Что такое деформация ползучести? Причины и меры предосторожности

Усталость ползучести или деформация

Будучи инженером или производителем, вы не новичок в поведении материалов. Вы знаете, что материалы часто деформируются. Вы можете регулярно сталкиваться с проблемами. Знаете ли вы, что вызывает такое поведение? Это деформация ползучести. Поэтому важно понимать, что такое деформация ползучести и как предотвратить ее неожиданное возникновение.

Ползучесть — это скрытый процесс, который обычно происходит со временем. Его изменение происходит постепенно. Он часто влияет на металлы, такие как сталь и полимеры. Эта медленная, непрерывная деформация может застать вас врасплох. Однако, обладая надлежащими знаниями, вы можете опередить его.

Более того, чтение и интерпретация график ползучести является одним из самых важных навыков для развития. Давайте углубимся в деформацию ползучести, что это такое и как ее можно избежать.

Что такое деформация ползучести?

Эффект деформации ползучести

Деформация ползучести — это постепенное явление. Она происходит, когда материал сталкивается с постоянным напряжением с течением времени, в отличие от механической деформации. Она может быть не сразу заметна, но она все равно может привести к разрушению материала. Ее формирование основано на свойствах материала, температуре, использовании и условиях напряжения.

Представьте себе рабочего, который кладет свою металлическую бутылку для воды в самую нижнюю часть своего рюкзака с инструментами. Этот предмет остается скрытым под другими инструментами в течение всего дня. Бутылка имела нормальный вид, когда была новой, но она имеет тенденцию к деформациям в процессе использования. Крышка и нижняя часть металлического предмета могут менять свою первоначальную форму. Процесс изгиба развивается постепенно, без какой-либо внезапной или немедленной трансформации. Металл постепенно становится мягким, подвергаясь постоянному давлению со стороны тяжелых инструментов и жидкого содержимого. 

Признаки деформации ползучести

Признаки деформации ползучести

Заблаговременное обнаружение признаков ползучести позволяет предотвратить деформацию материала. Ползучесть возникает во многих типах материалов, когда они подвергаются и выдерживают большие нагрузки. В общем, стальной сплав деформируется при температуре, превышающей 40% от его температуры плавления. 

Бетон демонстрирует отличительные характеристики от всех других строительных материалов. Основная функция в проектировании бетонной смеси зависит от доли содержания заполнителя. Процесс образования повреждений при ползучести включает изменения температуры вместе с уровнями напряжения материала. Длительное развитие постоянно повреждает элементы бетонных конструкций и их поверхностные характеристики.

Явление ползучести и деформации обычно затрагивает полимеры, нейлон, АБС, полиэтилен и многие другие материалы (Узнайте больше о различных Виды пластика для обработки на станках с ЧПУ). Суперсплавы представляют собой эффективный метод предотвращения эффекта ползучести. Более того, материалы инженерного класса демонстрируют превосходное сопротивление деформации ползучести, поскольку они сохраняют свои прочностные характеристики в условиях высокого давления.

Прогресс в 3D-печати

Ползучесть при нагревании в 3D-печати

Ползучесть — это проблема не только традиционного производства. Это то, с чем вы часто сталкиваетесь и в 3D-печати. ​​В FDM-печати деформация ползучести возникает из-за вязкоупругой релаксации под нагрузкой, сдвигая их молекулярные цепи. 

Другая проблема — это ползучесть тепла. Это происходит, когда тепло резко распространяется вверх по напечатанному объекту. По мере нагревания материала это приводит к деформации, особенно когда тепло достигает областей, куда вы его не ставили.

Что такое скорость ползучести в установившемся режиме?

Скорость ползучести в устойчивом состоянии

Со временем ползучие материалы реагируют на напряжение на разных стадиях. Стационарная скорость ползучести является критической стадией. На этой стадии материал демонстрирует равномерную деформацию и сохраняет постоянную скорость изменения без увеличения или уменьшения.

Материал завершил фазу быстрой ползучести, которая запустила процесс. Теперь он сохраняет равновесие и стабильную скорость изменения. Постоянное медленное движение на этой стадии, скорее всего, приведет к разрушению материала, если напряжение сохранится с течением времени.

Например, металлическая труба в высокотемпературном котле подвергается постоянному внутреннему давлению. Из-за установившейся ползучести она постепенно удлиняется с годами, что в конечном итоге приводит к разрыву. Когда материал испытывает постоянное напряжение в установившейся фазе, он может быть еще более склонен к разрушению.

Каковы типичные стадии ползучести?

Стадии деформации ползучести

Деформация ползучести обычно происходит поэтапно. Каждая стадия сообщает вам что-то важное о том, как меняется поведение материала. Давайте разберем эти стадии, чтобы дать вам более ясную картину процесса:

Первичная стадия (переходная ползучесть)

Это первая стадия после приложения нагрузки к материалу. Материал испытывает упругая фаза. В течение этой фазы скорость ползучести замедляется. Материал начинает подвергаться деформационное упрочнение. Проще говоря, он становится жестче под давлением, что делает деформацию поначалу менее быстрой.

Вторичная стадия (устойчивая ползучесть)

После того, как материал прошел первичную стадию, он поступает в вторичная стадия, называемые установившаяся ползучесть. Эта стадия является наиболее продолжительной фазой ползучести. Материал продолжает деформироваться, но делает это с более постоянной скоростью. Здесь материал начинает размягчаться, что способствует продолжению процесса деформации. Вы должны уделять этому этапу пристальное внимание, поскольку он предоставляет ценные данные при проектировании конструкций или материалов, подвергающихся длительному напряжению.

Третичный этап

Последняя стадия ползучести — это когда все начинает выходить из-под контроля. Здесь внутренняя структура материала разрушается, и происходят сбои. На этой стадии внутренние пустоты, микротрещины, и разделение границы зерна может образоваться, что приведет к разрыву. Материал больше не может выдерживать нагрузку, и разрушение становится неизбежным с течением времени.

Типы деформаций ползучести

Ползучесть — это не универсальный процесс. Во время ползучести возникают различные механизмы, включающие множество отличительных процессов, для активации которых требуются особые условия. Основные ползучести проявляются в трех основных формах деформации. Давайте объясним.

Набарро-Херринг Крип

Эффект ползучести Набарро-Херринга

Высокотемпературная эксплуатация в сочетании с минимальным напряжением приводит к развитию деформации ползучести Набарро-Херринга. Атомы кристаллической решетки материала начинают двигаться при повышении температуры. Атомы могут свободно перемещаться по структуре материала. Затем структура содержит новые вакансионные пространства. Первичный размер зерна определяет скорость, с которой материалы деформируются посредством ползучести. Зерна меньшего размера будут демонстрировать более высокие скорости деформации.

Полимерная ползучесть

Полимерные материалы наиболее подвержены ползучести при высоком напряжении и высоких температурах. Они демонстрируют такое поведение при повышенных температурах и комнатных температурах. Основной фактор, приводящий к ползучести полимера, возникает из скользящих движений полимерной цепи. Это в основном влияет на аморфные полимеры, в отличие от кристаллических полимеров. (Подробнее о химические свойства нейлона)

Дислокационная ползучесть

Дислокационная ползучесть

На этой стадии ползучести атомы материала перемещают свои позиции посредством скольжения или подъема дислокаций. Ползучесть по степенному закону описывает движение атомов посредством горизонтальных или вертикальных сдвигов. Она создает вакансии, которые приводят к деформации материала. Материал испытывает постепенную деформацию, поскольку дислокации перемещаются по всей его структуре.

Кобл Крип

Эффект ползучести булыжника

Ползучесть куска происходит при более низких температурных условиях, чем другие типы деформации материала. Вместо фактической области зерна, границы зерен являются основным местом для этого типа деформации материала. Границы внутри материала смещаются перпендикулярно силе напряжения, вызывающей ползучесть.

Раствор-перетаскивание ползучесть

Некоторые материалы включают в себя компоненты стойкого сплава, которые подвергаются деформации через механизм растворенного вещества-перетаскивания. Высокие температуры приводят к атомной деформации в растворенном веществе. Это приводит к механическому разрушению и серьезному повреждению материала.

Харпер-Дорн Крип

Крип Харпера-Дорна (HD)

Механизм дислокации, лежащий в основе этого типа ползучести, отличается от других случаев ползучести дислокации. Во время ползучести Харпера-Дорна скорость деформации остается в основном неизмененной из-за изменения размера зерна. Чтобы испытать этот тип ползучести, материал должен быть на 99.95% чистым и содержать большие размеры зерна, превышающие 0.5 мм. Более того, ползучесть должна иметь низкую плотность дислокаций, чтобы она стала очевидной. Сочетание уровней напряжения и температур в диапазоне от 35% до 60% от точки плавления позволяет активировать ползучесть Харпера-Дорна.

Предельное напряжение спекания

Процесс соединения частиц материала посредством нагрева приводит к ползучести осаждения во время операций спекания. Когда температура материала повышается и межчастичные поры уменьшаются в размере, плотность материала увеличивается. Ползучесть происходит в материале, когда поры перестают сокращаться, в то время как материал приближается к своему порогу плотности. Напряжение в этой точке приводит к ползучести.

Сводка таблицы

Как деформация ползучести влияет на конструкционные материалы

Давайте выясним, как ползучесть влияет на конструкционные материалы.

Деформация ползучести

Поведение ползучести в пластике

Обычно термопластики подвергаются деформации ползучести посредством медленного изменения размеров из-за постоянного напряжения, накапливающегося с течением времени. Переход происходит со временем, поэтому он обычно остается незамеченным. Металлические детали постепенно деформируются под длительным давлением, подобно тому, как металлическая деталь медленно сгибается.

Скольжение границ зерна

Скольжение границ зерна

Низкоплотные края соединяют крошечные кристаллы в материале. Материал становится слабее из-за разрыва его границ во время ползучести. Когда давление продолжает расти, между его секциями образуется пространство.

Упрочнение деформацией

Материал приобретает прочность после процессов растяжения или деформации посредством деформационного упрочнения. В начальной части первичного периода ползучести материалы демонстрируют высокую прочность при воздействии напряжения. Затем они становятся все более жесткими, когда вы повторяете изгиб проволоки по всей ее длине.

Вакансии

Материал имеет вакансии, когда у него есть пустые места. Здесь атомы существуют в его структуре. Атомы приобретают подвижность во время ползучести, что создает пустые пространства между их позициями. Дыры начинают развиваться между индивидуумами, пока они корректируют свои позиции.

Как предотвратить деформацию ползучести?

Предотвращение ползучести требует знания того, как различные материалы проходят стадии ползучести. Мониторинг вторичной фазы перехода материалов позволяет выбирать подходящие материалы для работы.

Материалы без направленно-литых зерен более устойчивы к деформации, вызванной напряжением. Суперсплавы и дисперсионно-упрочненные материалы являются отличным выбором, поскольку они демонстрируют превосходное сопротивление ползучести по сравнению с другими материалами.

Мелкозернистые материалы (например, суперсплавы) улучшают сопротивление ползучести, укрепляя границы зерен. Между тем, тугоплавкие материалы остаются нетронутыми при экстремальных температурах и нелегко деформируются из-за эффектов ползучести.

Кроме того, контроль температуры также может помочь противостоять ползучести. Низкие температуры, применяемые к материалу, продлевают его прочность, задерживая начало ползучести.

Деформация ползучести нержавеющей стали 316FR во время обработки

Уравнение ползучести-усталости для нержавеющей стали 316

Анализ показал, как натриевая среда влияет на нержавеющую сталь 316FR, подвергнутую процессам науглероживания. Этот процесс применяется к компонентам, изготовленным во время обработки. Эти компоненты были позже использованы в Реакторы на быстрых нейтронах. Эксперименты, проведенные в 550 ° C Условия содержания натрия воспроизводили рабочие параметры нынешних реакторов. 

Исследование показало следующие выводы. Поведение материала наблюдалось в основной период испытаний прямо перед началом процедуры ползучести. Исследователь применял напряжение, превышающее предел текучести, при выполнении этой фазы испытаний. Аналитики-исследователи поддерживали постоянную силу в течение второго экспериментального периода для оценки поведения ползучести. Экспериментальная конструкция требовала учета усадки площади материала, поскольку это приводило к увеличению напряжения.

В процессе науглероживания изменения материала проникали под воздействием углерода. Они наблюдали, что материал становился прочнее, прежде чем его скорость деформации ползучести постепенно снижалась. Поверхность, обращенная к внешней стороне материала, демонстрирует более быстрое проникновение углерода во время науглероживания. В результате этих условий образуются области концентрации напряжений, что приводит к трещинам материала.

Систематический процесс оценки в модели позволяет исследователям вычислять условия, которые приводят к растрескиванию материала. При более низких уровнях напряжения материал подвергался большему количеству трещин при ползучести, чем при более высоком напряжении, что в первую очередь влияло на прочность на растяжение.

В лабораторных условиях с раствором натрия при высоких уровнях напряжения материал показал меньшую продолжительность жизни по сравнению с испытаниями на воздухе. Длительность воздействия натрия на материал была эквивалентна или немного больше периодов воздействия воздуха при уровнях напряжения ниже атмосферных условий. Экспериментальные испытания показывают, что свойства материала в основном не изменились после обработки науглероживанием при 550°C.

Практический подход к предотвращению ползучести при обработке на станке

Предотвращение ползучести при обработке

Анализ методом конечных элементов (FEA) следует использовать для индивидуальная обработка стали Детали, подвергаемые обработке. Помогает моделировать реакцию материала в условиях напряжения и температуры. 

Более того, это помогает предотвратить ползучесть. Это позволяет инженерам заранее обнаружить будущие проблемы ползучести. Кроме того, вы можете выбрать оптимальные материалы для лучших форм компонентов.

Мониторинг станка в режиме реального времени — еще один подход к повышению эффективности обработки на станках с ЧПУ. скорость подачи и процедуры охлаждения помогают производителям избежать ползучести. Оптимизация траектории инструмента и оптимальные условия обработки могут минимизировать величину деформации ползучести на 30%. (Читать далее 5-осевая обработка с ЧПУ)

Основные выводы 

Материал, подверженный механической ползучести, будет испытывать деформацию при высоких температурах, превышающих 40% от его точки плавления, находясь при этом под напряжением, близким к пределу текучести. Во время деформации ползучести материал постепенно деформируется. Однако для достижения предполагаемого образования может потребоваться много лет, чтобы достичь разрушения.

Выбирайте сталь с более высокими температурами плавления, чтобы свести к минимуму вероятность разрушения при ползучести. При растяжении объединение более крупных зерен замедляет деформацию ползучести.

Начало третичной ползучести происходит, когда фактическое напряжение превышает предел текучести. Или когда изменение микроструктуры материала, например, кавитация, приводит к трещинам материала.

Boda Tech – Давайте создадим что-то великое вместе

В Boda Tech мы специализируемся на помощи в выборе правильных материалов для вашего проекта обработки на станках с ЧПУ, чтобы избежать механической ползучести. Наша платформа упрощает и ускоряет закупку деталей.

Наши опытные машинисты изготавливают высококачественные детали с ЧПУ как минимум за день или два. Поэтому создайте учетную запись сегодня, загрузите свой дизайн детали и получите мгновенный процесс расчета стоимости ЧПУ, обратную связь по проектированию для технологичности и интеллектуальную платформу, которая сделает ваш проект успешным.

Часто задаваемые вопросы

В1: Что такое ползучесть и что ее вызывает?
Ползучесть — это медленный процесс деформации под постоянным напряжением. Он происходит, когда материалы подвергаются воздействию высоких температур. Длительное напряжение вблизи или выше предела текучести также способствует ползучести.

В2: Что является примером материала, подверженного ползучести?
Типичными примерами ползучих материалов являются сталь и суперсплавы. Полимеры, такие как нейлон и полиэтилен, также могут подвергаться ползучести при воздействии высоких напряжений и температур.

В3: Что чаще всего вызывает ползучесть?
Ползучесть вызывается длительным воздействием высоких температур. Напряжение, близкое или превышающее предел текучести материала, со временем ускоряет ползучесть.

В4: Как рассчитывается установившаяся скорость ползучести?
Скорость установившейся ползучести рассчитывается путем измерения деформации с течением времени. Она выражается как величина деформации, возникающей за единицу времени.

В5: Почему индивидуальная обработка стали имеет решающее значение для сопротивления ползучести?
На заказ обработка стали помогает контролировать размер зерна и структуру материала. Сопротивление ползучести в сталях зависит от легирования (например, Cr, Mo), термообработки и стабилизации карбида, а не только от механической обработки.