Zjawisko pełzania metali - część 1

Próby krótkotrwałe służące określeniu własności metali w temperaturach różnych od temperatury otoczenia, a zwłaszcza w temperaturach podwyższonych nie są w stanie całkowicie scharakteryzować zachowania się materiału w warunkach pracy. W podwyższonych temperaturach w metalach i ich stopach poddanych oddziaływaniu stałego obciążenia występuje zjawisko pełzania.

Pełzanie występuje jedynie w metalowych tworzywach konstrukcyjnych jedynie w temperaturach podwyższonych, ponieważ naprężenia wywołujące pełzanie w warunkach temperatury otoczenia są większe od granicy plastyczności określonej w doraźnej próbie. Konstruktorzy stosujący mniejsze naprężenia niż naprężenia dopuszczalne dla określonej granicy plastyczności materiału zabezpieczają go przed wystąpieniem pełzania.

Dopiero w podwyższonych temperaturach granica plastyczności materiałów konstrukcyjnych obniża się, przez co nawet mniejsze naprężenia są w stanie wywołać zjawisko pełzania. Przykładowo dla stali konstrukcyjnej temperatura podwyższona to temperatura powyżej 350^oC.

Rozróżnia się trzy rodzaje pełzania

Wymienia się trzy różne rodzaje pełzania, które zależą od wartości temperatury i naprężenia. Są to: pełzanie niskotemperaturowe, pełzanie wysokotemperaturowe i pełzanie dyfuzyjne. Pełzanie niskotemperaturowe zachodzi w temperaturach niższych od połowy temperatury topnienia badanego materiału (T_t). W tym zakresie odkształcenie plastyczne powoduje jednoczesne wzmocnienie materiału ze względu na fakt, że niemożliwy jest nawrót własności mechanicznych przy temperaturach badania. W związku z tym prędkość pełzania zmniejsza się, dążąc asymptotycznie do zera.

Pełzanie wysokotemperaturowe zachodzi w temperaturach między 0,5 T_t a 0,8 T_t i oddziaływaniu na materiał średnich oraz dużych naprężeń. Z kolei pełzanie dyfuzyjne zachodzi w temperaturach bliskich temperaturom topnienia metalu T_t, przy czym kluczowy wpływ na tego rodzaju pełzanie ma stężenie wakansów, które zapewnia dynamiczny przebieg samodyfuzji. Przebieg krzywej pełzania uzyskanej podczas próby pełzania wysokotemperaturowego dzieli próbę na trzy okresy. 

Są to:

• Okres I – po odkształceniu początkowym następuje pierwsze stadium pełzania nieustalonego o malejącej prędkości odkształcania na skutek umacniania się materiału.
• Okres II – prędkość pełzania ustala się do wartości stałej, przy czym ustalenie się prędkości pełzania powodowane jest przez odkształcenie plastyczne i osłabienie przez równoczesny proces nawrotu własności materiału. Pełzanie o ustalonej prędkości nazywane jest pełzaniem wtórnym.
• Okres III – prędkość pełzania wzrasta i nasila się lub powstaje proces niszczenia materiału (powstawania i otwierania się pęknięć).

Pełzanie wysokotemperaturowe może prowadzić do pojawienia się nawet 30% (i większych) odkształceń. O procesie pełzania i przebiegu krzywej pełzania decydują przede wszystkim:

• umocnienie się materiału wywołane odkształceniem plastycznym podczas pełzania,
• nawrót oraz rekrystalizacja materiału pod wpływem oddziaływania temperaturowego,
• zmiany struktury materiału zachodzące podczas pełzania ze względu na jednoczesne działanie temperatury i naprężeń, co prowadzi do koagulacji uprzednio wydzielonych faz i wydzielenia się nowych faz zmieniających strukturę dyslokacyjną i umacniających materiał,
• zarodkowanie oraz rozwój mikropęknięć, które prowadzą do powstawania złomu.

Więcej o teorii pełzania na podstawie teorii dyslokacji oraz o próbie pełzania metali znajdziesz w drugiej części artykułu.