Ползење

Ползење — појава кога долгорочно оптоварените материјали, кои се под влијание на некоја постојана (статичка) сила, во зависност од температурата, почнуваат постепено да се растегнуваат. Лазењето ќе престане ако материјалот се стврдне соодветно за време на истегнување, во спротивно лазењето ќе продолжи до лом на материјалот. Температурата на која се појавува ползење зависи од материјалот (на пример, кај челик од 400 ºC нагоре, и кај олово и пластика веќе на собна температура).

Границата на лазење Rp _ε/t/υ е напрегањето при кое материјалот достигнува одредено релативно издолжување ε (на пр. 1%), за одредено време t (на пр. 100.000 часа) и при одредена температура υ (на пр. 400 °C), што за дадениот пример би било напишано Rp _{1/100 000/400}. Со долгорочни оптоварувања (100.000 часа), вистинската постојана статичка издржливост (постојана статичка сила) не може да се одреди дури и по толку долго време. Во секој пример, може да се одреди само временската статичка издржливост, која важи за одредено ограничено времетраење на товарот. Препорачаното времетраење на статичките тестови се 100.000 часа за метални и 10.000 часа за пластични материјали.

Постојана статичка цврстина или статичка издржливост R_mtυ е напрегањето што предизвикува лом на материјалот по одредено времетраење на тестот t (на пр. 100.000 часа) и на одредена температура υ (на пр. 600 °C). Во дадениот пример е наведено _100.000/600 Rm. Многу елементи на машините или структурите работат на висока температура ( парни цевководи, лопатки на турбини, разни елементи на постројки за хемиска индустрија ). Барањето за постојана цврстина на таквите елементи му диктира на проектантот дека деформацијата на елементот за цело време на неговата употреба не смее да ги надминува вредностите предвидени за негова нормална експлоатација (на пр. = 0,002 за 10.000 работни часа).^[1]

Лазењето на материјалот е топлотно активиран, неповратен процес на деформација на материјалот, што се јавува во услови на постојано оптоварување, во подолг временски период, при покачена температура. Лазењето е под влијание на:

• температура на топење на материјалот,
• видот на кристалната решетка и хемиската врска ,
• микроструктурната состојба на материјалот.

За повеќето материјали, температурата на ползење е околу 30% од точката на топење на материјалот. Така за челик е над 400 °C, за бакар над 270 °C и за олово и пластика на собна температура. Колку е повисока температурата, толку е побрзо движењето на дислокациите во кристалите. Можна е прераспределба на дислокациите (обновување) или откажување на дислокациите (рекристализација).^[2]

Ползењето може да се подели на 3 чекори:

• На почетокот, компонентата делува со временски независна деформација ε₀ што се состои од еластичен и пластичен дел. Деформацијата понатаму се зголемува со текот на времето со голема промена на брзината на деформација која обично континуирано опаѓа. Овој дел од кривата на ползење се нарекува главно ползење или транзициско ползење.
• Состојба на стабилно ползење или секундарно ползење со приближно константна брзина на деформација. Ваков облик на кривата на ползење се појавува само кај материјали кои не ја менуваат својата микроструктура за време на процесот на ползење. Ова е случај кај едноставни легури, но не и кај многу технички легури. Константна брзина на деформација се јавува само ако напрегањето во компонентата е константно.
• Во овој дел на терцијарното ползење, се јавуваат масивни внатрешни оштетувања на материјалот (лом на материјалот). Доаѓа до големо намалување на напречниот пресек на делот оптоварен со товарот, што го објаснува силното зголемување на брзината на деформација.

Историјата на развојот на нашето разбирање на ползењето може да се подели на две раздобја: пред и по 1954 година.

Енергијата на активирање на дифузијата е поврзана со коефициентот на дифузија со равенката:

D = D ₀ exp(-QD /kT)

каде што: D - коефициент на дифузија на температура Т. За температури под 0,5 T_m, што е половина од точката на топење во келвини, енергијата на активирање за ползење има тенденција да биде помала од енергијата на самодифузија.

Ако работ на дислокацијата наиде на пречка, потребно е одредено минимално напрегање за да ја помине пречката на пониска температура, во спротивно ќе застане. При покачени температури, дислокацијата може да ја избегне пречката, така што додава или зрачи празнини. Користејќи го овој механизам, наречен качување, дислокациите можат да го напуштат своето првично лизгачко окно. Во овој случај, брзината на деформација се одредува според брзината на емисија и апсорпција на празнини.

При високи температури, дислокациското ползење со дифузија на празнини не е единствениот механизам што придонесува за деформација. Самата дифузија на празнините може да предизвика деформација без никакви дислокации. Во овој процес, границите на кристалните зрна се извори и потрошувачи на празнините. Празнините се образувани на границите на кристалното зрно, каде што векторот на нормалата е ориентиран во насока на напрегање на истегнување. Празнините се приближуваат на границите на зрната со притисочно напрегање или на пониски вредности на напрегање на истегнување.

Набаро-Херинговото ползење е слабо зависно од напрегањето и има малку поголема зависност од големината на кристалното зрно, заради што брзината на ползење се намалува со зголемувањето на големината на зрната. За да се појави решеткаста дифузија на атомите во материјалот, соседната страна на решетката или интерстициска станица во кристалната структура мора да биде слободна. Општиот облик на дифузиската равенка е:

D = D ₀ exp(-QD /k _T )

каде што: D₀ зависи од зачестеноста на обидите за скок и од бројот на блиски соседни страници, како и од веројатноста овие страници да бидат слободни. Доаѓаме до заклучок дека тоа е двојно зависно од температурата.^[3]

Во овој облик, дифузијата на атомите се одвива долж границите на кристалните зрноа, за да се продолжат зрната долж оската на напрегањето. Ова предизвикува посилна зависност од големината на зрното од Набаро-Херинговото ползење. Коблеовото ползење се јавува на пониски температури од Набаро-Херинговото ползење, иако се уште зависи од температурата. Како што се зголемува температурата, се зголемува и дифузијата на границата на зрната. Меѓутоа, бидејќи бројот на најблиските соседи е ефективно ограничен долж интерфејсот на зрната, а топлинските енергии на празнините долж границите се помали, температурната зависност не е толку силна.

• прво, при дифузното ползење, лизгањето на границата на зрната обезбедува компатибилност на зрната во текот на деформацијата.
• второ, на местото каде што се сечат трите граници, лизгањето на границата на зрната може да предизвика голема концентрација на локално напрегање, па на тој начин се зголемува штетата предизвикана од прекинот на границата на зрната.

Кај керамиката, цврстината на високи температури обично е ограничена со лизгање на границата на зрната. Ова се случува заради присуството на фазата на остаклување.

Познати и како Виртман-Ешбиеви карти (Weertman-Ashby), го добиле името по лицата кои први ги претставиле. Тие се објаснување на ползењето, претставуваат опсези во кои различни деформации се контролираат со чекори во просторот. На дијаграмот, температурата и надворешното напрегање се користени како оски, за да може да се прочита доминантниот механизам на деформација. При високи температури започнува дифузното ползење, тоа е посилно од дислокациското ползење при помали напрегања заради помалиот експонент на ползење. При уште поголеми напрегања, започнува временски независна пластична деформација. Ако нивото на напрегање достигне десетина од модулот на смолкнување, се постигнува теоретската цврстина на материјалот.

Испитувањето на ползењто се изведува на пробни примероци со навој, на ползавици. Примероците постепено се загреваат до температураа на испитување. Температурата се одржува константна за време на испитувањето. Примероците се подложени на константен напрегање на истегнување. Испитувањето трае од 45 часа до неколку години (100.000 часа). Се евидентира издолжувањето на испитниот примерок со текот на времето.^[4]

Доколку истегнатата епрувета се прицврсти по завршувањето на процесот на оптоварување така што добиената почетна деформација ε₀ остане непроменета, влијанието на зголемената температура и времето ќе се манифестира со намалување на напрегањето во епруветата. Оваа појава се нарекува релаксација, а се објаснува со тоа што еластичната деформација, која пробната епрувета ја примила при оптоварувањето, постепено преминува во пластична деформација.