ползучести Coble атомы диффундируют по границам зерен, удлиняя зерна вдоль оси напряжений. Это приводит к тому, что ползучесть по Coble имеет более сильную зависимость от размера зерна, чем ползучесть по Набарро – Херрингу, поэтому ползучесть по Coble будет более важной в материалах, состоящих из очень мелких зерен. Для ползучести Кобла k связано с коэффициентом диффузии атомов вдоль границы зерен, Q  =  Q (диффузия по границам зерен), m  = 1 и b  = 3. Поскольку Q (диффузия по границам зерен) меньше Q (самодиффузия) , Ползучесть булыжника происходит при более низких температурах, чем ползучесть Набарро – Херринга. Ползучесть щебня по-прежнему зависит от температуры, так как при повышении температуры увеличивается и диффузия по границам зерен. Однако, поскольку число ближайших соседей эффективно ограничено по границе раздела зерен, а тепловая генерация вакансий по границам менее распространена, температурная зависимость не такая сильная, как в случае ползучести Набарро – Херринга. Он также демонстрирует ту же линейную зависимость от напряжения, что и ползучесть Набарро – Херринга. Как правило, скорость диффузионной ползучести должна быть суммой скорости ползучести по Набарро – Херрингу и скорости ползучести по Коблу. Диффузионная ползучесть приводит к разделению границ зерен, то есть между зернами образуются пустоты или трещины. Чтобы исправить это, происходит зернограничное скольжение. Скорость диффузионной ползучести и скорость скольжения по границам зерен должны быть сбалансированы, если не осталось пустот или трещин. Когда зернограничное скольжение не может компенсировать несовместимость, образуются зернограничные пустоты, что связано с инициированием разрушения при ползучести.

Ползучесть растворенного вещества

Ползучесть с увлечением растворенного вещества является одним из механизмов степенной ползучести (PLC), в котором участвуют как дислокационные, так и диффузионные потоки. Ползучесть растворенного вещества наблюдается в некоторых металлических сплавах . В этих сплавах скорость ползучести увеличивается на первой стадии ползучести (переходная ползучесть) до достижения установившегося значения. Это явление можно объяснить с помощью модели, связанной с упрочнением твердого раствора. При низких температурах растворенные атомы неподвижны и увеличивают напряжение течения, необходимое для перемещения дислокаций. Однако при более высоких температурах растворенные атомы более подвижны и могут образовывать атмосферы и облака, окружающие дислокации. Это особенно вероятно, если растворенный атом имеет большое несоответствие в матрице. Растворенные вещества притягиваются полями напряжений дислокаций и способны снимать поля упругих напряжений существующих дислокаций. Таким образом растворенные вещества связываются с дислокациями. Концентрация растворенного вещества C на расстоянии r от дислокации задается атмосферой Коттрелла, определяемой как

где C 0 - концентрация при r  = ∞, а β - константа, определяющая степень сегрегации растворенного вещества. Когда дислокации окружены атмосферой растворенного вещества, дислокации, которые пытаются скользить под действием приложенного напряжения, подвергаются обратному напряжению, оказываемому на них облаком атомов растворенного вещества. Если приложенное напряжение достаточно велико, дислокация может в конечном итоге оторваться от атмосферы, позволяя дислокации продолжать скольжение под действием приложенного напряжения. Максимальная сила (на единицу длины), которую атмосфера растворенных атомов может оказывать на дислокацию, дана Коттреллом и Джасвоном.

Когда диффузия атомов растворенного вещества активируется при более высоких температурах, атомы растворенного вещества, которые "связаны" с дислокациями несоответствием, могут двигаться вместе с краевыми дислокациями в качестве "сопротивления" их движению, если движение дислокации или скорость ползучести не соответствуют слишком высоко. Величина «сопротивления», оказываемого растворенными атомами на дислокацию, связана с коэффициентом диффузии растворенных атомов в металле при этой температуре, причем более высокий коэффициент диффузии приводит к более низкому сопротивлению и наоборот. Скорость скольжения дислокаций можно аппроксимировать степенным законом вида

где m - показатель эффективного напряжения, Q - кажущаяся энергия активации для скольжения, а B 0 - постоянная величина. Параметр B в приведенном выше уравнении был получен Коттреллом и Джасвоном для взаимодействия между атомами растворенного вещества и дислокациями на основе относительного несоответствия размеров атомов ε a растворенных веществ, которые должны быть

где k - постоянная Больцмана, а r 1 и r 2 - внутренние и внешние радиусы отсечки дислокационного поля напряжений. c 0 и D sol представляют собой атомную концентрацию растворенного вещества и коэффициент диффузии растворенного вещества соответственно. D sol также имеет температурную зависимость, которая вносит определяющий вклад в Q g .

Если облако растворенных веществ не образуется или дислокации могут оторваться от своих облаков, скольжение происходит скачкообразно, когда неподвижные препятствия, образованные дислокациями в сочетании с растворенными веществами, преодолеваются через определенное время ожидания с поддержкой посредством термической активации. . В этом случае показатель m больше 1. Уравнения показывают, что эффект упрочнения растворенных веществ является сильным, если коэффициент B в степенном уравнении мал, так что дислокации движутся медленно и коэффициент диффузии D sol низкий. Кроме того, сильными садовниками являются атомы растворенных веществ с высокой концентрацией в матрице и сильным взаимодействием с дислокациями. Поскольку деформация несоответствия растворенных атомов является одним из способов их взаимодействия с дислокациями, отсюда следует, что растворенные атомы с большим атомным несоответствием - сильные садовники. Низкий коэффициент диффузии D sol является дополнительным условием сильного твердения.

Ползучесть при увлечении растворенного вещества иногда демонстрирует особое явление при ограниченной скорости деформации, которое называется эффектом Портвена – Ле Шателье . Когда приложенное напряжение становится достаточно большим, дислокации отрываются от атомов растворенного вещества, поскольку скорость дислокации увеличивается с увеличением напряжения. После отрыва напряжение уменьшается, и скорость дислокации также уменьшается, что позволяет атомам растворенного вещества приближаться и снова достигать ранее удаленных дислокаций, что приводит к увеличению напряжения. Процесс повторяется при достижении следующего локального максимума напряжений. Таким образом, повторяющиеся локальные максимумы и минимумы напряжений могут быть обнаружены во время ползучести с увлечением растворенного вещества.

Подъём-скольжение по дислокации

Ползучесть дислокаций с подъемом-скольжением наблюдается в материалах при высоких температурах. Начальная скорость ползучести больше, чем скорость стационарной ползучести. Ползучесть с подъемом-скольжением можно проиллюстрировать следующим образом: когда приложенного напряжения недостаточно для того, чтобы движущаяся дислокация преодолела препятствие на своем пути только посредством скольжения дислокации, дислокация может подняться на параллельную плоскость скольжения за счет диффузионных процессов, и дислокация может подняться до плоскости параллельного скольжения. скользить на новом самолете. Этот процесс повторяется каждый раз, когда дислокация встречает препятствие. Скорость ползучести может быть записана как:

где CG включает в себя подробную информацию о геометрии петли дислокации, D L является решеткой диффузии, М представляет собой количество источников дислокаций в единицу объема, σ является приложенным напряжением, а Ω является атомным объемом. Показатель m для ползучести с подъемом-скольжением дислокации равен 4,5, если M не зависит от напряжения, и это значение m согласуется с результатами значительных экспериментальных исследований.

Крип Харпер – Дорн

Ползучесть Харпера – Дорна - это контролируемый подъемом механизм дислокации при низких напряжениях, который наблюдался в системах из алюминия, свинца и олова, а также в неметаллических системах, таких как керамика и лед. Он характеризуется двумя основными явлениями: степенной зависимостью между установившейся скоростью деформации и приложенным напряжением при постоянной температуре, которая слабее естественного степенного закона ползучести, и независимой зависимостью между установившейся скоростью деформации. и размер зерна для заданной температуры и приложенного напряжения. Последнее наблюдение подразумевает, что ползучесть Харпера – Дорна контролируется движением дислокаций; а именно, поскольку ползучесть может происходить из-за диффузии вакансий (ползучесть по Набарро – Херрингу, ползучесть по Коблу), зернограничного скольжения и / или движения дислокаций, и поскольку первые два механизма зависят от размера зерна, ползучесть по Харперу – Дорну должна быть дислокационной, зависит от движения. То же самое было подтверждено в 1972 году Барреттом и его сотрудниками, где выделения FeAl 3 снижали скорость ползучести на 2 порядка по сравнению с высокочистым Al, таким образом, указывая на то, что ползучесть по Харпер-Дорна является механизмом, основанным на дислокациях.

Однако ползучесть Харпера – Дорна обычно подавляется другими механизмами ползучести в большинстве ситуаций и поэтому не наблюдается в большинстве систем. Феноменологическое уравнение, описывающее ползучесть Харпера – Дорна, имеет вид

где ρ 0 - плотность дислокаций (постоянная для ползучести Харпера – Дорна), D v - коэффициент диффузии в объеме материала, G - модуль сдвига, b - вектор Бюргерса, σ s , а n - показатель ползучести, который изменяется от 1 до 3.

Объемная энергия активации указывает на то, что скорость ползучести Харпера – Дорна контролируется диффузией вакансий к дислокациям и от них, что приводит к контролируемому переползанию движению дислокаций. В отличие от других механизмов ползучести, здесь плотность дислокаций постоянна и не зависит от приложенного напряжения. Кроме того, плотность дислокаций должна быть низкой, чтобы ползучесть по Харперу – Дорну преобладала. Было предложено увеличить плотность по мере того, как дислокации перемещаются посредством поперечного скольжения от одной плоскости скольжения к другой, тем самым увеличивая длину дислокации на единицу объема. Поперечное скольжение также может привести к появлению изломов по длине дислокации, которые, если они достаточно большие, могут действовать как источники односторонних дислокаций. Согласно недавнему исследованию, чрезвычайно низкая плотность дислокаций в монокристаллическом материале приводит к естественному степенному закону ( n ≈ 3). С другой стороны, n может варьироваться от 1 до 3 в зависимости от начальной плотности дислокаций кристаллов, которая немного выше.

Спекание

При высоких температурах в материале энергетически выгодно сжиматься пустоты. Приложение растягивающего напряжения препятствует снижению энергии, получаемой за счет усадки пустот. Таким образом, требуется определенная величина приложенного растягивающего напряжения, чтобы компенсировать эти эффекты усадки и вызвать рост пустот и трещинообразование при ползучести в материалах при высокой температуре. Это напряжение возникает на пределе спекания системы.

Напряжение, приводящее к сокращению пустот, которое необходимо преодолеть, связано с поверхностной энергией и отношением площади поверхности к объему пустот. Для общей пустоты с поверхностной энергией γ и основными радиусами кривизны r 1 и r 2 предельное напряжение спекания равно

Ниже этого критического напряжения пустоты будут скорее сокращаться, чем увеличиваться. Дополнительные эффекты усадки пустот также будут результатом приложения сжимающего напряжения. Для типичного описания ползучести предполагается, что приложенное растягивающее напряжение превышает предел спекания.

Ползучесть также объясняет один из нескольких вкладов в уплотнение во время спекания металлического порошка горячим прессованием. Основным аспектом уплотнения является изменение формы частиц порошка. Поскольку это изменение включает необратимую деформацию кристаллических твердых тел, его можно рассматривать как процесс пластической деформации, и, таким образом, спекание можно описать как процесс ползучести при высоких температурах. Приложенное сжимающее напряжение во время прессования увеличивает скорость усадки пустот и позволяет установить связь между закономерностью установившейся степени ползучести и скоростью уплотнения материала. Наблюдается, что это явление является одним из основных механизмов уплотнения на заключительных стадиях спекания, во время которого скорость уплотнения (при условии отсутствия газов в порах) можно объяснить:

в которой ρ̇ - скорость уплотнения, ρ - плотность, P e - приложенное давление, n описывает показатель скорости деформации, а A - константа, зависящая от механизма. A и n взяты из следующей формы общего уравнения установившейся ползучести:

где ε̇ - скорость деформации, а σ - растягивающее напряжение. Для целей этого механизма постоянная A получается из следующего выражения, где A ′ - безразмерная экспериментальная константа, μ - модуль сдвига, b - вектор Бюргерса, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, D 0 - коэффициент диффузии, Q - энергия активации диффузии:

Примеры

Полимеры

а) приложенное напряжение и б) индуцированная деформация как функции времени в течение короткого периода для вязкоупругого материала.

Ползучесть может происходить в полимерах и металлах, которые считаются вязкоупругими материалами. Когда полимерный материал подвергается резкой силе, отклик можно смоделировать с помощью модели Кельвина-Фойгта . В этой модели материал представлен параллельно гуковской пружиной и ньютоновским демпфером . Деформация ползучести определяется следующим интегралом свертки :

где σ - приложенное напряжение, C 0 - мгновенная податливость при ползучести, C - коэффициент податливости при ползучести, τ - время замедления, а f ( τ ) - распределение времен замедления.

Под воздействием ступенчатого постоянного напряжения вязкоупругие материалы испытывают зависящее от времени увеличение деформации. Это явление известно как вязкоупругая ползучесть.

В момент времени t 0 вязкоупругий материал нагружается постоянным напряжением, которое сохраняется в течение достаточно длительного периода времени. Материал реагирует на напряжение растяжением, которое увеличивается до тех пор, пока материал не разрушится. Когда напряжение сохраняется в течение более короткого периода времени, материал подвергается начальной деформации до момента времени t 1, в который напряжение снимается, в этот момент деформация немедленно уменьшается (прерывистость), а затем продолжает постепенно уменьшаться до остаточной деформации.

Данные о вязкоупругой ползучести могут быть представлены одним из двух способов. Общая деформация может быть отображена как функция времени для заданной температуры или температур. Ниже критического значения приложенного напряжения материал может проявлять линейную вязкоупругость. Выше этого критического напряжения скорость ползучести растет непропорционально быстрее. Второй способ графического представления вязкоупругой ползучести материала заключается в построении графика модуля ползучести (постоянного приложенного напряжения, деленного на общую деформацию в конкретный момент времени) как функции времени. Ниже критического напряжения модуль вязкоупругой ползучести не зависит от приложенного напряжения. Семейство кривых, описывающих зависимость деформации от времени на различные приложенные напряжения, может быть представлена ​​одной кривой зависимости модуля вязкоупругой ползучести от времени, если приложенные напряжения ниже критического значения напряжения материала.

Кроме того, известно, что молекулярная масса интересующего полимера влияет на его характеристики ползучести. Эффект увеличения молекулярной массы способствует вторичному связыванию полимерных цепей и, таким образом, делает полимер более устойчивым к ползучести. Точно так же ароматические полимеры даже более устойчивы к ползучести из-за повышенной жесткости колец. И молекулярная масса, и ароматические кольца повышают термическую стабильность полимеров, увеличивая сопротивление ползучести полимера.

Ползучесть могут как полимеры, так и металлы. Полимеры испытывают значительную ползучесть при температурах выше примерно -200 ° C (-330 ° F); однако есть три основных различия между ползучестью полимеров и металлов.

Ползучесть ползучести в основном проявляется двумя разными способами. При типичных рабочих нагрузках (от 5% до 50%) сверхвысокомолекулярный полиэтилен (Spectra, Dyneema ) будет показывать ползучесть, линейную во времени, тогда как полиэфир или арамиды ( Twaron , Кевлар ) будут показывать ползучесть, логарифмическую во времени.

Древесина

Дерево считается ортотропным материалом , проявляющим разные механические свойства в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эксперименты показывают, что тангенциальное направление в массивной древесине имеет тенденцию демонстрировать немного более высокую податливость к ползучести, чем в радиальном направлении. В продольном направлении податливость к ползучести относительно низкая и обычно не проявляет какой-либо зависимости от времени по сравнению с другими направлениями.

Также было показано, что существует существенная разница в вязкоупругих свойствах древесины в зависимости от способа нагружения (ползучесть при сжатии или растяжении). Исследования показали, что некоторые коэффициенты Пуассона постепенно меняются от положительных до отрицательных значений в течение испытания на ползучесть при сжатии, чего не происходит при растяжении.

Конкретный

Ползучесть бетона, которая возникает из-за гидратов силиката кальция (CSH) в затвердевшем портландцементном тесте (который является связующим веществом минеральных заполнителей), принципиально отличается от ползучести металлов, а также полимеров. В отличие от ползучести металлов, она возникает при всех уровнях напряжения и в пределах диапазона эксплуатационных напряжений линейно зависит от напряжения, если содержание воды в порах является постоянным. В отличие от ползучести полимеров и металлов, он проявляет многомесячное старение, вызванное химическим упрочнением из-за гидратации, которая делает микроструктуру жесткостью, и многолетнее старение, вызванное длительной релаксацией самоуравновешенных микронапряжений в нанопористой микроструктуре. CSH. Если бетон полностью высох, он не ползет, хотя трудно полностью высушить бетон без серьезных трещин.

Приложения

Ползать на нижней стороне картонной коробки: большую часть пустую коробку поместили на меньшую коробку, а на нее положили больше коробок. Из-за веса части пустого ящика, не поддерживаемые нижней опорой, постепенно отклонялись вниз.

Хотя в основном из-за снижения предела текучести при более высоких температурах, крах Всемирного торгового центра частично был вызван сползанием из-за повышения температуры.

Скорость ползучести горячих компонентов под давлением в ядерном реакторе на мощности может быть значительным конструктивным ограничением, поскольку скорость ползучести увеличивается за счет потока энергичных частиц.

Ползучесть эпоксидного анкерного клея была обвинена в обрушении потолка туннеля Big Dig в Бостоне, штат Массачусетс , которое произошло в июле 2006 года.

Конструкция нитей вольфрамовых ламп направлена ​​на уменьшение деформации ползучести. Провисание бухты накала между опорами увеличивается со временем из-за веса самой нити. Если происходит слишком большая деформация, соседние витки катушки касаются друг друга, вызывая короткое замыкание и локальный перегрев, что быстро приводит к выходу нити из строя. Таким образом, геометрия катушки и опоры предназначены для ограничения напряжений, вызванных весом нити, а специальный вольфрамовый сплав с небольшим количеством кислорода, захваченного на границах зерен кристаллитов , используется для замедления скорости ползучести по Коблу .

Ползучесть может вызвать постепенное прорезание изоляции провода, особенно когда напряжение концентрируется путем прижатия изолированного провода к острой кромке или углу. При обмотке проводов используются специальные устойчивые к ползучести изоляционные материалы, такие как Kynar ( поливинилиденфторид ), чтобы противостоять прорезанию из-за острых углов зажимов для обмотки проводов. Тефлоновая изоляция устойчива к повышенным температурам и имеет другие желательные свойства, но, как известно, она уязвима для сквозных отказов, вызванных ползучестью.

На паротурбинных электростанциях по трубам проходит пар при высоких температурах (566 ° C, 1051 ° F) и давлениях (выше 24,1 МПа, 3500 фунтов на кв. Дюйм). В реактивных двигателях температура может достигать 1400 ° C (2550 ° F) и инициировать деформацию ползучести даже в турбинных лопатках усовершенствованной конструкции с покрытием. Следовательно, для правильной работы важно понимать поведение материалов при деформации ползучести.

Деформация ползучести важна не только в системах, выдерживающих высокие температуры, таких как атомные электростанции, реактивные двигатели и теплообменники, но и при проектировании многих повседневных объектов. Например, металлические скрепки прочнее пластиковых, потому что пластик ползет при комнатной температуре. В качестве примера этого явления часто ошибочно используются стареющие стеклянные окна: измеримая ползучесть может возникать только при температурах выше температуры стеклования около 500 ° C (932 ° F). В то время как стекло действительно проявляет ползучесть при правильных условиях, очевидное провисание старых окон может быть следствием устаревших производственных процессов, таких как те, которые использовались для изготовления коронного стекла , что привело к непостоянной толщине.

Фрактальная геометрия, использующая детерминированную структуру Кантора, используется для моделирования топографии поверхности, где представлены последние достижения в области термовязкоупругого контакта ползучести шероховатых поверхностей. Для моделирования материалов поверхности используются различные вязкоупругие идеализации, включая модели Максвелла, Кельвина – Фойгта, стандартные линейные твердотельные модели и модели Джеффри.

Нимоник 75 сертифицирован Европейским Союзом как стандартный эталонный материал для определения ползучести.

Практика лужения многожильных проводов для облегчения процесса подключения провода к винтовой клемме , хотя и была широко распространенной и считалась стандартной практикой в ​​течение длительного времени, не одобрялась профессиональными электриками из-за того, что припой может сползать. под давлением, оказываемым на конец луженого провода винтом клеммы, в результате чего соединение теряет натяжение и, следовательно, со временем образуется неплотный контакт. Принятая практика при подключении многожильного провода к винтовой клемме заключается в использовании наконечника на конце провода.

Профилактика

Как правило, материалы имеют лучшее сопротивление ползучести, если они имеют более высокие температуры плавления, более низкий коэффициент диффузии и более высокую прочность на сдвиг. Плотноупакованные структуры обычно более устойчивы к ползучести, поскольку имеют тенденцию иметь более низкий коэффициент диффузии, чем неплотноупакованные структуры. Общие методы уменьшения ползучести включают:

  • Упрочнение твердого раствора : добавление других элементов в твердый раствор может замедлить диффузию, а также замедлить движение дислокаций за счет механизма увлечения растворенного вещества.
  • Упрочнение дисперсии частиц: добавление частиц, часто некогерентных оксидных или карбидных частиц, блокирует движение дислокаций.
  • Осадочное упрочнение : выделение второй фазы из первичной решетки блокирует движение дислокаций.
  • Размер зерна: увеличение размера зерна уменьшает количество границ зерен, что приводит к более медленной ползучести из-за высокой скорости диффузии по границам зерен. Это противоположно низкотемпературным приложениям, где увеличение размера зерна снижает прочность, блокируя движение дислокаций. В системах с очень высокими температурами, таких как турбины реактивных двигателей, часто используются монокристаллы.

Суперсплавы

Материалы, работающие при высоких температурах, такие как турбинная лопатка реактивного двигателя из никелевого суперсплава ( RB199 ), должны выдерживать ползучесть при этих температурах.

Материалы, используемые в высокопроизводительных системах, таких как реактивные двигатели, часто достигают экстремальных температур, превышающих 1000 ° C (1830 ° F), что требует специальной конструкции материалов. Суперсплавы на основе кобальта , никеля и железа обладают высокой устойчивостью к ползучести. Термин «суперсплав» обычно относится к аустенитным сплавам на основе никеля, железа или кобальта, в которых используется дисперсионное упрочнение γ 'или γ ″ для сохранения прочности при высокой температуре.

Γ 'фаза представляет собой фазу Ni 3 (Al, Ti, Ta, Nb) с кубической структурой L1 2, которая дает кубические выделения. Суперсплавы часто имеют высокую (60–75%) объемную долю выделений γ ′. Выделения γ 'когерентны с исходной γ-фазой и устойчивы к сдвигу из-за развития противофазной границы, когда выделение сдвигается. Γ ″ фаза представляет собой тетрагональную структуру Ni 3 Nb или Ni 3 V. Однако γ ″ фаза нестабильна при температуре выше 650 ° C (1202 ° F), поэтому γ ″ менее широко используется в качестве упрочняющей фазы при высоких температурах. Карбиды также используются в поликристаллических суперсплавах для предотвращения скольжения по границам зерен .

В суперсплавы могут быть добавлены многие другие элементы, чтобы изменить их свойства. Их можно использовать для упрочнения твердого раствора, уменьшения образования нежелательных хрупких осадков и повышения стойкости к окислению или коррозии. Суперсплавы на основе никеля нашли широкое применение при высоких температурах и низких напряжениях. Суперсплавы на основе железа обычно не используются при высоких температурах, поскольку γ'-фаза нестабильна в железной матрице, но иногда используются при умеренно высоких температурах, поскольку железо значительно дешевле никеля. Γ 'структура на основе кобальта была обнаружена в 2006 году, что позволило разработать суперсплавы на основе кобальта, которые превосходят суперсплавы на основе никеля по коррозионной стойкости. Однако в базовой системе (кобальт-вольфрам-алюминий) γ 'стабильна только при температуре ниже 900 ° C (1650 ° F), а суперсплавы на основе кобальта имеют тенденцию быть более слабыми, чем их аналоги из никеля.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки