Термическая усталость металлов

из "Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность "

Термической усталостью называется процесс длительного разрушения, протекающий при периодических теплосменах (термических циклах), но в отсутствие внешних силовых воздействий на рассматриваемый конструкционный элемент, В реальных эксплуатационных условиях эти теплосмены обычно вызывают некоторое переменное поле макроскопических напряжений, которым сопутствует рассмотренная выше механическая усталость материала. Вместе с тем, теплосмены и сами по себе отражаются на механических свойствах металла, в частности, они могут приводить к постепенному снижению сопротивления хрупкому и усталостному разрушению. При отсутствии всяких макроскопических напряжений (например, в условиях свободных температурных деформаций равномерно нагреваемого и охлаждаемого стержня) уже десять—двадцать тысяч термоциклов с размахом температуры в 600—700° могут приводить к растрескиванию некоторых материалов, причем поверхностные трещины видны при небольшом увеличении микроскопа или простым глазом. К этому явлению целесообразно применять недавно возникший термин термоструктурная усталость в отличие от более общего случая стесненных температурных деформаций, который мы будем называть термомеханическая усталость . [c.28]
Наряду с усталостными явлениями при теплосменах, происходящих в отсутствие внешних силовых воздействий, может наблюдаться еще и постепенное накопление пластических деформаций в тех направлениях, по которым эти деформации не стеснены имеющимися закреплениями испытуемого образца или конструкционного элемента. Появление таких деформаций связывают с несколькими причинами [13, 20]. Одной из них является локальная высокотемпературная и циклическая ползучесть, сопровождающаяся релаксацией возникающих в каждом цикле само-уравновешенных напряжений первого и второго рода. Общим итогом этих локальных деформаций ползучести, протекающих главным образом в моменты повышения температуры, является нарастающее от цикла к циклу макроскопическое формоизменение тела. Одностороннее накопление макроскопических мгновеннопластических деформаций может иметь место также при сочетании термоциклирования с мягким силовым нагружением (например, случай циклических теплосмен в образце, растянутом силой веса некоторого груза). [c.30]
Если в процессе высокотемпературной ползучести, протекающей при определенном растягивающем напряжении а, меньшем предела текучести при растяжении, осуществляется кратковременная перегрузка сжимающей силой так, чтобы напряжение сжатия превысило соответствующий предел текучести при сжатии, а дальше напряжение возвращается к прежней величине ст, то возникшая в момент перегрузки мгновенно-пластическая деформация сжатия влияет на дальнейшее развитие деформаций ползучести. На протяжении некоторого отрезка времени после возвращения напряжения к прежней величине а скорость вязкопластического деформирования оказывается выше соответствующей скорости до перегрузки, которая создает таким образом раз-упрочняющий эффект (рис. 1.21). Вместе с тем, аналогичная перегрузка растягивающей силой вызывает эффект незначительного временного упрочнения. На этом примере видно, что механизмы мгновенно-пластического и вязкопластического деформирования могут определенным образом взаимодействовать друг с другом. Мгновенно-пластические деформации должны отражаться также и на сопротивлении длительному разрушению при ползучести, хотя экспериментально этот вопрос пока еще почти не изучен. [c.30]
Отмеченное взаимодействие различных процессов повреждений отражает то обстоятельство, что некоторые из таких процессов, являющиеся различными по понятиям техники, иногда вызываются сходными физическими причинами. [c.31]
ВИЯ (силы Ван-дер-Ваальса). Ввиду наличия таких сил взаимное расположение цепных молекул не является совершенно случайным. Наблюдаются надмолекулярные образования в виде клубков (глобул), пачек цепей, ветвистых образований, составленных из многих пачек (дендритные структуры) и др. Под действием растягивающих напряжений изогнутые и скрученные цепные молекулы стремятся распрямиться, а после удаления внешних усилий эти молекулы постепенно возвращаются к первоначальным, более устойчивым надмолекулярным структурам. Как распрямление, так и обратное самопроизвольное свертывание цепных молекул после разгрузки требует преодоления сил вязкого сопротивления, возникающего при взаимном проскальзывании молекулярных цепей. Поэтому твердые термопласты обладают характерным для них свойством вязкоупругости. [c.32]
Некоторые полимеры, которые также относят к термопластичным (например, полиэтилен низкой плотности), имеют разветвленные молекулярные цепи, каждая из которых состоит из длинной молекулы и ряда более коротких отростков. Такая структура приводит к повышению вязкости материала. [c.32]
Тепловая энергия в полимерах аккумулируется в форме сложного колебательного движения цепных молекул (напомним, что в кристаллических телах тепло аккумулируется в форме энергии колебаний узлов кристаллической решетки). При относительно низких температурах это движение происходит за счет лишь малых взаимных поворотов соседних звеньев молекул, в то время как конфигурация всей молекулярной цепи остается без изменения. С повышением температуры возникают такие формы колебаний, при которых вся конфигурация цепных молекул постоянно меняется. При этом полимеры, находящиеся преимущественно в аморфном состоянии, не имеют определенной температуры плавления, но с повышением температуры постепенно размягчаются. [c.32]
Ряд термопласти.чных полимеров обладает способностью к кристаллизации (типичными кристаллизующимися термопластами являются, например, широко распространенный полиэтилен и политетрафторэтилен, иначе фторопласт), которая, однако, никогда не распространяется на весь объем материала. В нем наряду с кристаллической всегда сохраняется и некоторая стекловидная аморфная фаза. Степень кристалличности зависит не только от вида материала, но и от технологии его изготовления. Кристаллические структуры возникают вследствие объединения групп цепных молекул (обычно лишь на отдельных участках их длины), причем процессу кристаллизации способствует ориентация молекул под действием внешних растягивающих усилий. Свойства частично кристаллических полимеров со стекловидной аморфной фазой в сравнении с полностью аморфными материалами более стабильны по отношению к изменениям температуры. Частично кристаллические полимеры имеют при этом определенную температуру плавления, которая для аморфных полимеров не существует. [c.33]
Сопротивление разрушению полимеров существенно зависит от температуры, скорости деформирования и времени выдержки под напряжением. Исходная структура материала способствует неравномерному распределению внутрених усилий между отдельными цепными молекулами, даже если поле осредненных микроскопических напряжений вполне однородно. При быстром приложении внешних усилий некоторые молекулярные цепи оказыва-ваются перегруженными, в то время как другие совсем не воспринимают никаких усилий. При медленном возрастании внешних усилий и при выдержке под постоянными нагрузками распределение внутренних усилий между отдельными молекулярными цепями должно постепенно выравниваться, причем сопротивление разрыву нарастает по мере ориентации цепных молекул в направлении действия растягивающей силы. [c.35]
В основе разрушения отдельных молекулярных цепей лен ит, по-видимому, термофлуктуационный механизм [77], причем некоторые разрушенные связи с течением времени восстанавливаются. Однако с ростом нагрузки количество актов разрушения оказывается превышающим число восстановлений, так что деструкция материала прогрессирует. Еще на ранних стадиях деформирования полимерных материалов в них появляются микротрещины [85, 90, 91 ], которые затем частично исчезают, а частично стабилизируются или развиваются в макротрещины. Механизм зарождения этих трещин в кристаллических зонах полимерных материалов должен быть подобен соответствующему механизму трещинообразования в кристаллитах металлов и сплавов. [c.35]
Наряду со склонностью к саморазогреву частично кристаллические полимеры и многие композиты в определенной степени подвержены много- и малоцикловой усталости [43, 74], механизм которой, вероятно, имеет сходные черты с механизмом развития усталостных повреждений в металлах. Однако в полимерах никогда не возникает усталость, связанная только с циклическими сменами напряжений. Как и в случае циклического нагружения металлов при температурах, вызывающих ползучесть, процесс развития повреждений в полимерных материалах носит сложный комбинированный характер. Деструкция материала прогрессирует как номере накопления числа циклов нагружения, так и стечением времени выдержки под напряжениями различного уровня, причем существенное значение при данном коэффициенте асимметрии цикла приобретает его форма. Литературные данные по усталости полимерных материалов очень ограниченны. [c.36]
Описание механических свойств композитных материалов, которые могут обладать весьма высокой прочностью (особенно статической и ударной), можно производить двумя путями. В первом случае композитные материалы рассматриваются как квазиодно-родные (гомогенные), обладающие в случае объемного дисперсного армирования изотропией деформационных и прочностных свойств, а в случае армирования волокнами, плоскими сетками или тканями — определенного типа анизотропией. Обычно применяют модели ортотропного или трансверсально-изотропного тела. При таком подходе речь идет о механических характеристиках, осред-ненных в достаточно больших объемах, содержащих много однотипных армирующих элементов. Другой, несравненно более сложный, но и более информативный путь состоит в раздельном рассмотрении механических свойств каждой фазы с последующим теоретическим прогнозированием свойств всего композита в целом. При этом приходится рассматривать фактически еще одну дополнительную фазу зоны сопряжения основных фаз, например, матрицы с армирующими волокнами. Механизм повреждений, развивающихся на границах фаз, обычно весьма сложен и определяется помимо свойств основных компонентов гетерогенной системы еще рядом дополнительных факторов, таких как адгезия фаз, технологические и температурные местные напряжения, обычно возникающие вблизи границ, наличие дефектов и др. Границы фаз как зоны концентраций напряжений играют особенно важную роль в развитии много- и малоцикловых усталостных повреждений композитов. [c.37]
По механике композитных материалов на полимерной основе имеется обширная литература [43, 44, 851, однако экспериментальных данных по длительному разрушению различных композиций, особенно по усталости, являющейся во многих случаях их слабым местом, очень мало (они имеются в основном для стеклопластиков). [c.37]
Керамики из глины и глиносодержащих материалов известны очень давно, это кирпич, черепица, фарфор, фаянс. Однако в настоящее время для нужд ряда отраслей промышленности синтезируют еще и множество других керамических материалов со специальными физико-химическими свойствами диэлектрики и полупроводники, огнеупорные, кислотоупорные, пьезоэлектрические, ферромагнитные и др. Некоторые изделия из таких материалов требуют расчетов не только на кратковременную, но и на длительную прочность. Значительную роль в производстве режущего инструмента играют высокопрочные керамики в виде мелких кристаллических зерен, связанных металлической матрицей. Подобные керамики считаются перспективными как конструкционные материалы [90, 104]. Существуют и другие виды керамических материалов, набор которых все время возрастает. Иногда к ним относят также цемент и бетон. [c.38]
Пределы прочности керамических материалов при быстром нагружении зависят от его скорости [61 ] (рис. 1.24), а сопротивление длительному разрушению при достаточно высоких уровнях напряжений в среднем меньше сопротивления быстрому нагружению. При этом процесс повреждений, накапливающихся преимущественно в упомянутых локальных зонах концентрации напряжений, протекает в отсутствие ползучести, т. е. упругие деформации материала, отвечающие напряжению выдержки, остаются постоянными до момента полного разрушения образца. Возможно, что в указанном процессе доминирует термофлуктуаци-онный механизм локальных разрушений. [c.39]
В процессе предварительного нагружения еще до выхода на заданный уровень напряжения. Их долговечности принимают равными нулю. С ростом уровня напряжения долговечности, как правило, уменьшаются, причем экспериментальные кривые распределения должны смещаться к началу координат. Однако при высоких уровнях напряжений, приближающихся к среднему значению предельного сопротивления быстрому нагружению, закономерное влияние величины напряжения на долговечность может утрачиваться, причем кривые распределения, соответствующие различным уровням напряжения, оказываются пересекающимися. Эту аномалию можно объяснить тем обстоятельством, что время полного разрушения конкретного образца зависит при высоких напряжениях прежде всего от остроты одного или нескольких концентраторов, случайно попадающих в его объем. Уровень напряжения перестает играть при этом решающую роль. [c.40]
Наряду с аморфными стеклами в настоящее время используются стеклокерамики или ситаллы, изготавливаемые путем контролируемой кристаллизации стекла, которое при этом теряет свойство прозрачности. Стеклокерамики обладают по сравнению с аморфными стеклами значительно более высокой прочностью на сжатие и несколько большим сопротивлением растяжению. В настоящее время стекла и стеклокерамики исследуются с точки зрения возможности использования их в качестве конструкционных материалов. [c.41]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...