Испытания на ползучесть и длительную прочность

Московский государственный технический университет 

имени Н. Э. Баумана 

 
 

 
 

М. П. Гусев 

 
 
 

Испытания на ползучесть  
и длительную прочность 

 
 

Методические указания к выполнению лабораторных работ  

по курсам «Теория пластичности и ползучести»,  
«Основы теории пластичности и ползучести»,  

«Прикладная теория пластичности и ползучести» 

 
 
 

Под редакцией В. Л. Данилова 

 
 
 
 
  
 
 
 

 

УДК 669:539.4 
ББК 22.25 
Г96 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/181/book1279.html 
 
Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация» 
Кафедра «Прикладная механика» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Рецензенты: А. Ю. Карпачев, А. Т. Каменихин 
 
Гусев, М. П. 
Испытания на ползучесть и длительную прочность : методические 
указания по курсам «Теория пластичности и ползучести», «Основы 
теории пластичности и ползучести», «Прикладная теория пластичности 
и ползучести» / М. П. Гусев ; под ред. В. Л. Данилова. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 45, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4234-8 

Даны рекомендации по выполнению лабораторных работ, по-
священных испытаниям на ползучесть и длительную прочность 
образцов из металлов и сплавов на современном испытательном 
оборудовании, а также рекомендации по использованию и 
настройке оборудования. Приведены примеры математической об-
работки кривых ползучести для определения технических пара-
метров процесса ползучести. 
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих курсы 
«Теория пластичности и ползучести», «Основы теории пластич-
ности и ползучести», «Прикладная теория пластичности и ползу-
чести». 
УДК 669:539.4 
ББК 22.25 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4234-8 
 
 
       МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 

Г96 

Предисловие 

Предлагаемые методические указания посвящены описанию 

технологии экспериментального исследования и изучению свойств 
ползучести металлов при одноосном напряженном состоянии.  

Приведены описания пяти лабораторных работ. Первые две 

работы посвящены изучению простейших законов ползучести и 
исследованию базовых свойств кривых ползучести. В третьей ра-
боте студенты изучают технические теории ползучести на примере 
экспериментов со ступенчатым изменением напряжения, действу-
ющего на образец. Четвертая работа посвящена изучению процес-
са обратной ползучести, описание которой невозможно в рамках 
технических теорий. В пятой работе на примере экспериментов по 
разрушению образцов предлагается исследовать зависимости для 
определения времени разрушения образцов. 

Основной целью методических указаний является приобрете-

ние студентами навыков расчетно-экспериментальных исследова-
ний процесса ползучести металлов. 

После выполнения лабораторного практикума студенты должны 

уметь: 

− различать стадии процесса ползучести; 
− экспериментально определять скорости деформаций метал-

лов на стадии установившейся ползучести; 

− понимать природу подобия кривых ползучести в координатах 

«время — деформация ползучести»; 

− использовать теорию анизотропного упрочнения для описа-

ния явления обратной ползучести; 

− применять теорию течения металла при ползучести для рас-

четно-экспериментального определения времени вязкого разру-
шения. 

В ходе выполнения работ студенты приобретают навыки ис-

пользования современных программных средств обработки экспе-
риментальных данных и получения на их основе характеристик 
исследуемого процесса. 
 

Работа № 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 
СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИЙ ОБРАЗЦА  
В УСЛОВИЯХ УСТАНОВИВШЕЙСЯ ПОЛЗУЧЕСТИ 

Цель работы — расчетно-экспериментальная проверка соот-

ношения для скорости деформации установившейся ползучести. 

Теоретическая часть 

Кривая ползучести — это график изменения деформаций при 

одноосном растяжении образца в условиях постоянного напряже-
ния (рис. 1.1). 
 

 

а 
б 

Рис. 1.1. Кривые ползучести, построенные с учетом мгновенной упругой 
деформации (а) и без ее учета (б): 
σi (i = 1, …, 4) — постоянные напряжения, σ1 < σ2 < σ3 < σ4; ε — полная относи-
тельная деформация; εс — деформация ползучести; t — время деформации, Е — 
модуль Юнга 

 
Как правило, процесс ползучести состоит из трех стадий: I — 

начальная стадия, или стадия неустановившейся ползучести, II — 
стадия установившейся ползучести, III — стадия ускоренной ползу-
чести, предшествующая разрушению. Каждая из трех стадий харак-

теризуется определенной скоростью деформаций ползучести ξс. На 
стадии I скорость деформаций ползучести падает до минимального 
значения ξс min, на стадии II она постоянна и минимальна, на стадии 
III скорость возрастает до момента, при котором происходит раз-
рушение образца. 

При исследовании ползучести металлов наибольший интерес 

представляет стадия ползучести II, поскольку она самая продол-
жительная по времени. В большинстве нагруженных элементов 
конструкций, работающих длительное время при высокой темпе-
ратуре, деформации ползучести накапливаются с постоянной ско-
ростью ξс min. Для формального описания установившейся стадии 
ползучести принято использовать следующие зависимости скоро-
сти деформаций ползучести от напряжения и температуры: 

 
min
;
n
с
A
ξ
=
σ
 
(1.1) 

 
min
exp
;
m
с
C
B
T
⎛
⎞
ξ
=
σ
−
⎜
⎟
⎝
⎠
 
(1.2) 

 

(0)
min
,

r

с
b
D σ − σ
⎛
⎞
ξ
=
⎜
⎟
σ − σ
⎝
⎠
 
(1.3) 

где σ — напряжение в образце; T — температура образца; 

, ,
,
,
,
,
A n B m C D r  — константы материала; σ(0) — предел ползуче-
сти, характеризующий минимальный уровень напряжения при ко-
тором появляется деформация ползучести; σb — предел кратко-
временной прочности материала при температуре испытаний. 

Для сопоставления сопротивления ползучести различных материалов 
вводят условную характеристику — предел ползучести σс. 
Под пределом ползучести понимают напряжение, при котором 
скорость деформации ползучести равна определенному значению, 
установленному техническими требованиями. Однако предел ползучести 
можно определить только для стадии установившейся 
ползучести, где скорость деформаций постоянна. 

Для достижения цели лабораторной работы требуется решить 

следующие задачи:  

− получить экспериментальные кривые ползучести при разных 

значениях напряжения и температуры;  

− определить константы в соотношении (1.1) посредством математической 
обработки экспериментальных кривых ползучести;  

− проверить справедливость соотношения (1.1);  
− определить предел ползучести для заданной температуры. 

Порядок выполнения работы 

Кривые ползучести строят по результатам испытаний на растяжение 
металлических образцов при заданной температуре. Эксперименты 
проводят на машинах для испытаний на ползучесть и 
длительную прочность ATS серии 2330 (рис. 1.2).  
 

а 
б 

Рис. 1.2. Машина для испытаний на ползучесть и длительную 
прочность ATS серии 2330: 
а — общий вид; б — рабочая область машины 

Печи испытательных машин способны обеспечить температуру 

до 1100 °C. Однако при выполнении лабораторных работ рекомендуется 
нагревать образцы не выше температуры 750 °C. Нагружение 
образцов осуществляется двумя способами: механическим  
(с помощью набора грузов и рычажного устройства) и автоматическим (
посредством электросилового блока испытательной машины). 
Для практических занятий рекомендуется использовать механический 
способ нагружения как наиболее стабильный.  

В комплект испытательных машин входят грузы весом 2,5… 

150 Н. Соотношения плеч рычагов в испытательных машинах составляют 
1:20 и 1:3. Измерения деформаций при испытаниях осуществляется 
автоматически электронными экстензометрами, входящими 
в комплект испытательной машины. Точность результатов 
эксперимента обеспечивается внутренними измерительными средствами 
испытательной машины (экстензометрами), а погрешность 
измеряемых величин не превышает погрешности наименее точных 
измерительных средств, применяемых в процессе испытаний: 
штангенциркуля или микрометра. 

Подготовка испытания осуществляется в несколько этапов. 
1. Перед установкой образца в захваты испытательной машины 

штангенциркулем или микрометром измеряют диаметр образца d  
в трех его сечениях: в середине рабочей части и ближе к галтелям. 
Для расчетов применяют осредненное значение диаметра d0.  

2. Далее на образец устанавливают экстензометры, которые закрепляют 
на образце посредством ножей (рис. 1.3). Измеряют базовую 
длину между креплениями экстензометров l0.  

 

Рис. 1.3. Образец, закрепленный в захватах, 
с установленными на него ножами

Значения базовой длины l0 и диаметр образца d0 требуются для 

подготовки спецификации образца в программе WinCCS (Windows 
Computer Control System) по настройке испытательной машины на 
испытание (см. приложения 1, 2). 

3. После закрепления экстензометров на образцы осуществляется 
их установка в рабочую область испытательной машины  
(рис. 1.2, б). 

4. Завершающий этап подготовки эксперимента заключается в 

подготовке спецификаций испытаний, образца и запуске испытаний. 
Пример подготовки спецификаций в управляющей программе 
WinCCS приведен в приложениях 1, 2. 

Обработка экспериментальных данных 

Для определения констант в законе ползучести в форме (1.1) 

достаточно провести два эксперимента при одинаковой темпера-
туре и различных напряжениях, третий опыт следует использовать 
для верификации. Для определения трех неизвестных констант в 
законе ползучести в форме (1.2) необходимо выполнить три экспе-
римента на ползучесть при различных температурах и напряжени-
ях, четвертый опыт следует провести для верификации. Для опре-
деления четырех неизвестных констант в законе ползучести в 
форме (1.3) необходимо выполнить четыре эксперимента на пол-
зучесть, пятый опыт следует провести для верификации. 

После завершения экспериментов в программе WinCCS необ-

ходимо сгенерировать текстовый файл с числовыми данными, ко-
торые включают в себя зависимость удлинения образца от време-
ни. Числовые данные необходимо обработать в математическом 
пакете (например, MATLAB) и определить численные значения 
констант в законе ползучести.  

В отчете следует привести обработанные графики зависимости 

деформаций ползучести от времени, зависимости скорости дефор-
маций ползучести от времени с указанием минимальной скорости 
деформации ползучести. Пример представления отчетного графи-
ческого материала показан на рис. 1.4, 1.5. 

При обработке кривых ползучести в рамках соотношения (1.1) 

необходимо построить зависимость напряжения σ  от минималь-
ной скорости деформации ползучести ξс min. Пример построения 
такой зависимости дан на рис. 1.6. 

Рис. 1.4. Зависимость деформаций 
ползучести 
сплава 
12Х18Н10Е 

от времени при температуре Т = 
= 600 °С и разных значениях 
напряжения:  
σ1 = 230 МПа; σ2 = 250 МПа; σ3 = 
= 270 МПа 

Рис. 1.5. Зависимость скорости 
деформаций ползучести сплава 
12Х18Н10Е от времени при темпе-
ратуре Т = 600 °С и напряжении σ1 =
= 230 МПа:  
         осредненные данные;  
          минимальная скорость ползучести 

 
 

Рис. 1.6. Зависимость минимальной 
скорости деформации ползучести от 
напряжения: 
         расчетная зависимость;  
○ — экспериментальные значения 

 
 

Значение предела ползучести определяют из соотношения (1.1) 

или (1.2) исходя из установленного в технических требованиях 
значения ξс min (например, 
5
1
2 10 мин ).
−
⋅
 Пример оформления лабо-

раторной работы приведен в приложении 3. 

Работа № 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 
ПОДОБИЯ КРИВЫХ ПОЛЗУЧЕСТИ 

Цель работы — расчетно-экспериментальная проверка подо-

бия кривых ползучести. 

Теоретическая часть 

На основе анализа кривых ползучести могут быть предложены 

различные уравнения, описывающие первую и вторую стадии этих 
кривых. Наибольшее распространение получила формула, в осно-
ву которой положена гипотеза о том, что кривые ползучести в ко-
ординатах «время t — деформация ползучести εс» при различных 
напряжениях и одной и той же температуре геометрически подоб-
ны. Это означает, что они могут быть получены из одной кривой 
умножением ее ординат на некоторую величину, являющуюся 
функцией напряжения. Следовательно, уравнение кривой ползуче-
сти имеет вид 

 
( ) ( )
c
Q
t
ε =
σ Ω
 при 
const.
T =
 
(2.1) 

Скорость деформаций ползучести при этом  

 
( )
( )
( ) ( ).
c
c
d
d
t
Q
Q
B t
dt
dt
ε
Ω
ξ =
=
σ
=
σ
 
(2.2) 

При рассмотрении второй стадии ползучести, которая характе-

ризуется постоянной скоростью деформаций ползучести  

 
min
,
n
c
A
ξ
=
σ
 
(2.3) 

зависимости 
( )
Q σ  и 
( )
B t  в выражении (2.2) определяются как 

 
( )
;
n
Q σ = σ
    
( )
.
B t
A
=
 
(2.4)