Ползучесть и жаропрочность
Следствия из всего сказанного для поведения металлов в рабочих условияхдовольно очевидны. Когда металл нагружается намного ниже предела упругости,то есть работает где-то в глубине гуковского участка кривой напряжение-деформация,удлинение материала не подвержено влиянию времени. При необходимости мымогли бы оставлять материал под нагрузкой в течение веков, не вызывая каких-либодеформаций или повреждений материала. Однако вблизи предела упругости материалстановится заметно подверженным влиянию как времени, так и температуры.Мы видели, что даже при комнатной температуре тепловые толчки активируютисточники дислокаций, так что пластическая деформация со временем накапливается:материал удлиняется, а в некоторых случаях может разрушиться. Иными словами,мы не можем назвать прочность такого материала, пока не укажем также искорость нагружения или не уточним, как долго будет действовать на материалнагрузка. Следовательно, такие конструкции, как подвесные мосты, нагруженныенепрерывно в течение многих лет, должны быть рассчитаны на меньшие напряжения,чем те конструкции, которые нагружаются ненадолго и от случая к случаю.Используемые на практике металлы обнаруживают некоторую ползучесть дажепри довольно малых напряжениях, и на это следует обращать внимание, когдаважно обеспечить точность размеров.
Нетрудно представить себе, что напряжения, при которых с ползучестьюнадо считаться, сильно зависят от температуры. В то же время температурачасто определяет вид машины в целом. Особенно она важна для тепловых машин,например таких, как газовые турбины. В целом, чем горячее нагретые частимашин, тем большего полезного эффекта можно ожидать от всей конструкции,особенно в отношении экономии горючего. Так как железо плавится при температуре,несколько превышающей 1500° C, а есть и более тугоплавкие металлы, то можнобыло бы подумать, что не существует особых трудностей в эксплуатации машинпри температуре, скажем, 1200° C. Ведь это намного ниже температуры плавления.Но дело обстоит далеко не так.
Верно, что железо не плавится ниже 1500° C. Но ведь расплавленный металлтечет под действием собственного веса, то есть при ничтожных напряжениях.А стоит нам приложить механическое напряжение, даже совсем малое, как течениеи.неизбежное разрушение появляются задолго до плавления. Прочность резкоснижается даже при сравнительно быстрых нагружениях (например, при испытанияхна обычных установках). Более того, когда элементы машин подвергаются длительномунагружению в одном направлении (например, турбинные лопатки под действиемцентробежных сил), мы должны пристально следить за ползучестью.
При кратковременных нагружениях прочность металлов изменяется с температуройприблизительно так, как показано на рис. 54. Можно сказать, что материалумирает медленно, постепенно. В качестве очень грубого рабочего правила,верного для большинства металлов, можно принять, что материал не можетиспользоваться при температурах выше половины его температуры плавления,выраженной в градусах Кельвина (градусы Кельвина = градусы Цельсия+273;см. приложение).
Рис. 54. Зависимость “кратковременной” прочности металла от температуры испытания.
