Почему горячий болт сам ослабевает, а трубы котла живут свой срок и рвутся? Нагрей образец, подвесь груз и смотри, как металл медленно течет по трем стадиям до разрыва.
При комнатной температуре сталь держит нагрузку сколько угодно: если она не потекла сразу, не потечет и через сто лет. Но когда металл нагрет примерно выше трети своей температуры плавления по шкале Кельвина, атомы начинают перескакивать с места на место, а дислокации обходят препятствия. Металл медленно и непрерывно удлиняется. Сначала быстрее, потом с почти постоянной скоростью, а в конце внутри появляются поры, образуется шейка, и образец рвется.
Для стали это 400–450 °C и выше: трубы котлов, выпускные коллекторы, колеса турбокомпрессоров. Для алюминия опасны уже 200–250 °C в днище поршня. А свинец ползет прямо при комнатной температуре: для него это почти половина температуры плавления. Лед ползет и на морозе: −10 °C для него это 96 % температуры плавления, поэтому ледники текут.
ⓘ Время на кривой сжато: шесть секунд анимации это весь срок до разрыва, от минут до десятков лет. Удлинение образца на рисунке печи показано в 1,6 раза крупнее.
Испытать трубу котла на 100 000 ч, это 11 лет, нельзя. Поэтому испытывают при большей температуре несколько тысяч часов и пересчитывают через параметр Ларсона-Миллера. Числа берутся из опыта.
Сколько проживет деталь?
При одном и том же напряжении все пары «температура и время», дающие одинаковое P, приводят к разрыву. Значит, повысить температуру на несколько десятков градусов это то же самое, что сократить срок в разы.
Как скорость ползучести зависит от нагрузки и нагрева?
Закон Нортона для второй, установившейся стадии. Напряжение стоит в большой степени n, поэтому небольшой перегруз сильно ускоряет ползучесть. Экспонента от температуры показывает, что атомам нужна энергия, чтобы перескочить.
Почему горячий болт ослабевает сам?
Это релаксация. Длина болта задана фланцем и не меняется, полная деформация ε₀ постоянна. Но часть ее со временем переходит в ползучесть εп, и упругая часть, которая и дает затяжку, тает.
Сразу после нагружения металл упрочняется: дислокации путаются и мешают друг другу, скорость падает. Это первая стадия. Одновременно горячий металл сам себя «отжигает»: атомы перескакивают, клубки дислокаций распутываются. Когда упрочнение и отдых уравновешиваются, скорость становится постоянной. Это вторая стадия, самая долгая.
В конце по границам зерен растут поры, сечение уменьшается, напряжение в оставшемся металле растет, и ползучесть разгоняется. Третья стадия заканчивается разрывом.
Опыт показывает простое правило Монкмана-Гранта: ε̇min · tр ≈ const, около 0,02–0,1 для сталей. Значит, по скорости на второй стадии можно оценить, сколько осталось. Поэтому на котлах меряют диаметр труб: если он растет быстрее нормы, трубу меняют до разрыва.
Коллекторы дизелей карьерных самосвалов делают из жаростойкого чугуна или аустенитной стали. Трещины и коробление часто начинаются с перегрева: забитый фильтр, плохая форсунка, долгая работа на полной мощности в подъем.
Колесо турбины из никелевого сплава вращается до 100 000 об/мин при 700–750 °C. Лопатки медленно вытягиваются центробежной силой. Горячая остановка без охлаждения и перегрев газов съедают ресурс быстрее всего.
Пароперегреватели из 12Х1МФ рассчитаны на 100 000–200 000 ч. На ремонтах меряют остаточное раздутие труб: больше 1–2,5 % по диаметру значит, металл исчерпал ресурс.
На паропроводах, выпуске и горячих насосах затяжка болтов со временем падает из-за релаксации. Болты делают из теплоустойчивых сталей и подтягивают по регламенту, иначе фланец начнет пропускать.
Алюминиевые поршни и головки блока работают при 200–300 °C, это больше половины температуры плавления алюминия. Перегрев двигателя из-за плохого охлаждения быстро приводит к прогару и трещинам.
Свинцовые оболочки кабелей, пластмассовые трубы и уплотнения ползут уже при комнатной температуре: тефлоновая прокладка «уходит», и фланец надо подтягивать. Лед и мерзлый грунт ползут под фундаментами на вечной мерзлоте.
Время до разрыва считается по параметру Ларсона-Миллера с C = 20 для всех материалов, кривые σ(P) построены по типичным справочным значениям длительной прочности: для стали 20, 12Х1МФ и 12Х18Н10Т по нормам расчета котлов и паропроводов, для никелевого сплава по данным литых сплавов типа IN713C, для алюминия по поршневым сплавам. Для свинца и льда кривые оценочные, только чтобы показать, что они ползут при комнатной температуре и на морозе. Вне таблицы значения продлены прямой и дают лишь порядок. Форма кривой ε(t) одинакова по смыслу для всех материалов: первая стадия затухает, на второй скорость постоянна и связана со временем до разрыва правилом Монкмана-Гранта, третья разгоняется до удлинения при разрыве. Релаксация болта посчитана по той же скорости второй стадии без учета первой стадии, поэтому в первые часы потеря затяжки в жизни больше. Окисление, переменная нагрузка и разброс между плавками не учтены: реальный разброс времени до разрыва бывает в 2–3 раза в каждую сторону.