Релаксация напряжений. 
Материаловедение и технология материалов

Релаксация напряжений есть самопроизвольное затухающее падение напряжений в материале с течением времени. Она происходит за счет перехода упругой деформации е_уп в пластическую е_пл при постоянной общей начальной деформации г₀& т. е. в каждый момент времени соблюдаются условия.

В основе релаксации лежат те же процессы, что и при ползучести, т. е. медленное пластическое деформирование. Однако релаксация происходит при постепенно убывающем напряжении, а ползучесть — при постоянном напряжении.

Типичный пример релаксации — снижение напряжений в болтах и шпильках фланцевых соединений. Несмотря на начальную затяжку болтов с течением времени при повышенных температурах происходит ослабление натяга за счет перехода части упругой деформации в пластическую.

Рис. 330. Схема диаграммы релаксации:

1 — участок ускоренного падения напряжения; 2 — участок замедленного падения напряжения Для оценки релаксационной стойкости материала выполняют его испытание на релаксацию с получением диаграммы релаксации. Диаграмма релаксации изображает спад напряжений во времени (рис. 3.30).

Получить диаграмму релаксации напряжений можно различными методами (например, растяжением или изгибом). Метод изгиба, предложенный И. А. Одингом, нашел широкое применение в технике и предусматривает испытание кольцевых образцов, имеющих поперечную прорезь (рис. 3.31). Напряжение в рабочей части образца создается клином, который вставляется в прорезь, и оценивается по значению деформации Д/, зависящей от изменения размера прорези кольца. Напряжение в крайнем волокне рабочей части образца можно вычислить по формуле.

где р — коэффициент, зависящий от размеров образца; Е? — модуль нормальной упругости при температуре испытания; Д/ — упругая деформация, определяющаяся изменением размера прорези кольца.

Рис. 3.31. Схема кольцевого образца для испытания на релаксацию изгибом.

Значение А/ измеряется с помощью инструментального микроскопа с ценой деления не ниже 0,01 мм. Поскольку края прорези могут быть шероховатыми или подверженными коррозии, то значение А/ определяется по изменению условного расстояния /₀ между центрами квадратных отпечатков, полученных алмазной пирамидой на приборе Виккерса (см. рис. 3.9, б).

Методика испытания на релаксацию изгибом состоит в следующем:

• • задаваясь начальным напряжением о₀, можно подсчитать по формуле (3.17) значение А/₀, равное упругому приращению исходной длины /₀;
• • по А/₀ подбирается такой клин, при котором расстояние между отпечатками составит Г₀ = /₀ + А/₀;
• • затем кольцевой образец, нагруженный клином до первоначального напряжения сто, помещается в печь и выдерживается при температуре испытания в течение заданного времени;
• • после выдержки образец извлекают из печи, освобождают от клина и измеряют расстояние /₀₁ между отпечатками.

Так как часть упругой деформации переходит в пластическую при неизменной общей деформации, то прорезь в образце становится больше. Вследствие того что первоначальная упругая деформация А/₀ уменьшилась на величину А1_Х = /₀₁ — /₀ и стала А/₀₁ = А/₍₎ — А/_1? произошло падение первоначального напряжения а₍₎ до значения с_{ = р?*/А/₀₁.

После этого образец снова нагружают клином и помещают в печь на следующую выдержку, в результате которой напряжение снизится до значения о?< и т. д. При первых нагружениях проводят кратковременные выдержки, составляющие десятки часов, а затем продолжительность увеличивают до сотен часов и более.

Изложенный метод испытаний на релаксацию напряжений позволяет одновременно размещать до нескольких десятков образцов, подвешенных на одном горизонтальном стержне. По полученным результатам испытаний строят диаграмму релаксации в координатах «напряжение — время» (см. рис. 3.30).

Диаграмму релаксации можно описать степенным уравнением, если принять условие, что между скоростью убывания напряжения -dey/dx и действующим напряжением, а имеет место прямо пропорциональная связь:

где к — коэффициент, зависящий от материала и температуры.

Тогда из уравнения (3.18) находим.

Проинтегрируем обе части уравнения (3.19):

Из уравнения (3.20) получим или

Соотношение (3.21) является уравнением диаграммы релаксации, которое после логарифмирования приобретает вид уравнения прямой линии:

Количественной характеристикой релаксации служит величина падения напряжения за определенный промежуток времени. Так, в теплоэнергетике контролируется спад напряжения за промежуток времени 10⁴ ч. При этом устанавливается допустимое значение остаточного напряжения а_(ют, ниже которого за контрольный промежуток времени т_к напряжение не должно снижаться. Таким образом, можно сравнивать релаксационную стойкость различных материалов, располагая их диаграммами релаксации.

Из диаграмм релаксации материалов в координатах «а — т» (рис. 3.32) следует, что материал 1 обладает большей релаксационной стойкостью по сравнению с материалом 2, так как в нем за контрольный промежуток времени 10¹ ч не произошло снижения напряжения ниже допустимого (120 МПа).

Рис. 332. Сравнение релаксационной стойкости материалов 1 ч 2 по их диаграммам релаксации.

Таблица 35

Характеристики жаропрочности некоторых легированных сталей при разных повышенных температурах.

В табл. 3.5 приведены характеристики жаропрочности некоторых легированных сталей, определенные при разных повышенных температурах.