Ползучесть (деформация)

Движение льда в леднике является примером ползучести твердых тел.

В материаловедении ) — ползучесть (иногда называемая холодным течением это тенденция твердого материала подвергаться медленной деформации под воздействием постоянных механических напряжений . Это может произойти в результате длительного воздействия высоких уровней напряжения, которые все еще ниже предела текучести материала. Ползучесть более выражена в материалах, которые подвергаются нагреву в течение длительного времени, и обычно увеличивается по мере приближения к точке 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, проскальзывание лопатки турбины может привести к контакту лопатки с корпусом, что приведет к выходу из строя лезвие. Ползучесть обычно вызывает беспокойство у инженеров и металлургов при оценке компонентов, которые работают в условиях высоких напряжений или высоких температур. Ползучесть – это механизм деформации, который может представлять собой или не представлять собой режим разрушения . Например, иногда приветствуется умеренная ползучесть бетона, 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. Вместо этого напряжение накапливается в результате длительного стресса. Следовательно, ползучесть — это деформация, «зависящая от времени».

Ползучесть или хладотекучесть представляют собой серьезную проблему для пластмасс. Блокирующие агенты — это химические вещества, используемые для предотвращения или подавления холодного течения. В противном случае свернутые или сложенные друг на друга листы слипнутся.

Температурная зависимость

Диапазон температур, в котором происходит деформация ползучести, зависит от материала. Деформация ползучести обычно возникает, когда материал подвергается напряжению при температуре, близкой к его температуре плавления. В то время как вольфраму требуется температура в тысячи градусов, прежде чем начнется деформация ползучести, свинец может ползти при комнатной температуре, а лед будет ползти при температуре ниже 0 ° C (32 ° F). Пластмассы и металлы с низкой температурой плавления, включая многие припои, могут начать ползти при комнатной температуре. Ледниковый поток является примером процессов ползучести льда. Эффекты деформации ползучести обычно становятся заметными примерно при 35% температуры плавления (в Кельвинах) для металлов и при 45% температуры плавления для керамики.

Теоретическая основа

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

Поведение ползучести можно разделить на три основные стадии.

При первичной или переходной ползучести скорость деформации является функцией времени. В материалах класса М, к которым относятся большинство чистых материалов, скорость первичной деформации со временем снижается. Это может быть связано с увеличением плотности дислокаций или с изменением размера зерна . В материалах класса А, которые имеют большое количество упрочнения в твердом растворе, скорость деформации со временем увеличивается из-за утончения атомов сопротивления растворенного вещества по мере движения дислокаций.

Во вторичном, или установившемся, состоянии 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 возрастает с ростом напряжения. Это может быть связано с явлениями образования шейки , внутренними трещинами или пустотами, которые уменьшают площадь поперечного сечения и увеличивают истинное напряжение в этой области, еще больше ускоряя деформацию и приводя к разрушению.

Механизмы деформации

В зависимости от температуры и напряжения активируются различные механизмы деформации. Хотя, как правило, всегда действует множество механизмов деформации, обычно один механизм является доминирующим, ответственным за почти всю деформацию.

Различные механизмы:

• Объемная диффузия ( ползучесть Набарро – Херринга )
• Зернограничная диффузия ( ползучесть по Коблу )
• , контролируемая скольжением Ползучесть дислокаций : дислокации движутся посредством скольжения и подъема, а скорость скольжения является доминирующим фактором скорости деформации.
• Ползучесть дислокаций, контролируемая подъемом: дислокации движутся посредством скольжения и подъема, а скорость подъема является доминирующим фактором скорости деформации.
• Ползучесть Харпера – Дорна: механизм ползучести при низком напряжении в некоторых чистых материалах.

При низких температурах и низких напряжениях ползучесть практически отсутствует, и все деформации являются упругими. При низких температурах и высоких нагрузках материалы испытывают пластическую деформацию, а не ползучесть. При высоких температурах и низких напряжениях преобладает диффузионная ползучесть, тогда как при высоких температурах и высоких напряжениях преобладает дислокационная ползучесть.

Карты механизма деформации

Основная статья: Карта механизма деформации

Карты механизмов деформации предоставляют визуальный инструмент, классифицирующий доминирующий механизм деформации как функцию гомологичной температуры , напряжения, нормированного по модулю сдвига, и скорости деформации. Обычно два из этих трех свойств (чаще всего температура и напряжение) являются осями карты, а третье отображается в виде контуров на карте .

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

$${\frac {\mathrm {d} \varepsilon }{\mathrm {d} t}}={\frac {C\sigma ^{m}}{d^{b}}}e^{\frac {-Q}{kT}}$$

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 дислокаций

Основная статья: Ползучесть дислокаций

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 более слабая зависимость от размера зерна. По мере уменьшения размера зерна площадь границ зерен увеличивается, поэтому движение дислокаций затрудняется.

Некоторые сплавы имеют очень большой показатель напряжения ( m > 10), и это обычно объясняют введением «порогового напряжения» σ _th , ниже которого ползучесть невозможно измерить. Модифицированное уравнение степенного закона тогда принимает вид:

$${\frac {\mathrm {d} \varepsilon }{\mathrm {d} t}}=A\left(\sigma -\sigma _{\rm {th}}\right)^{m}e^{\frac {-Q}{{\bar {R}}T}}$$

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

Набарро – Сельдь крип

Основная статья: Набарро-Сельдевая ползучесть

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

Ползучесть Набарро-Херринга (NH) представляет собой форму диффузионной ползучести , тогда как ползучесть скольжения дислокаций не включает атомную диффузию. Ползучесть Набарро-Серринга 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 растяжения и уменьшается в областях сжатия. Таким образом, энергия активации образования вакансии изменяется на ± σΩ , где Ω — атомный объем, положительное значение — для областей сжатия, а отрицательное значение — для областей растяжения. Поскольку дробная концентрация вакансий пропорциональна exp(− ⁠ Q _f ± σΩ / RT ⁠ ) , где Q _f - энергия образования вакансий, концентрация вакансий выше в растянутых областях, чем в сжимающих, что приводит к чистому потоку вакансий из растянутых областей в сжатые области. , и это эквивалентно чистой диффузии атомов в противоположном направлении, что вызывает деформацию ползучести: зерно удлиняется по оси растягивающих напряжений и сжимается по оси сжимающих напряжений.

При 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-Херринга сильно зависит от температуры. Чтобы в материале происходила решеточная диффузия атомов, соседние узлы решетки или межузельные узлы в кристаллической структуре должны быть свободными. Данный атом также должен преодолеть энергетический барьер, чтобы переместиться из своего текущего места (он находится в энергетически выгодной потенциальной яме ) к ближайшему вакантному месту (другой потенциальной яме). Общий вид уравнения диффузии имеет вид $$D=D_{0}e^{\frac {E}{KT}}$$где D ₀ зависит как от частоты попыток прыжка, так и от числа ближайших соседних узлов и вероятности того, что узлы останутся 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 дефектов Шоттки и увеличения средней энергии атомов в материале. Ползучесть Набарро – Херринга преобладает при очень высоких температурах по сравнению с температурой плавления материала.

Коббл ползучесть

Основная статья: Ползучесть Кобла

Ползучесть по Коблу — это вторая форма ползучести, контролируемой диффузией. При ползучести Кобла атомы диффундируют вдоль границ зерен, удлиняя зерна вдоль оси напряжений. Это приводит к тому, что ползучесть Кобла имеет более сильную зависимость от размера зерна, чем ползучесть Набарро-Херринга, поэтому ползучесть Кобла будет более важной в материалах, состоящих из очень мелких зерен. Для ползучести Кобла k связано с коэффициентом диффузии атомов вдоль границы зерна, Q = Q (диффузия по границам зерен), m = 1 и b = 3. Поскольку Q (диффузия по границам зерен) меньше, чем Q (самодиффузия) Ползучесть Кобла происходит при более низких температурах, чем ползучесть Набарро-Херринга. Ползучесть по Коблу по-прежнему зависит от температуры, поскольку с повышением температуры увеличивается и диффузия по границам зерен. Однако поскольку число ближайших соседей эффективно ограничено по границе раздела зерен, а термическая генерация вакансий вдоль границ менее распространена, температурная зависимость не такая сильная, как при ползучести Набарро–Херринга. Он также демонстрирует ту же линейную зависимость от напряжения, что и ползучесть Набарро – Херринга. Как правило, скорость диффузионной ползучести должна представлять собой сумму скорости ползучести Набарро-Херринга и скорости ползучести Кобла. Диффузионная ползучесть приводит к расслоению 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 остается пустот или трещин. Когда зернограничное скольжение не может компенсировать несовместимость, образуются зернограничные пустоты, что связано с началом разрушения при ползучести.

Ползучесть растворенного сопротивления

Ползучесть растворенного вещества является одним из механизмов степенной ползучести (PLC), включающим как дислокационный, так и диффузионный поток. Ползучесть при сопротивлении растворенных веществ 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 моделью, связанной с упрочнением твердого раствора. При низких температурах атомы растворенного вещества неподвижны и увеличивают напряжение течения, необходимое для перемещения дислокаций. Однако при более высоких температурах атомы растворенного вещества более подвижны и могут образовывать атмосферу и облака, окружающие дислокации. Это особенно вероятно, если атом растворенного вещества имеет большое несоответствие в матрице. Растворенные вещества притягиваются полями дислокационных напряжений и способны разгрузить поля упругих напряжений существующих дислокаций. Таким образом, растворенные вещества связываются с дислокациями. Концентрация растворенного вещества C на расстоянии r от дислокации определяется атмосферой Коттрелла. определяется как

$$C_{r}=C_{0}\exp \left(-{\frac {\beta \sin \theta }{rKT}}\right)$$

где C ₀ — концентрация при r = ∞, а β — константа, определяющая степень сегрегации растворенного вещества. Находясь в атмосфере 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 скользить под действием приложенного напряжения. Максимальная сила (на единицу длины), которую атмосфера атомов растворенного вещества может оказать на дислокацию, определена Коттреллом и Джасвоном.

$${\frac {F_{\rm {max}}}{L}}={\frac {C_{0}\beta ^{2}}{bkT}}$$

Когда диффузия атомов растворенного вещества активируется при более высоких температурах, атомы растворенного вещества, которые «связаны» с дислокациями из-за несоответствия, могут двигаться вместе с краевыми дислокациями, «тормозя» их движение, если движение дислокаций или скорость ползучести не регулируются. слишком высокий. Величина «сопротивления», оказываемого атомами растворенного вещества на дислокацию, связана с коэффициентом диффузии атомов растворенного вещества в металле при этой температуре, при этом более высокий коэффициент диффузии приводит к меньшему сопротивлению и наоборот. Скорость скольжения дислокаций можно аппроксимировать степенным законом вида

$$v=B{\sigma ^{*}}^{m}B=B_{0}\exp \left({\frac {-Q_{\rm {g}}}{RT}}\right)$$

где m — показатель эффективной степени напряжения, Q — кажущаяся энергия активации скольжения, а B ₀ — константа. 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

$$B={\frac {9kT}{MG^{2}b^{4}\ln {\frac {r2}{r1}}}}\cdot {\frac {D_{\rm {sol}}}{\varepsilon _{\rm {a}}^{2}c_{0}}}$$

где k — постоянная Больцмана, а r ₁ и r ₂ — внутренний и внешний радиусы обрезания 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 способны оторваться от своих облаков, скольжение происходит рывками, когда неподвижные препятствия, образованные дислокациями в сочетании с растворенными веществами, преодолеваются через определенное время ожидания при поддержке термической активации. . Показатель степени m в этом случае больше 1. Уравнения показывают, что эффект упрочнения растворенных веществ является сильным, если коэффициент B в степенном уравнении мал, так что дислокации движутся медленно, а коэффициент диффузии D _sol низок. Кроме того, атомы растворенных веществ как с высокой концентрацией в матрице, так и с сильным взаимодействием с дислокациями являются сильными садовниками. Поскольку деформация несоответствия атомов растворенных веществ является одним из способов их взаимодействия с дислокациями, из этого следует, что атомы растворенных веществ с большим атомным несоответствием являются сильными садовниками. Низкий коэффициент диффузии D _золя является дополнительным условием сильного упрочнения.

Ползучесть сопротивления растворенного вещества иногда демонстрирует особое явление при ограниченной скорости деформации, которое называется эффектом Портевена-Ле Шателье . Когда приложенное напряжение становится достаточно большим, дислокации отрываются от атомов растворенного вещества, поскольку скорость дислокаций увеличивается с ростом напряжения. После отрыва напряжение уменьшается, а также уменьшается скорость дислокации, что позволяет атомам растворенного вещества снова приблизиться и достичь ранее ушедших дислокаций, что приводит к увеличению напряжения. Процесс повторяется при достижении следующего максимума локального напряжения. Таким образом, во время ползучести сопротивления растворенного вещества можно обнаружить повторяющиеся максимумы и минимумы локальных напряжений.

Подъем-скольжение дислокации

Ползучесть-скольжение дислокаций наблюдается в материалах при высокой температуре. Начальная скорость ползучести больше, чем установившаяся скорость ползучести. Ползучесть подъема-скольжения можно проиллюстрировать следующим образом: когда приложенного напряжения недостаточно для того, чтобы движущаяся дислокация преодолела препятствие на своем пути только за счет скольжения дислокации, дислокация может подняться до параллельной плоскости скольжения за счет диффузионных процессов, и дислокация может полететь на новом самолете. Этот процесс повторяется каждый раз, когда дислокация сталкивается с препятствием. Скорость ползучести можно записать как:

$${\frac {\mathrm {d} \varepsilon }{\mathrm {d} t}}={\frac {A_{\rm {CG}}D_{\rm {L}}}{\sqrt {M}}}\left({\frac {\sigma \Omega }{kT}}\right)^{4.5}$$

где A _CG включает детали геометрии дислокационной петли, DL _{— коэффициент} диффузии решетки, M — количество источников дислокаций на единицу объема, σ — приложенное напряжение, а Ω — атомный объем. Показатель m для ползучести подъема-скольжения дислокации равен 4,5, если M не зависит от напряжения, и это значение m согласуется с результатами обширных экспериментальных исследований.

Крип Харпер-Дорн

Ползучесть Харпера-Дорна - это механизм дислокации, контролируемый подъемом, при низких напряжениях, который наблюдался в системах алюминия, свинца и олова, а также в неметаллических системах, таких как керамика и лед. Впервые его наблюдали Харпер и Дорн в 1957 году. Он характеризуется двумя основными явлениями: степенной зависимостью между установившейся скоростью деформации и приложенным напряжением при постоянной температуре, которая более слаба, чем естественный степенной закон 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 за счет диффузии вакансий (ползучесть Набарро-Херринга, ползучесть Кобла), зернограничного скольжения и/или движения дислокаций, и поскольку первые два механизма зависят от размера зерна, ползучесть Харпера-Дорна, следовательно, 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, что указывает на то, что ползучесть Харпера-Дорна является дислокационным механизмом.

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

$${\frac {\mathrm {d} \varepsilon }{\mathrm {d} t}}=\rho _{0}{\frac {D_{\rm {v}}Gb^{3}}{kT}}\left({\frac {\sigma _{\rm {s}}^{n}}{G}}\right)$$

где ρ ₀ — плотность дислокаций (постоянная для ползучести Харпера–Дорна), D _v — коэффициент диффузии через объем материала, G — модуль сдвига, b — вектор Бюргерса, σ _s , n — показатель степени напряжения, который варьируется между 1 и 3.

Позднее исследование области ползучести.

Спустя двадцать пять лет после того, как Харпер и Дорн опубликовали свою работу, Мохамед и Гинтер внес важный вклад в 1982 году, оценив возможность достижения ползучести Харпера-Дорна в образцах Al с использованием различных процедур обработки. Эксперименты показали, что ползучесть по Харперу–Дорну достигается при показателе напряжения n = 1 и только тогда, когда плотность внутренних дислокаций перед испытаниями исключительно мала. Напротив, ползучесть Харпера-Дорна не наблюдалась в поликристаллическом Al и монокристалле Al, когда начальная плотность дислокаций была высокой.

Однако различные противоречивые отчеты демонстрируют неопределенность при очень низких уровнях стресса. Один отчет Блюма и Майера, утверждал, что экспериментальные доказательства ползучести Харпера-Дорна не полностью убедительны. Они утверждали, что необходимое условие ползучести Харпера-Дорна не выполняется в Al с чистотой 99,99% и показатель стационарного напряжения n скорости ползучести всегда много больше 1.

Последующая работа, проведенная Гинтером и др. подтвердили, что ползучесть Харпера-Дорна достигается в Al с чистотой 99,9995%, но не в Al с чистотой 99,99%, и, кроме того, кривые ползучести, полученные в материале очень высокой чистоты, демонстрируют регулярные и периодические ускорения. Они также обнаружили, что поведение ползучести больше не соответствует показателю напряжения n = 1, когда испытания расширены до очень высоких деформаций > 0,1, но вместо этого есть свидетельства того, что показатель напряжения n > 2.

Требования к возникновению

• Ползучесть Харпера-Дорна обычно рассматривается как ньютоновский вязкий процесс с n = 1. Некоторые совсем недавние экспериментальные данные показывают, что показатель степени напряжения может быть ближе к ~ 2. Ползучесть Харпера-Дорна должна наблюдаться в режиме ползучести с низкими напряжениями, где показатель степени напряжения ниже, чем в обычном степенном режиме, где n ≈ 3–5.
• В отличие от диффузии Набарро-Херринга, зависящей от размера зерна, процесс течения Харпера-Дорна не зависит от размера зерна. В первоначальных экспериментах Харпера и Дорна одинаковые скорости ползучести регистрируются либо в широком диапазоне размеров зерен в поликристаллических образцах, либо в сочетании поликристаллических образцов и монокристаллов.
• Измеренные скорости ползучести должны быть значительно выше, обычно более чем на два порядка, чем скорости ползучести, ожидаемые для диффузионной ползучести Набарро-Херринга. При очень высоких температурах испытаний диффузионная ползучесть Кобла в этих условиях будет иметь незначительное значение.
• Объемная энергия активации указывает на то, что скорость ползучести Харпера-Дорна контролируется диффузией вакансий к дислокациям и из них, что приводит к движению дислокаций, контролируемому переползанием. В отличие от других механизмов ползучести плотность дислокаций здесь постоянна и не зависит от приложенного напряжения.
• Чтобы преобладала ползучесть Харпера-Дорна, плотность дислокаций должна быть низкой. Было предложено увеличивать плотность по мере перемещения дислокаций посредством поперечного скольжения от одной плоскости скольжения к другой, тем самым увеличивая длину дислокаций на единицу объема. Поперечное скольжение также может привести к неровностям по длине дислокации, которые, если они достаточно велики, могут действовать как источники односторонних дислокаций.

Спекание

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

Напряжение, имеющее тенденцию сжимать пустоты, которое необходимо преодолеть, связано с поверхностной энергией и соотношением 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

$$\sigma _{\rm {sint}}={\frac {\gamma }{r_{1}}}+{\frac {\gamma }{r_{2}}}$$

Ниже этого критического напряжения пустоты будут иметь тенденцию сжиматься, а не расти. Дополнительные эффекты усадки пустот также возникнут в результате приложения сжимающего напряжения. Для типичных описаний ползучести предполагается, что приложенное растягивающее напряжение превышает предел спекания.

Ползучесть также объясняет один из нескольких факторов, способствующих уплотнению во время спекания металлического порошка путем горячего прессования. Основным аспектом уплотнения является изменение формы частиц порошка. Поскольку это изменение включает в себя остаточную 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 ускоряет скорость усадки пустот и позволяет установить связь между установившимся степенным законом ползучести и скоростью уплотнения материала. Это явление считается одним из основных механизмов уплотнения на заключительных стадиях спекания, во время которого скорость уплотнения (при условии отсутствия газовых пор) можно объяснить следующим образом:

$${\dot {\rho }}={\frac {3A}{2}}{\frac {\rho (1-\rho )}{\left(1-(1-\rho )^{\frac {1}{n}}\right)^{n}}}\left({\frac {3}{2}}{\frac {P_{\rm {e}}}{n}}\right)^{n}$$

где ρ̇ — скорость уплотнения, ρ — плотность, P _e — приложенное давление, n описывает показатель степени поведения скорости деформации, а A — константа, зависящая от механизма. A и n взяты из следующей формы общего уравнения установившейся ползучести:

$${\dot {\varepsilon }}=A\sigma ^{n}$$

где ε̇ — скорость деформации, а σ — растягивающее напряжение. Для целей этого механизма константа 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:

$$A=A'{\frac {D_{0}\mu b}{kT}}\exp \left(-{\frac {Q}{kT}}\right)$$

Примеры

Полимеры

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

Ползучесть может возникнуть в полимерах и металлах, которые считаются вязкоупругими материалами. Когда полимерный материал подвергается резкому воздействию силы, реакцию можно смоделировать с помощью модели Кельвина-Фойгта . В этой модели материал представлен гуковой пружиной и ньютоновской пружиной параллельно . Деформация ползучести определяется следующим интегралом свертки :

$$\varepsilon (t)=\sigma C_{0}+\sigma C\int _{0}^{\infty }f(\tau )\left(1-e^{-t/\tau }\right)\,\mathrm {d} \tau$$

где σ — приложенное напряжение, C ₀ — мгновенная податливость ползучести, C — коэффициент податливости 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 деформацией, которая увеличивается до тех пор, пока материал в конечном итоге не выйдет из строя. Когда напряжение поддерживается в течение более короткого периода времени, материал подвергается начальной деформации до момента времени t ₁ , в течение которого напряжение снимается, в этот момент деформация сразу уменьшается (разрыв), а затем продолжает постепенно уменьшаться до остаточной деформации.

Данные вязкоупругой ползучести могут быть представлены одним из двух способов. Суммарную деформацию можно построить как функцию времени для данной 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 определенный момент времени) как функции времени. Ниже критического напряжения модуль вязкоупругой ползучести не зависит от приложенного напряжения. Семейство кривых, описывающих реакцию деформации в зависимости от времени на различные приложенные напряжения, может быть представлено 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 ползучесть. Эффект увеличения молекулярной массы имеет тенденцию способствовать вторичному связыванию между полимерными цепями и, таким образом, делает полимер более устойчивым к ползучести. Аналогичным образом, ароматические полимеры еще более устойчивы к ползучести из-за дополнительной жесткости колец. Как молекулярная масса, так и ароматические кольца повышают термическую стабильность полимеров, увеличивая сопротивление ползучести полимера.

И полимеры, и металлы могут ползти. Полимеры испытывают значительную ползучесть при температурах выше примерно -200 ° C (-330 ° F); однако существует три основных различия между полимерной и металлической ползучестью. В металлах ползучесть не является линейно-вязкоупругой, невосстанавливаемой и присутствует только при высоких температурах.

Полимеры проявляют ползучесть двумя разными способами. При типичных рабочих нагрузках (от 5% до 50%) сверхвысокомолекулярный полиэтилен (Spectra, Dyneema ) будет демонстрировать линейную по времени ползучесть, тогда как полиэстер или арамиды ( Тварон , Кевлар ) будут демонстрировать логарифмическую по времени ползучесть.

Древесина

Древесина рассматривается как ортотропный материал , проявляющий различные механические свойства в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эксперименты показывают, что в тангенциальном направлении твердой древесины наблюдается несколько более высокая податливость ползучести, чем в радиальном направлении. В продольном направлении податливость ползучести относительно низкая и обычно не зависит от времени по сравнению с другими направлениями.

Показано также, что существует существенная разница вязкоупругих свойств древесины в зависимости от способа нагружения (ползучесть при сжатии или растяжении). Исследования показали, что некоторые коэффициенты Пуассона постепенно переходят от положительных значений к отрицательным в течение испытания на ползучесть при сжатии, чего не происходит при растяжении.

Конкретный

Основная статья: Ползучесть и усадка бетона

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 напряжений и в пределах эксплуатационных напряжений линейно зависит от напряжения, если содержание поровой воды постоянно. В отличие от ползучести полимеров и металлов, для него характерно многомесячное старение, вызванное химическим упрочнением за счет гидратации, придающей жесткость микроструктуре, и многолетнее старение, вызванное длительной релаксацией самоуравновешенных микронапряжений в нанопористой микроструктуре. КШ. Если бетон полностью затвердел, ползучесть фактически прекращается.

Металлы

Ползучесть металлов проявляется прежде всего в движении их микроструктуры. Хотя полимеры и металлы имеют некоторые сходства в ползучести, поведение ползучести металлов демонстрирует различную механическую реакцию и должно моделироваться по-разному. Например, для полимеров ползучесть можно смоделировать с помощью модели Кельвина-Фойгта с пружиной Гука , но для металлов ползучесть можно представить с помощью механизмов пластической деформации, таких как скольжение дислокаций , переползание и зернограничное скольжение. Понимание механизмов ползучести металлов становится все более важным для надежности и срока службы материалов, поскольку рабочие температуры в приложениях, связанных с металлами, повышаются. В отличие от полимеров, у которых деформация ползучести может возникать при очень низких температурах, ползучесть металлов обычно происходит при высоких температурах. Ключевыми примерами могут служить сценарии, в которых такие металлические компоненты, как интерметаллиды или тугоплавкие металлы, подвергаются воздействию высоких температур и механических нагрузок, таких как лопатки турбин. детали двигателя и другие элементы конструкции. Тугоплавкие металлы , такие как вольфрам, молибден и ниобий, известны своими исключительными механическими свойствами при высоких температурах и могут оказаться полезными материалами в аэрокосмической, оборонной и электронной промышленности.

Тематические исследования

Ползание по нижней стороне картонной коробки: практически пустую коробку положили на коробку поменьше, а сверху положили еще коробки. Из-за веса части пустого ящика, не удерживаемые нижней опорой, постепенно прогибались вниз.

Хотя в основном из-за снижения предела текучести при более высоких температурах, обрушение Всемирного торгового центра отчасти произошло из-за ползучести из-за повышения температуры.

Скорость ползучести горячих компонентов, нагруженных давлением, в ядерном реакторе на мощности может быть существенным ограничением конструкции, 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 вольфрамовой лампочки направлена ​​на уменьшение деформации ползучести. Провисание катушки с нитью между опорами со временем увеличивается из-за веса самой нити. Если происходит слишком большая деформация, соседние витки катушки соприкасаются друг с другом, вызывая локальный перегрев, что быстро приводит к выходу из строя нити. Поэтому геометрия и опоры катушки разработаны так, чтобы ограничить напряжения, вызванные весом нити, а специальный вольфрамовый сплав с небольшим количеством кислорода, захваченного в кристаллитов, границах зерен используется для замедления скорости ползучести Кобла .

Ползучесть может привести к постепенному прорезанию изоляции провода, особенно когда напряжение концентрируется при прижатии изолированного провода к острому краю или углу. Специальная изоляция, устойчивая к ползучести, такая как Kynar ( поливинилиденфторид ), используется при намотке проводов , чтобы противостоять прорезанию из-за острых углов клемм для намотки проводов. Тефлоновая изоляция устойчива к повышенным температурам и имеет другие полезные свойства, но, как известно, уязвима к сбоям при прорезывании при холодном течении, вызванным ползучестью.

На паротурбинных электростанциях по трубам переносится пар при высоких температурах (566 °C, 1051 °F) и давлениях (свыше 24,1 МПа, 3500 фунтов на квадратный дюйм). В реактивных двигателях температура может достигать 1400 °C (2550 °F) и вызывать деформацию ползучести даже в турбинных лопатках усовершенствованной конструкции с покрытием. Следовательно, для правильной функциональности крайне 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 также при проектировании многих предметов повседневного пользования. Например, металлические скрепки для бумаг прочнее пластиковых, потому что пластик расползается при комнатной температуре. Стареющие стеклянные окна часто ошибочно используются в качестве примера этого явления: измеримая ползучесть может происходить только при температурах выше температуры стеклования, около 500 ° C (932 ° F). Хотя стекло действительно демонстрирует ползучесть при правильных условиях, кажущееся провисание старых окон может вместо этого быть следствием устаревших производственных процессов, таких как те, которые использовались для создания коронного стекла , что привело к непостоянной толщине.

Фрактальная геометрия с использованием детерминированной канторовой структуры используется для моделирования топографии поверхности, где представлены последние достижения в области термовязкоупругого контакта ползучести шероховатых поверхностей. Для моделирования поверхностных материалов используются различные вязкоупругие идеализации, включая модели Максвелла, Кельвина-Фойгта, стандартное линейное твердое тело и модели Джеффри.

Nimonic 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 распространена и долгое время считалась стандартной практикой, не одобрялась профессиональными электриками. из-за того, что припой может расползаться под давлением, оказываемым на луженый конец провода винтом клеммы, в результате чего соединение теряет натяжение и, следовательно, со временем приводит к ослаблению контакта. Общепринятой практикой при подключении многожильного провода к винтовой клемме является использование наконечника на конце провода.

Профилактика

Как правило, материалы обладают лучшим сопротивлением 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 они имеют тенденцию иметь более низкий коэффициент диффузии, чем неплотноупакованные структуры. Общие методы уменьшения ползучести включают в себя:

• Укрепление твердого раствора : добавление других элементов в твердый раствор может замедлить диффузию, а также замедлить движение дислокаций за счет механизма сопротивления растворенного вещества.
• Усиление дисперсии частиц: добавление частиц, часто некогерентных частиц оксидов или карбидов, блокирует движение дислокаций.
• Дисциплинарное упрочнение : выделение второй фазы из первичной решетки блокирует движение дислокаций.
• Размер зерна: увеличение размера зерна уменьшает количество границ зерен, что приводит к замедлению ползучести из-за высокой скорости диффузии вдоль границ зерен. Это противоположность низкотемпературным применениям, где увеличение размера зерна снижает прочность, блокируя движение дислокаций. В приложениях с очень высокими температурами, таких как турбины реактивных двигателей, часто используются монокристаллы.

Суперсплавы

Материалы, работающие при высоких температурах, такие как лопатка турбины реактивного двигателя из никелевого суперсплава ( RB199 ), должны быть способны противостоять ползучести, присутствующей при этих температурах.

Основная статья: Суперсплавы

Материалы, работающие в высокопроизводительных системах, таких как реактивные двигатели, часто достигают экстремальных температур, превышающих 1000 °C (1830 °F), что требует разработки специализированных материалов. Суперсплавы на основе кобальта , никеля и железа были разработаны с 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 поддержания прочности при высокой температуре.

Фаза γ' представляет собой кубическую L1 ₂ -структуру. Фаза Ni ₃ (Al,Ti,Ta,Nb), образующая выделения кубической формы. Суперсплавы часто имеют высокую (60–75%) объемную долю выделений γ'. Преципитаты γ' когерентны с исходной γ-фазой и устойчивы к сдвигу из-за образования противофазной границы при сдвиге осадка. Фаза γ″ представляет собой тетрагональную структуру Ni ₃ Nb или Ni ₃ V. Фаза γ″, однако, нестабильна при температуре выше 650 °C (1202 °F), поэтому γ″ реже используется в качестве упрочняющей фазы при высоких температурах. Карбиды также используются в поликристаллических суперсплавах для предотвращения скольжения по границам зерен .

В суперсплавы можно добавлять множество других элементов, чтобы адаптировать их свойства. Их можно использовать для упрочнения твердого раствора, для уменьшения образования нежелательных хрупких осадков и для повышения стойкости к окислению или коррозии. Суперсплавы на основе никеля нашли широкое применение в условиях высоких температур и низких напряжений. Суперсплавы на основе железа обычно не используются при высоких температурах, поскольку γ'-фаза нестабильна в матрице железа, 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 'стабилен только при температуре ниже 900 ° C (1650 ° F), а суперсплавы на основе кобальта, как правило, слабее, чем их никелевые аналоги.

Факторы, влияющие на сопротивление ползучести

1. Стадии ползучести

Основываясь на описании механизмов ползучести и трех ее различных стадий, упомянутых ранее, сопротивление ползучести обычно может быть достигнуто с использованием материалов, в которых их третичная стадия не активна, поскольку на этой стадии скорость деформации значительно увеличивается за счет увеличения напряжения. Следовательно, конструкция надежного компонента должна удовлетворять требованиям первичной стадии ползучести, которая имеет относительно высокую начальную скорость ползучести, которая уменьшается с увеличением времени воздействия, что приводит ко второй стадии ползучести, на которой скорость ползучести материала замедляется и достигает своего значения. минимальное значение за счет наклепа. Минимальное значение скорости ползучести на самом деле является постоянной скоростью ползучести, которая играет решающую роль при проектировании компонента, и ее величина зависит от температуры и напряжения. Минимальное значение скорости ползучести, которое обычно применяется к сплавам, основано на двух нормах: (1) напряжении, необходимом для создания скорости ползучести 0,1%/ч × 10. ⁻³ и (2) напряжение, необходимое для создания скорости ползучести 0,1%/ч × 10 ⁻⁴ , что занимает примерно 11,5 лет. Первый стандарт широко используется при проектировании деталей турбинных лопаток, а второй часто используется при проектировании паровых турбин. Одной из основных целей испытаний на ползучесть является определение минимального значения скорости ползучести на вторичном этапе, а также исследование времени, необходимого для окончательного разрушения компонента. Однако когда дело доходит до керамических применений, таких стандартов для определения их минимальной скорости ползучести не существует, но можно с уверенностью сказать, что керамику обычно выбирают для работы в высокотемпературных условиях под нагрузками главным образом потому, что она обладает длительным сроком службы. Однако, получив информацию, полученную в ходе испытаний на ползучесть, можно выбрать подходящий керамический материал(ы) для желаемого применения, чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию и оценить период времени безопасной эксплуатации в высокотемпературных средах, когда структурная термостабильность имеет важное значение. Следовательно, сделав правильный выбор, можно выбрать подходящие керамические компоненты, способные работать в различных условиях высокой температуры и деформации ползучести.

2. Выбор материалов

Вообще говоря, структура материалов отличается друг от друга. Металлические материалы имеют другую структуру по сравнению с полимером или керамикой, и даже в пределах одного класса материалов разные структуры могли существовать при разных температурах. Разница в структуре включает в себя разницу в зернах (например, их размерах, форме, распределении), их кристаллической или аморфной природе и даже в содержании дислокаций и/или вакансий, которые склонны изменяться после деформации. Итак, поскольку ползучесть является процессом, зависящим от времени и различающимся от одного материала к другому, все эти параметры необходимо учитывать при выборе материалов для конкретного применения. Например, материалы с низким содержанием дислокаций являются одними из подходящих кандидатов на сопротивление ползучести. Другими словами, скольжение и переползание дислокаций можно уменьшить, если правильно подобрать материал (например, в этом случае очень популярны керамические материалы). Говоря о вакансиях, следует отметить, что содержание вакансий зависит не только от выбранного материала, но и от температуры эксплуатации компонента. Процессы, контролируемые диффузией вакансий, которые способствуют ползучести, можно разделить на зернограничную диффузию (ползучесть Кобла) и решеточную диффузию (ползучесть Набарро-Херринга). Поэтому при выборе материалов для конструкции компонентов необходимо серьезно учитывать свойства дислокаций и вакансий, их распределение по структуре и их потенциальное изменение под действием длительного воздействия напряжений и температур. Таким образом, роль дислокаций, вакансий, широкого спектра препятствий, которые могут задерживать движение дислокаций, включая границы зерен в поликристаллических материалах, атомы растворенных веществ, выделения, примеси и поля деформаций, возникающие от других дислокаций или их скоплений, которые увеличивают время жизни Выбор материалов и повышение их сопротивления ползучести всегда находятся на первом месте при выборе материалов и проектировании компонентов. Например, разные типы вакансий в керамических материалах имеют разные заряды, обусловленные их доминирующим химическим соединением. Таким образом, существующие или вновь образующиеся вакансии должны быть сбалансированы по заряду, чтобы сохранить общую нейтральность окончательной структуры. Помимо внимания к содержанию отдельных дислокаций и вакансий, также стоит изучить корреляцию между ними, поскольку способность дислокации карабкаться во многом зависит от того, сколько вакансий имеется в ее окрестностях. Подводя итог, необходимо выбирать и разрабатывать материалы, которые обладают низким содержанием дислокаций и вакансий, чтобы иметь практический компонент сопротивления ползучести.

3. Различные условия труда

● Температура

Ползучесть — это явление, связанное с температурой плавления материала (Tm). Как правило, высокий срок службы ожидается, когда у нас более высокая температура плавления, и причина выбора материалов с высокими температурами плавления связана с тем фактом, что процессы диффузии связаны с температурно-зависимой концентрацией вакансий. Скорость диффузии медленнее в высокотемпературных материалах. Керамические материалы хорошо известны своей высокой температурой плавления, и именно по этой причине керамика уделяла значительное внимание приложениям, обеспечивающим сопротивление ползучести. Хотя широко известно, что ползучесть начинается при температуре, равной 0,5Tm, безопасная температура, позволяющая избежать начала ползучести, составляет 0,3Tm. Ползучесть, которая начинается ниже или при 0,5Tm, называется «низкотемпературной ползучестью», поскольку диффузия не очень прогрессивна при таких низких температурах, а тип ползучести, который возникает, не является диффузионно-доминантным и связан с другими механизмами.
● Время

Как упоминалось ранее, ползучесть — это деформация, зависящая от времени. К счастью, в хрупких материалах ползучесть не возникает внезапно, как при растяжении и других формах деформации, и это является преимуществом для проектировщиков. Со временем в материале, который подвергается напряжению при температуре применения, развивается деформация ползучести, и она зависит от продолжительности воздействия. Таким образом, помимо температуры и напряжения, скорость ползучести также является функцией времени, и ее можно обобщить как функцию ε = F(t, T, σ), которая сообщает проектировщику все три параметра, включая время, температуру и напряжения действуют согласованно, и все они должны учитываться, если мы хотим достичь успешного компонента сопротивления ползучести.

См. также

• Биоматериал
• Биомеханика
• Температура вязко-хрупкого перехода в материаловедении
• Механизм деформации
• Сползание вниз по склону
• Гистерезис
• Параметр Ларсона – Миллера
• Релаксация стресса
• вязкоупругость
• Вязкопластичность
• Хрупко-пластичная переходная зона

Дальнейшее чтение

• Эшби, Майкл Ф .; Джонс, Дэвид Р.Х. (1980). Инженерные материалы 1: Введение в их свойства и применение . Пергамон Пресс. ISBN  978-0-08-026138-6 .
• Фрост, Гарольд Дж.; Эшби, Майкл Ф. (1982). Карты механизмов деформации: пластичность и ползучесть металлов и керамики . Пергамон Пресс. ISBN  978-0-08-029337-0 .
• Тернер, С. (2001). Ползучесть полимерных материалов . Оксфорд: Elsevier Science Ltd., стр. 1813–1817. ISBN  978-0-08-043152-9 .