Меню

  • На главную

Поиск

  • Явление ползучести

    Posted 7/30/2009 в 9:26:52 ПП

    Явление ползучести в узком смысле слова состоит в том, что телог подверженное действию постоянных нагрузок, медленно деформируется во времени. Задача механической теории ползучести состоит в установлении определяющих уравнений, связывающих механические параметры состояния — напряжения и деформации. Эти соотношения должны существенным образом содержать некоторые временные операторы — дифференциальные или интегральные. Процесс ползучести часто заканчивается разрушением тела, поэтому в идеале механическая теория разрушения должна содержать в себе элементы, позволяющие предсказывать момент разрушения.
    Феноменологический подход, свойственный механике, не избавляет механика от необходимости считаться с физикой процесса и принимать во внимание те внутренние механизмы, которые определяют этот процесс. Кривые зависимости деформации от времени в опыте на растяженио постоянной нагрузкой для стали при высокой температуре, любого пластика (например, полиэтилена) при нормальной температуре, бетонаг льда, образца горной породы и т. д. внешне кажутся чрезвычайно похожими, и поэтому возникает надежда сконструировать некоторые универсальные уравнения, пригодные для описания всех материалов в любых условиях. Однако внутреннее строение названных выше тел совершенна различно, различны и те механизмы, которые вызывают ползучесть. Глубокое различие процессов ползучести в металлах и полимерах, например, связанное с различием определяющих механизмов, может быть выявлено и в макроэксперименте. Так, деформация ползучести стали практически необратима, после снятия нагрузки накопленная деформация не возвращается или возвращается лишь ее небольшая доля. Деформация ползучести полимера при не слишком высоком уровне напряжений почти целиком обратима, она исчезает после снятия нагрузки по истечении некоторого времени.
    При изучении ползучести технических сплавов также встречаются разные обстоятельства. Существуют материалы, структурно устойчивые в данном интервале температур и времен; ползучесть таких материалов описывается относительно простыми соотношениями, и для них может быть построена механическая теория. Значительно сложнее обстоит дело с теми сплавами, которые в процессе ползучести при высокой температуре-претерпевают фазовые превращения. Описание ползучести таких материалов в терминах механики встречает значительные трудности. В различных температурных диапазонах, как это следует из физических исследований, преобладают различные атомно-дислокационные механизмы ползучести, поэтому уравнения ползучести могут существенно меняться в зависимости от области их приложения.
    В настоящем обзоре основное внимание будет уделено теории ползучести металлов при высокой температуре, однако будут освещены и некоторые теоретические результаты, имеющие отношение к ползучести полимерных материалов (теории линейной и нелинейной вязкоупругости) Впервые с явлением ползучести встречались при эксплуатации паровых турбин, и проблема ограничения ползучести оказалась чрезвычайна острой, при существующих материалах ползучесть и длительная прочность лимитировали возможность повышения рабочих параметров машин. Потребности энергомашиностроения в первую очередь вызвали интенсивную работу по созданию новых теплоустойчивых и жаропрочных материалов и стимулировали большой цикл металлофизических исследований, направленных на выяснение механизма ползучести металлов. Современное состояние вопроса в этой области освещено, например, в обзорной статье В. Л. Инденбома, А. Н. Орлова и В. М. Розенберга (1965), в книге В. М. Розенберга (1968).
    Одновременно перед конструкторами встал вопрос о том, каким образом использовать имеющиеся материалы в конструкции, как оценить допустимый предел температур и напряжений для обеспечения заданной долговечности. Для этого оказалось необходимым построение механической теории ползучести. Испытания материалов на ползучесть по некоторым стандартным методикам велись промышленностью в большом объеме, задачей этих испытаний была выработка некоторых условных критериев стойкости сплава по отношению к ползучести и сравнительная оценка пригодности тех или иных материалов для данных условий эксплуатации на основе этих критериев. Большой опытный материал, накопленный в результате испытаний такого рода, естественно, должен был быть положен в основу при создании механической теории. Однако этого было недостаточно, для создания и обоснования механической теории необходимы специальные целенаправленные эксперименты принципиального характера. Основные вопросы, которые подлежали выяснению в первую очередь,  были следующие.
    1. Известны закономерности ползучести при постоянном напряжении. Можно ли на основе этих данных предсказать ход ползучести при переменной нагрузке? В частности, можно ли предсказать закон релаксации, т. е. падения напряжения со временем при постоянной общей деформации?
    2. Все опытные данные относятся к одноосному растяжению. Можно ли по этим данным судить о ползучести при произвольном сложном напряженном состоянии?
    Эксперименты, направленные на выяснение этих вопросов, систематически проводились в разных странах, в том числе и у нас, однако окончательное их решение не получено. Это объясняется сложностью экспериментальной техники, дороговизной подобных испытаний и различием свойств материалов.
    Что касается анализа кривых ползучести при одноосном растяжении, здесь была проделана большая работа, направленная на поиски более или менее универсальных соотношений, связывающих деформацию е, напряжение о и температуру Т (при о = const). Цель этих поисков, состояла в том, чтобы найти способы экстраполяции результатов относительно кратковременных испытаний на большие длительности.
    Соответствующие формулы предлагались И. А. Одингом и другими авторами. В практике нашли применение различные так называемые температурно-временные параметры (см., например, Ю. Н. Работнов, 1966) для экстраполяции данных по ползучести, однако каждый из них пригоден лишь для определенного круга материалов и надежных средств экстраполяции не существует.
    Современное развитие механической теории ползучести определяется существенным расширением круга ее приложений. Появление транспортных газовых трубин, с одной стороны, привело к существенному увеличению рабочих температур и, следовательно, применению новых материалов, с другой стороны, заставило обратить серьезное внимание на анализ таких процессов ползучести, при которых нагрузки и температуры нестационарны.
    С проблемами ползучести пришлось встретиться в реактивной технике и сверхзвуковой авиации, поэтому получила развитие теория ползучести тонкостенных элементов конструкций — пластин и оболочек. Для этих элементов возникли своеобразные проблемы устойчивости, на которых в последние годы оказались сосредоточены большие усилия исследователей.
    Широкое применение в технике полимерных материалов, в частности армированных пластиков, заставило заниматься вопросами ползучести и в применении к этим материалам. Существенная особенность здесь состоит в том, что при малых напряжениях связи между напряжениями и деформациями линейны, поэтому ползучесть может рассматриваться как запаздывающая или наследственная (термин Вольтерра) упругость.
    В современной литературе более принят термин «вязкоупругость», которым мы и будем пользоваться, считая все же термин Вольтерра более удачным. Развитие теории линейной вязкоупругости в основном базируется на идее Больцмана — Вольтерра, и разработка ее относится скорее к технической стороне, чем к идейной.
    При более высоком уровне напряжений обнаруживается нелинейность, притом относительно слабая. Общая тенденция последних лет и здесь состоит в возврате к старой идее Вольтерра — Фреше описания подобного рода соотношений с помощью некоторых специальных операторов. Реализация этой идеи представляет существенные трудности, и в этом направлении получен ряд новых результатов.
    Теория ползучести как раздел механики деформируемого твердого тела сформировалась сравнительно недавно. Первые исследования в этой области относятся к двадцатым-тридцатым годам; общий характер их определяется тем, что проблема ползучести представляла большую важность для энергомашиностроения и инженеры были вынуждены искать простые и быстро ведущие к цели методы решения практических задач. В создании основ теории ползучести большая роль принадлежала тем авторам, которые внесли существенный вклад в формирование современной теории пластичности, отсюда общность многих идей и подходов. В нашей стране первые работы по механической теории ползучести принадлежат Н. М. Беляеву (1943), К. Д. Миртову (1946), к концу сороковых годов относятся первые исследования Л. М. Качанова, Н. Н. Малинина, Ю. Н. Работнова.
    Линейная теория вязкоупругости основывается, с одной стороны, на основополагающих концепциях Больцмана и Вольтерра, с другой стороны, на теории вязко-упругих реологических моделей, восходящей к Дж. Максвеллу и В. Фойхту. Объединяя свойства упругих тел и вязких жидкостей в более общей связи, эта теория имеет дело с линейными дифференциальными или интегро-дифференциальными уравнениями, поэтому в ней открывается широкий простор для приложения эффективных математических методов. Интерес к этой теории существовал все время, но отсутствие реальных технических приложений не стимулировало ее интенсивную'разработку. Ранние исследования в этой области (А. Ю. Иш-линский, А. Н. Герасимов, А. Р. Ржаницын, Ю. Н. Работнов и др.), по существу, не имели % виду решение определенных технических задач, & были направлены скорее на извлечение некоторых математических следствий из принятых моделей. Реальная область приложения линейной теории вязкоупругости открылась, когда теория была распространена на стареющие материалы {И. X. Арутюнян, А. А. Гвоздев, Г. Н. Маслов) и применена к задачам ползучести бетона и других строительных материалов. Эти исследования получили очень широкое развитие, и им посвящен специальный обзор Н. X. Арутюняна в этом сборнике (см. стр. 155—202).
    Поведение полимерных материалов при умеренных напряжениях, «которые обычно допускаются в конструкциях из этих материалов, как оказывается, вполне удовлетворительно описывается теорией линейной -вязкоупругости, притом с ядрами довольно сложного вида (не такими, .которые соответствуют простейшим реологическим моделям тела Максвелла или стандартного вязко-упругого тела). Предшествующие теоретические исследования дали в руки готовый аппарат для построения теории вязко-упругости полимеров, и в этой области за короткое время были достигнуты значительные успехи. Большой объем исследований был выполнен научными коллективами при участии А. А. Ильюшина, А. К. Малмейстера, М. И. Розовского, Г. Н. Савина и других.

    Тэги: ,