Ползучесть

Ползучесть материалов, медленная непрерывная пластическая деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. П. в той или иной мере подвержены все твёрдые тела - как кристаллические, так и аморфные. Явление П. было замечено несколько сот лет назад, однако систематические исследования П. металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу 20 в. и особенно к 40-м гг., когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с П. дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Потребовались конструкционные материалы (жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что П. может происходить только при повышенных температурах, однако П. имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная П. наблюдается при температуре -269 ?С, а у железа - при -169 ?С.

П. наблюдают при растяжении, сжатии, кручении и др. видах нагружения. В реальных условиях службы жаропрочного материала П. происходит в весьма сложных условиях нагружения. П. описывается т. н. кривой ползучести (рис. 1), которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, или стадии: АВ - участок неустановившейся (или затухающей) П. (I стадия), BC - участок установившейся П. - деформации, идущей с постоянной скоростью (II стадия), CD - участок ускоренной П. (Ill стадия), E₀ - деформация в момент приложения нагрузки, точка D - момент разрушения. Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 0 4-0,8 температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание П. на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). Т. к. П. происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа - т. н. возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия П. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Описанные кривые П. имеют одинаковый вид для широкого круга материалов - металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и др. твёрдых тел. Структурный же механизм П., т. е. элементарные процессы, приводящие к П., зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит П. Физический механизм П. такой же, как и пластичности. Всё многообразие элементарных процессов пластической деформации, приводящих к П., можно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций, и процессы вязкого течения. Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при температурах, близких к температурам плавления. При постоянных деформациях вследствие П. напряжения с течением времени падают, т. е. происходит релаксация напряжений (рис. 2).

Высокое сопротивление П. является одним из факторов, определяющих жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление П. характеризуют пределом ползучести - напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В авиационном моторостроении принимают время, равное 100-200 ч, при конструировании стационарных паровых турбин - 100 000 ч. Иногда сопротивление П. характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость ?полной деформации e складывается из скорости ?упругой деформации и скорости ?деформации П.
? В. М. Розенберг.Теория П. близко примыкает к пластичности теории, однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории П. нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения: ?= f (s, t)(s -- напряжение, t - время), которая удовлетворительно описывает П. при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости ?от s.
Более полное описание П. даёт теория упрочения: ?= f (s, ), которая удобна для приближённого анализа кратковременной П. при высоком уровне напряжений. Теория упрочения правильно улавливает некоторые особенности П. при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.
В механике полимеров обычно пользуются теорией наследственности: ,
где K (t - t)т. н. ядро последействия, которое характеризует, в какой мере в момент времени t ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент t. Т. к. напряжение действует и в др. моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, эффекта обратной П.).
? Л. М. Качанов.? Лит.: Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Розенберг В. М., Основы жаропрочности металлических материалов, М., 1973; Гарофало Ф., Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968; Работнов Ю. Н., Ползучесть элементов конструкций, М., 1966; Бугаков И. И., Ползучесть полимерных материалов, М., 1973; Качанов Л. М., Теория ползучести, М., 1960; Малинин Н. Н., Прикладная теория пластичности и ползучести, М., 1968; Работнов Ю. Н., Теория ползучести, в кн.: Механика в СССР за 50 лет, т. 3, М., 1972.