Повзучість матеріалів

Повзучість — це залежне від часу деформування матеріалу під дією тривалого навантаження. На відміну від миттєвої пружної деформації, деформація повзучості розвивається поступово навіть тоді, коли навантаження залишається сталим.

Коли повзучість стає важливою

Інтенсивність повзучості залежить від матеріалу, температури, рівня напружень і тривалості навантаження. Для металів особливо суттєвою вона стає за підвищених температур. Для полімерів та деяких інших матеріалів часові деформації можуть бути помітними і за звичайних температур.

Випробування на повзучість

Під час типового випробування зразок тривалий час витримують за заданих навантаження та температури й реєструють деформацію $\varepsilon$ як функцію часу $t$. Отриману залежність називають кривою повзучості.

Стадії повзучості

1. Первинна повзучість. Швидкість деформації з часом зменшується.
2. Вторинна, або усталена, повзучість. Швидкість деформації приблизно стала.
3. Третинна повзучість. Швидкість деформації зростає внаслідок накопичення пошкоджень; стадія завершується руйнуванням.

Швидкість повзучості характеризують похідною $\dot{\varepsilon}=d\varepsilon/dt$.

Вплив температури та напруження

Зі збільшенням температури та рівня напружень повзучість зазвичай прискорюється, а час до руйнування скорочується.

Довготривала міцність

Довготривала міцність характеризує здатність матеріалу чинити опір руйнуванню протягом заданого часу за певної температури. У довготривалих розрахунках потрібно також обмежити накопичену деформацію та виключити руйнування впродовж заданого ресурсу.

Релаксація напружень

З повзучістю пов’язана релаксація напружень. Якщо загальну деформацію елемента підтримувати сталою, напруження в матеріалі з часом може зменшуватися.

Інженерний приклад

Трубопроводи перегрітої пари на ТЕС роками працюють одночасно під дією високої температури та внутрішнього тиску. Тиск створює в стінці труби механічні напруження, а висока температура робить повзучість металу суттєвою.

Навіть якщо тиск і температура протягом певного режиму майже не змінюються, деформація металу продовжує поступово накопичуватися. На ранньому етапі швидкість повзучості зменшується, потім протягом значної частини ресурсу залишається відносно сталою. З часом у матеріалі можуть накопичуватися пошкодження, зокрема мікропорожнини та мікротріщини. Тоді починається третинна стадія: деформація прискорюється і зрештою може призвести до руйнування труби.

Тому для такого обладнання недостатньо перевірити лише умову миттєвої міцності $\sigma < [\sigma]$. Інженер повинен враховувати температуру, напруження і тривалість їх дії, оцінюючи довготривалу міцність та залишковий ресурс матеріалу. Практичний висновок: деталь може витримувати задане навантаження сьогодні, але це ще не означає, що вона безпечно витримуватиме його десятки тисяч годин за високої температури.

Що потрібно вміти

Після опрацювання теми студент має пояснювати фізичний зміст повзучості, розрізняти три стадії кривої повзучості, визначати швидкість повзучості, пояснювати вплив температури та напружень, відрізняти повзучість від релаксації напружень і розуміти необхідність довготривалих розрахунків.