Ползучесть материалов

При изучении основных разделов курса “Сопротивление материалов” предполагается, что при неизменных по времени воздействиях, напряженно-деформированное состояние рассматриваемого тела остается неизменным. Однако многие материалы даже при комнатных температурах (свинец, латунь, бронза, алюминий и некоторые другие цветные металлы и сплавы, а также пластмассы, композиты на полимерной основе, стеклопластики, древесина, грунты, бетоны и асфальтобетоны) обладают способностью медленно деформироваться во времени при постоянных напряжениях. Это свойство материалов называют ползучестью (или крипом).

Ползучесть опасна тем, что остаточные изменения размеров деталей нарушают расчетный режим работы узлов и всей машины: изменяются условия соединения деталей, требуемые натяги и зазоры, ухудшаются эксплуатационные параметры машин. Расчетом многих деталей машин ползучесть конструкционных сталей при низких температурах обычно не учитывается. Однако нужно иметь в виду, что даже малые остаточные изменения размеров и формы деталей под действием остаточных или рабочих напряжений могут оказаться недопустимыми и приведут к потере эксплуатационных качеств оборудования и приборов.

В целом ряде случаев ползучесть играет положительную роль, например, снижая возникающие напряжения в зонах их концентрации. Учет ползучести оказывается необходимым для разработки мероприятий (технологий получения), позволяющих предотвратить образование трещин в деталях и элементах конструкций (бетонные массивы, детали из стеклопластика и композитов).

Деформация ползучести у металлов представляет собой необратимую (пластическую) деформацию материала и может рассматриваться как медленная текучесть металла. В результате развития пластических деформаций за счет ползучести в ряде случаев происходит изменение величины напряжений и перераспределение их по объему детали. Изменение величины напряжений будет особенно значительным тогда, когда вследствие тех или иных особенностей работы детали полная деформация ее с течением времени не сможет изменяться. В этом случае упругая деформация детали, полученная при нагружении, с течением времени будет уменьшаться; за счет этого возникнет и будет постепенно увеличиваться пластическая деформация. Вместе с тем, напряжения в детали будут снижаться. Такое уменьшение напряжений в результате постепенного нарастания пластической деформации за счет упругой (при постоянной во времени полной деформации) носит название релаксации напряжений. В таких условиях работают напряженные резьбовые соединения, пружины, насаженные на валу с натягом диски турбин и другие детали. В условиях эксплуатации необходимо, чтобы за межремонтный период натяг не уменьшался до величины допустимого уровня.

Всякое сопротивление ползучести не означает, что материал имеет хорошую релаксационную стойкость. Это объясняется тем, что процесс релаксации происходит при суммарной (упругой и пластической) деформации металла порядка 0,1%, а ползучесть – при пластической деформации порядка нескольких процентов.