Ползучесть, время релаксации напряжений, минимальная длительная прочность, долговременная прочность, MRS

Ползучестью называют медленную пластическую (необратимую) деформацию изделия под действием созданного в материале напряжения. Строго говоря, способность к деформации под напряжением также называют ползучестью. Когда говорят о большей или меньшей скорости деформации под напряжением, также говорят о большей или меньшей ползучести.

К ползучести приводит напряжение любого рода – растяжение, сжатие, кручение или пр.

Не существует нижнего порога величины напряжения в материале, ниже которого изделие вообще не будет медленно деформироваться. Снижение напряжения приведет к снижению скорости деформации, но не к ее прекращению.

Ползучести в большей или меньшей мере подвержены все материалы – как аморфные, так и кристаллические и частично кристаллизованные. Микропроцессы, приводящие к ползучести у аморфных и у кристаллических веществ, различны. У аморфных веществ деформация под нагрузкой сродни вязкому течению термопластов.

У кристаллов ползучесть обусловлена, в основном, взаимным перемещением зон с идеальной кристаллической решеткой вдоль т.н. «линий дислокаций» – зон, в которых идеальность кристаллической решетки нарушена. Линии дислокации есть в любом кристалле.

Другой микропроцесс, характерный только для кристаллов – смещение слоев кристаллической решетки под действием напряжения – незначителен по сравнению с движением вдоль линий дислокаций.

В общем случае ползучесть у кристаллических веществ меньше, чем у аморфных. На примере полимеров – увеличение степени кристаллизации полимера заметно снижает скорость его деформации под действием напряжения.

Микропроцессы, описанные для аморфных и кристаллических веществ, при повышении температуры материала протекают быстрее. Таким образом, текучесть материала зависит от его химической природы, от степени кристаллизации и от температуры.

Для демонстрации ползучести и численного описания ее величины используют образец материала, деформированный на фиксированную величину ∆L. Образец сжимают или растягивают, создавая соответственно напряжение сжатия или растяжения, с возможностью измерения напряжения, и оставляют в зафиксированном виде на длительное время. Постепенная деформация образца приводит к снижению созданного напряжения во времени по экспоненциальному закону. Время, за которое напряжение снизится в e раз, называют «временем релаксации напряжений», присущим данному материалу.

Время релаксации напряжений довольно однозначно описывает ползучесть конкретного материала, но трудно применимо для практических расчетов.

В инженерных расчетах используют понятие «предела ползучести» материала – напряжение, которое за заданный период времени при заданной температуре приведет к заданной деформации образца. Условия определения предела ползучести в каждой отрасли свои. Например, при конструировании авиационных моторов период времени принимают равным 100-200 ч, а при проектировании паровых турбин атомных и тепловых электростанций – 100 000 ч.

Все напорные трубы из полимеров номинально рассчитаны на 50-летнюю эксплуатацию при заданном внутреннем давлении и при температуре 20°С. Условие успешной эксплуатации – отсутствие разрыва в течение заданного срока. Поэтому предел ползучести полимеров определяют не для какой-то заданной величины деформации, а для полного разрыва образца в течение 50 лет при постоянной температуре 20°С.

Для полимеров предел ползучести имеет особое название. В международном (английском) оригинале – Minimum required strength (MRS). В русской версии – «Минимальная длительная прочность» или «Долговременная прочность» полимера. Физический смысл – максимально допустимое статическое напряжение растяжения, которое можно создать в образце материала при постоянной температуре 20ºС, с тем чтобы образец, постепенно растягиваясь, гарантированно не успел порваться за 50 лет. Рассчитывается методом экстраполяции на 50 лет постепенного растяжения образца под действием растягивающей нагрузки в течение какого-то разумного периода времени – например, 3 месяца. Затем полученное значение допустимого напряжения растяжения округляется вниз до ближайшего ряда R10 предпочтительных чисел по ГОСТ 8032-84 (или ИСО 3).

Зная требуемое эксплуатационное давление трубопровода, диаметр трубы и минимальную длительную прочность материала, легко рассчитать минимально допустимую толщину стенки трубы. Затем к расчетной толщине стенки применяют «перестраховочный» коэффициент запаса прочности.

Значение долговременной прочности иногда используется в наименовании типа материала.

Например: ПЭ 63 имеет характеристику MRS, равную 6,3 МПа. Это обозначает, что при растягивающем статическом напряжении 63 кг/см² и при постоянной температуре 20ºС образец из ПЭ 63 будет постепенно растягиваться и порвется не раньше, чем через 50 лет. Аналогичный смысл имеют наименования материалов ПЭ 80 и ПЭ 100.

Минимальная длительная прочность полимеров, используемых для производства труб, приводится в табл.1:

Таблица 1:

* Современный рандом-сополимер пропилена PP-R производится с MRS=10,0 МПа.