Fluxul materialelor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 28 ianuarie 2020; verificările necesită 2 modificări .

Fluaj al materialelor ( efect secundar ) - lentă, care are loc în timp, deformarea unui corp solid sub influența unei sarcini constante sau a unei solicitări mecanice . Toate solidele , atât cristaline , cât și amorfe , sunt supuse fluajului într-o oarecare măsură .

Istorie

Fenomenul de fluaj a fost observat de K. Navier (1826), G. Coriolis (1830), dar a fost studiat pentru prima dată cantitativ de L. Vika (1834). Studiile sistematice ale fluajului metalelor și aliajelor , cauciucurilor , ochelarilor datează de la începutul secolului XX și mai ales din anii 40, când, în legătură cu dezvoltarea tehnologiei, au întâlnit, de exemplu, fluajul discurilor și a lamelor. de turbine cu abur și gaz, motoare cu reacție și rachete, în care încălzirea semnificativă este combinată cu sarcini mecanice. Au fost necesare materiale structurale (aliaje rezistente la căldură), ale căror părți să reziste mult timp la sarcini la temperaturi ridicate. Pentru o lungă perioadă de timp s-a crezut că fluajul poate apărea numai la temperaturi ridicate , dar fluajul apare și la temperaturi foarte scăzute, de exemplu, în cadmiu , fluajul vizibil este observat la o temperatură de -269 ° C, iar în fier - la - 169 ° C.

Motive și proprietăți

Fluajul materialelor este studiat experimental în primul rând sub simple stări de efort: tensiune uniaxială , compresie , precum și forfecare pură . Condițiile pentru efectuarea unor astfel de experimente sunt determinate de GOST. Fluajul în stări complexe de stres este de obicei studiat pe specimene tubulare cu pereți subțiri.

Curba de fluaj

Fluajul este descris de așa-numita curbă de fluaj , care este dependența deformației de timp la temperatură constantă și sarcina aplicată (sau efort).

Este împărțit condiționat în trei secțiuni sau etape:

AB - secțiune de fluaj instabil (sau amortizat) (etapa I),
BC - secțiune de fluaj constant - deformare care se desfășoară cu o rată constantă (etapa II),
CD - zona de fluaj accelerat (etapa III),
E 0 - deformare la momentul aplicării sarcinii,
punctul D este momentul distrugerii.

Etape de fluaj

Atât timpul total până la defecțiune, cât și lungimea fiecărei etape depind de temperatură și de sarcina aplicată. La temperaturi care reprezintă 40%-80% din temperatura de topire a metalului (aceste temperaturi sunt cele care prezintă cel mai mare interes tehnic), amortizarea fluajului în prima etapă este rezultatul întăririi prin deformare ( întărire ).

Deoarece fluajul are loc la temperaturi ridicate, este, de asemenea, posibilă eliminarea întăririi - așa-numita revenire a proprietăților materialului. Când ratele de întărire și de revenire devin aceleași, începe etapa II de fluaj . Trecerea la etapa III este asociată cu acumularea de deteriorare a materialului (pori, microfisuri), a căror formare începe deja în etapele I și II.

Fluaj și plasticitate

Curbele de fluaj descrise au aceeași formă pentru o gamă largă de materiale - metale și aliaje, cristale ionice , semiconductori , polimeri , gheață și alte solide. Mecanismul de fluaj structural , adică procesele elementare care duc la fluaj , depinde atât de tipul de material, cât și de condițiile în care apare fluajul . Mecanismul fizic al fluajului , în special la temperaturi ridicate, este predominant de natură de difuzie și, prin urmare, diferă de mecanismul de deformare în timpul plasticității , care este asociat cu alunecarea rapidă de-a lungul planurilor atomice a granulelor de policristal (Yu. N. Rabotnov. Mechanics of un corp solid deformabil). Întreaga varietate de procese elementare de deformare plastică ireversibilă care duc la fluaj poate fi împărțită condiționat în procese efectuate prin mișcarea dislocațiilor (defecte ale unui cristal) și procese datorate difuziei. Acestea din urmă apar în corpurile amorfe la toate temperaturile existenței lor, precum și în corpurile cristaline, în special, în metale și aliaje, la temperaturi suficient de ridicate. La temperaturi apropiate de temperaturile de topire, diferența dintre fluaj și plasticitate devine mai puțin pronunțată [1] . Cu o deformare totală constantă, tensiunile dintr-un corp încărcat scad cu timpul datorită fluajului , adică are loc relaxarea tensiunii .

Rezistenta la caldura

Rezistența mare la fluaj este unul dintre factorii care determină rezistența la căldură . Pentru o evaluare comparativă a materialelor tehnice, rezistența la fluaj este caracterizată de limita de fluaj - solicitarea la care se realizează o deformare dată într-un timp dat. În construcția motoarelor de aeronave se ia un timp egal cu 100-200 de ore, în timp ce în proiectarea turbinelor cu abur staționare este de 100.000 de ore.Uneori, rezistența la fluaj este caracterizată de valoarea vitezei de deformare după un timp dat. Rata de deformare completă este suma vitezei de deformare elastică și a vitezei de deformare prin fluaj . ${\punct \varepsilon }$ ${\dot \varepsilon }_{e}$ ${\dot \varepsilon }_{\pi }$

Alți factori

Vibrația poate accelera de mai multe ori fluxul.

Poziția în teorie

Teoria fluajului se învecinează strâns cu teoria plasticității , cu toate acestea, datorită varietății de proprietăți mecanice ale solidelor, nu există o teorie unificată a fluajului . Pentru metale, teoria fluxului este utilizată în principal :

${\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,t)$

unde este stresul, este timpul care descrie în mod satisfăcător curajul la tensiuni care variază lent și monoton, dar care are o dependență substanțial neliniară de . $s$ $t$ ${\dot \varepsilon }_{\pi }$ $s$

O descriere mai completă a fluajului este dată de teoria întăririi : ${\dot {\varepsilon }}_{\pi }=f(s,{\dot {\varepsilon }}_{\pi })$

ceea ce este convenabil pentru o analiză aproximativă a fluajului pe termen scurt la un nivel ridicat de stres. Teoria întăririi surprinde corect unele caracteristici ale fluajului sub diferite tensiuni, dar aplicarea sa este asociată cu mari dificultăți matematice.

În mecanica polimerilor, teoria eredității este de obicei utilizată :

$\phi (\varepsilon)=\sigma (t)+\int \limits _{0}^{t}K(t-\tau)\sigma (\tau)\;d\tau$

unde este așa-numitul nucleu de efecte secundare, care caracterizează măsura în care în momentul de timp se simte influența (efectul ulterioară) asupra deformarii unei solicitări unitare, care a acționat pentru o perioadă de timp unitară într-un moment anterior . $K(t-\tau )$ $t$ $\tau$

Întrucât tensiunea acționează și în alte momente, efectul total total este luat în considerare de termenul integral . Teoria eredității definește deformarea totală și oferă o descriere calitativă a unor fenomene mai complexe (de exemplu, efectul fluajului invers ).

Literatură

↑ Tyra, Otani. Teoria rezistenței materialelor la temperatură ridicată

Bell J.F. 1 // Fundamente experimentale ale mecanicii solidelor deformabile. - M. : GRFML, 1984. - 600 p.
Rabotnov Yu. N. Fluaj al elementelor structurale. M.: Nauka, 1966. 753 p. Arhivat pe 18 ianuarie 2021 la Wayback Machine
Rabotnov Yu. N. , Mileiko S. T. Crep pe termen scurt. M.: Nauka 1970. 224 p.
Rabotnov Yu. N. Teoria fluajului. În: Mecanica în URSS timp de 50 de ani. Volum. 3. Mecanica unui corp solid deformabil. M.: Nauka, 1972. S. 119-154, 167-169