Materiaalien rypistyminen

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 28.1.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Materiaalien viruminen ( jälkivaikutus ) - hidas, ajan myötä tapahtuva kiinteän kappaleen muodonmuutos jatkuvan kuormituksen tai mekaanisen rasituksen vaikutuksesta . Kaikki kiinteät aineet  , sekä kiteiset että amorfiset , joutuvat jossain määrin virumaan .

Historia

Virumisen ilmiön huomasivat K. Navier (1826), G. Coriolis (1830), mutta ensin kvantitatiivisesti sitä tutki L. Vika (1834). Metallien ja metalliseosten , kumien , lasien virumisen systemaattiset tutkimukset juontavat juurensa 1900-luvun alusta ja varsinkin 40-luvulta, jolloin tekniikan kehityksen yhteydessä törmättiin mm . kiekkojen ja terien virumiseen . höyry- ja kaasuturbiineja, suihkumoottoreita ja raketteja, joissa merkittävä lämmitys yhdistetään mekaaniseen kuormitukseen. Tarvittiin rakennemateriaaleja (lämmönkestäviä metalliseoksia), joiden osat kestäisivät kuormitusta pitkään korkeissa lämpötiloissa. Pitkään uskottiin, että virumista voi tapahtua vain korkeissa lämpötiloissa , mutta virumista tapahtuu myös erittäin matalissa lämpötiloissa, esimerkiksi kadmiumissa havaitaan havaittavaa virumista -269 °C:n lämpötilassa ja raudassa - -269 °C:n lämpötilassa. 169 °C.

Syyt ja ominaisuudet

Materiaalien virumista tutkitaan kokeellisesti ensisijaisesti yksinkertaisissa jännitystiloissa: yksiakselinen jännitys , puristus sekä puhdas leikkaus . Tällaisten kokeiden suorittamisen ehdot määritetään GOST:illa. Virumista monimutkaisissa jännitystiloissa tutkitaan yleensä ohutseinäisillä putkimaisilla näytteillä.

Creep curve

Virumista kuvataan ns. virumiskäyrällä , joka on muodonmuutoksen riippuvuus ajasta vakiolämpötilassa ja kuormituksesta (tai jännityksestä).

Se on ehdollisesti jaettu kolmeen osaan tai vaiheeseen:

Hyökkäysvaiheet

Sekä kokonaisvikaan kuluva aika että kunkin vaiheen pituus riippuvat lämpötilasta ja kuormituksesta. Lämpötiloissa, jotka muodostavat 40–80 % metallin sulamislämpötilasta (nämä lämpötilat ovat teknisesti eniten kiinnostavia), virumisen vaimennus ensimmäisessä vaiheessa on seurausta jännityskovetuksesta ( karkaisu ).

Koska virumista tapahtuu korkeissa lämpötiloissa, on myös mahdollista poistaa kovettuminen  - ns. materiaalin ominaisuuksien palautus. Kun työn kovettumis- ja palautumisasteet ovat samat, alkaa virumisvaihe II . Siirtyminen vaiheeseen III liittyy materiaalivaurioiden kertymiseen (huokoset, mikrohalkeamat), joiden muodostuminen alkaa jo vaiheessa I ja II.

Viruminen ja plastisuus

Kuvatuilla virumiskäyräillä on sama muoto monille materiaaleille - metalleille ja seoksille, ionikiteille , puolijohteille , polymeereille , jäälle ja muille kiinteille aineille. Rakenteellinen virumismekanismi eli virumiseen johtavat perusprosessit riippuvat sekä materiaalityypistä että olosuhteista, joissa viruminen tapahtuu . Virumisen fyysinen mekanismi , erityisesti korkeissa lämpötiloissa, on pääasiassa diffuusioluonteinen ja eroaa siten plastisuuden aikana tapahtuvasta muodonmuutosmekanismista , joka liittyy monikiteisten rakeiden nopeaan liukumiseen atomitasoja pitkin (Yu. N. Rabotnov. Mechanics of muotoutuva kiinteä runko). Virumiseen johtavien palautumattomien plastisten muodonmuutosten perusprosessit voidaan ehdollisesti jakaa dislokaatioiden (kiteen vikojen) liikkeen aiheuttamiin prosesseihin ja diffuusion aiheuttamiin prosesseihin. Jälkimmäisiä esiintyy amorfisissa kappaleissa kaikissa niiden olemassaolon lämpötiloissa, samoin kuin kiteisissä kappaleissa, erityisesti metalleissa ja metalliseoksissa, riittävän korkeissa lämpötiloissa. Lämpötiloissa, jotka ovat lähellä sulamislämpötiloja, virumisen ja plastisuuden välinen ero tulee vähemmän selväksi [1] . Jatkuvalla kokonaismuodonmuutoksella kuormitetun kappaleen jännitykset pienenevät ajan myötä virumisen vuoksi, eli tapahtuu jännitysrelaksaatiota .

Lämmönkestävyys

Korkea virumisvastus on yksi lämmönkestävyyden määräävistä tekijöistä . Teknisten materiaalien vertailevaa arviointia varten virumiskestävyyttä luonnehtii virumisraja - jännitys, jolla tietty muodonmuutos saavutetaan tietyssä ajassa. Lentokoneen moottorirakennuksessa aika on 100-200 tuntia, kun taas kiinteiden höyryturbiinien suunnittelussa se on 100 000 tuntia. Joskus virumisvastusta luonnehditaan venymänopeuden arvolla tietyn ajan kuluttua. Täysi venymänopeus on elastisen venymän ja virumisvenymänopeuden summa .

Muut tekijät

Tärinä voi nopeuttaa hiipumista moninkertaisesti.

Asema teoriassa

Virumisen teoria liittyy läheisesti plastisuusteoriaan , mutta kiinteiden aineiden mekaanisten ominaisuuksien moninaisuuden vuoksi ei ole olemassa yhtenäistä virumisteoriaa . Metalleille virtausteoriaa käytetään enimmäkseen :

missä  on jännitys,  on aika, joka kuvaa tyydyttävästi virumista jännityksissä, jotka vaihtelevat hitaasti ja monotonisesti, mutta joilla on olennaisesti epälineaarinen riippuvuus .

Täydellisen kuvauksen virumisesta antaa kovettumisteoria :

joka on kätevä lyhytaikaisen virumisen likimääräiseen analyysiin korkealla stressitasolla. Kovettumisteoria vangitsee oikein joitakin virumisen piirteitä vaihtelevissa jännityksissä, mutta sen soveltamiseen liittyy suuria matemaattisia vaikeuksia.

Polymeerimekaniikassa perinnöllisyysteoriaa käytetään yleensä :

missä on ns. jälkivaikutusydin, joka kuvaa sitä, missä määrin aikahetkellä tuntuu vaikutus (jälkivaikutus) yksikköjännityksen muodonmuutokseen, joka vaikutti aikayksikön aikaisemmalla hetkellä .

Koska jännite vaikuttaa myös muina aikoina, kokonaisjälkivaikutus otetaan huomioon integraalitermillä . Perinnöllisyysteoria määrittelee kokonaismuodonmuutoksen ja antaa kvalitatiivisen kuvauksen joistakin monimutkaisemmista ilmiöistä (esimerkiksi käänteisen virumisen vaikutus ).

Kirjallisuus

  1. ↑ Tyra, Otani. Materiaalien korkean lämpötilan lujuuden teoria