Definicja

Reologia (z greckiego: rheo – płynąć, ology – studia nad), jest to nauka o płynięciu materiału. Jak pisze Zbigniew L. Kowalewski [83], „…procesy reologiczne określają

powstanie i rozwój odkształceń oraz przemieszczeń zachodzących w czasie…”. Równanie stanu

opisuje się funkcją (2.11), natomiast zależność pomiędzy naprężeniem, odkształceniem i czasem dla określonej temperatury, ukazuje powierzchnia na rys. 2.28.

45 𝑓(𝜎, 𝜀, 𝑡, 𝑇) = 0 (2.11) gdzie: σ - naprężenie, Ɛ - odkształcenie, t - czas, T - temperatura

Rys. 2.28. Powierzchnia przedstawiająca zależność pomiędzy naprężeniem (σ), odkształceniem (Ɛ) i czasem (t) dla ustalonej temperatury (T) [84]

Zaznaczone przekroje poprzeczne płaszczyzny na rys. 2.28, odwzorowują typowe próby doświadczalne opisujące własności wytrzymałościowe oraz reologiczne materiału. Zalicza się do nich: statyczną próbę rozciągania, próbę relaksacji naprężeń oraz próbę pełzania. Zarówno pełzanie jak i relaksacja naprężeń należą do grupy badań nad własnościami reologicznymi badanego materiału, a ich cechą różniącą od statycznej próby rozciągania jest m.in. długotrwały charakter badań oraz działanie obciążeń z zakresu obowiązywania prawa Hook’a (odkształceń sprężystych). Próba relaksacji naprężeń polega na zjawisku odprężania przy stałym wydłużeniu [83], natomiast próbę pełzania definiuje się jako odkształcenie plastyczne (trwałe) występujące przy stałym obciążeniu/naprężeniu i stałej temperaturze. Definicje tychże pojęć przez lata ulegały pewnym modyfikacjom. Biorąc pod uwagę zjawisko pełzania, które jest przedmiotem niniejszej dysertacji, analiza literatury ukazuje pewne rozbieżności w definiowaniu tego zjawiska. Część prac zwraca szczególną uwagę, na to iż, aby możliwa była obserwacja deformacji plastycznej pochodzenia reologicznego, proces pełzania powinien zachodzić w podwyższonej temperaturze. Informacje takie można odnaleźć m.in. w pracach Trąmpczyńskiego [93] oraz Kowalewskiego [83], lecz u Kowalewskiego znajduje się dodatkowe stwierdzenie iż: „… w niższych temperaturach zjawisko również występuje, ale

zmiany wartości odkształceń w czasie są na tyle nieznaczne, że praktycznie można je zaniedbać…”. Biorąc pod uwagę przewody elektroenergetyczne rozpięte w przęśle linii

napowietrznej, te niewielkie zmiany wydłużenia rzędu promili, a nawet dziesiętnych części promila przekładają się na bardzo duże różnice w zwisie przewodu. Zgodnie ze specyfikacją “Overhead electrical conductors - Calculation methods for stranded bare conductors” [85], za maksymalną dopuszczalną wartość 10-cio letniego odkształcenia pełzania przewodu przyjmuje się 0,5 ‰.

T = const

t ε

46 W zależności od temperatury, proces pełzania można podzielić zatem na procesy nisko- i wysokotemperaturowe. Za pełzanie niskotemperaturowe uznaje się temperaturę procesu

poniżej 0,3 Ttopnienia dla czystego metalu oraz 0,4 Ttopnienia dla stopów, natomiast powyżej tych

wartości pełzanie jest pełzaniem wysokotemperaturowym. Temperatura procesu wpływa m.in. na charakter krzywej w układzie odkształcenie – czas (rys. 2.29). Bowiem w pełzaniu wysokotemperaturowym wyodrębnić można trzy etapy pełzania [122] charakteryzujące się różnymi prędkościami odkształcenia. Pierwszy etap charakteryzuje się spadkiem prędkości pełzania wraz z upływem czasu. Gdy prędkość osiągnie wartość minimalną i zaczyna się stabilizować (έ=const), rozpoczyna się drugie stadium pełzania. Natomiast w momencie ponownego wzrostu prędkości, materiał wchodzi w trzeci etap pełzania, w którym ostatecznie dochodzi do dekohezji materiału.

Rys. 2.29. Schemat krzywej pełzania oraz krzywej reprezentującej zmiany prędkości pełzania nisko i wysokotemperaturowego. σ = const; T = const [86], [87], [83], [122]

Zjawisko zmiany prędkości pełzania w czasie próbowano wielokrotnie wytłumaczyć i w latach trzydziestych XX wieku, R. W. Bailey wytłumaczył je jako wzajemne oddziaływanie mechanicznego umocnienia i termicznego osłabienia materiału. Wg jego teorii w pierwszym etapie pełzania następuje umocnienie materiału spowodowane wzrostem liczby dyslokacji oraz pojawieniem się odkształcenia, z kolei w drugim etapie dochodzi do zrównoważenia obu zjawisk (mechanicznego umocnienia i termicznego osłabienia) - dlatego prędkość ustala się na najniższym poziomie, natomiast trzeci etap jest wynikiem termicznego osłabienia materiału prowadzącego do jego zniszczenia [83],[84],[88]. Początkowo jednak trzecie stadium pełzania E. N. C. Andrade’a [89] tłumaczył wzrostem naprężenia wynikającego z powstawania przewężenia (charakterystyczna szyjka) i zmniejszania pola powierzchni przekroju poprzecznego wydłużającej się próbki. Późniejsze badania, wykazały jednak, iż nie zawsze ujawnia się szyjka w rozciąganej próbce, a za wzrost prędkości pełzania odpowiedzialne są lokalne pęknięcia wewnątrz materiału, które go osłabiają.

Pełzanie niskotemperaturowe charakteryzuje się mniejszą intensywnością zachodzących procesów reologicznych w materiale i zazwyczaj nie osiąga trzeciego stadium pełzania. Sturm R. G. i jego współpracownicy przeprowadzając badania m.in. na miedzi i aluminium wykazali, iż krzywa pełzania niskotemperaturowego przyjmuje w układzie podwójnie logarytmicznym, odkształcenie pełzania – czas (rys. 2.30), charakter liniowy [90]. Dodatkowo w pracy [91] ukazano, iż taki typ pełzania powszechnie przyjęło się nazywać „pełzaniem logarytmicznym”. Prostoliniowy przebieg krzywych pełzania pozwala

47 ekstrapolować wyniki, co przedstawiają dane Alcoa (wykres na rys. 2.31) [18], [92]. W efekcie możliwe jest szacowanie wielkości odkształcenia pochodzenia reologicznego dla dowolnie obranego okresu czasu. Dodatkowo można zaobserwować, iż funkcje pełzania niskotemperaturowego dla tego samego materiału, lecz różnej wartości naprężenia są do siebie równoległe, a wzrost naprężenia powoduje wystąpienie wyższych wartości odkształcenia pełzania. Analogicznie, im wyższa temperatura procesu tym materiał bardziej pełznie.

Rys. 2.30. Charakterystyki pełzania aluminium i miedzi w układzie podwójnie

logarytmicznym. Warunki testu: krzywa 1 - 69MPa/25°C; krzywa 2 – 103MPa/25°C; krzywa 3 – 16,7MPa/25°C; krzywa 4 – 275MPa/25°C; krzywa 5 – 13MPa/25°C ; krzywa 6 –

23,5MPa/25°C [90] 0,001 0,0001 0,00001 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,0001 0,001 0,1 1 10 100 1000 Czas, godz W yd łuż enie, m m /m m W ydłu żenie, mm /mm Sk ala dla Al Sk ala dla Odl . Al Sk ala dla Cu Zniszczenie próbki Odl. Al Al Cu 1 2 4 3 6 5

48

Rys. 2.31. Wykresy pełzania przewodu stalowo-aluminiowego 403/455 mm² (7 + 54 drutów

o średnicy 3,08 mm) w temperaturze pokojowej [18], [92]

Nie zawsze jednak pełzanie niskotemperaturowe jest tożsame z wystąpieniem tylko dwóch pierwszych etapów pełzania. Keisuke Ishikawa wraz z jego współpracownikami [94], ukazują iż już po ok. 40 dniach pełzania w warunkach 41MPa/20°C możliwe jest nawet zniszczenie próbki wykonanej z wysokiej czystości wyżarzonego aluminium (rys. 2.32 - , ). Natomiast

przeprowadzenie próby pełzania pod naprężeniem o 5MPa niższym (rys. 2.32 - , )

powoduje, iż materiał w analizowanym okresie czasu nie wchodzi w trzeci etap pełzania. Różnica ta wynika z poziomu naprężenia jakie działa na badany materiał. Z kolei porównując dane na rys. 2.30, gdzie aluminium poddano procesowi pełzania w warunkach 69MPa/25°C i 103MPa/25°C (gdzie występują jeden lub dwa etapy pełzania) oraz na rys. 2.32 - pełzanie w warunkach 41MPa/20°C (gdzie występują trzy etapy pełzania) można zaobserwować iż, nie tylko naprężenie decyduje o charakterystyce pełzania, ale również rodzaj materiału – w tym przypadku stan i czystość aluminium.

Rys. 2.32. Charakterystyki pełzania czystego aluminium 99,99%Al w temperaturze 20°C pod naprężeniem 41MPa ( , ) i 36MPa ( , ). Aluminium po wyżarzaniu przez 1h

w temperaturze 500°C [94] 0,01 0,1 1 10 1 10 100 1000 10000 100000

(42 dni) (14 mies) (11,5 lat) Czas t Ɛ_pl ‰ h 0 1.0 x 106 2.0 x 106 3.0 x 106 4.0 x 106 Czas [s] 1.0 x 100 1.0 x 10-1 1.0 x 10-2 1.0 x 10-3 1.0 x 10-4 1.0 x 10-5 1.0 x 10-6 1.0 x 10-7 1.0 x 100 1.0 x 10-8 1.0 x 10-1 1.0 x 10-2 P ręd kość pe łz ania [s -1] Odk szt ałc en ie pe łz ania [‰] Odkształcenie pełzania Prędkość pełzania 11 dni 30 dni

49 Powyższe przykłady potwierdzają, iż na pełzanie wpływ ma temperatura, naprężenie, czas oraz rodzaj materiału. Jakowluk A. w publikacji [95] rozszerza myśl i pisze, że procesy reologiczne są silnie uzależnione od rodzaju materiału, obróbki cieplnej, zdolności do powstawania wtórnych faz dyspersyjnych, wielkości ziarn i ich granic oraz struktury krystalicznej stopów. Natomiast na prędkość pełzania mają wpływ defekty, które utrudniając poślizg, hamują przebieg pełzania. Dlatego też stopy są materiałami odporniejszymi od metali czystych na procesy pełzania.

Pełzanie metali i ich stopów jest zjawiskiem bardzo złożonym jeśli chodzi o występujące w materiale zjawiska fizykalne. Badaniem tego problemu w latach 60 – 70 ubiegłego wieku zajmował się M. F. Ashby [96], natomiast wynikiem jego pracy było opracowanie tzw. map mechanizmów deformacyjnych dla konkretnych materiałów i wielkości ich ziaren. Przykład takiej mapy dla czystego aluminium o wielkości ziaren 10 µm przedstawiono na rys. 2.33.

Rys. 2.33. Mapa Ashby’ego mechanizmów deformacyjnych dla czystego aluminium o wielkości ziaren 10 µm [96]

Mapy Ashby’ego ukazują zależność między trzema makroskopowymi zmiennymi: naprężeniem, temperaturą i prędkością odkształcenia, a zaznaczone na nich pola ukazują jaki mechanizm deformacji dominuje w danym obszarze naprężenie – temperatura. Za proces pełzania odpowiedzialne są głównie dwa mechanizmy: pełzanie dyslokacyjne oraz pełzanie dyfuzyjne, z czego pełzanie dyslokacyjne zachodzić może w skutek: poślizgu dyslokacji; poślizgu i wspinania dyslokacji; pełzania Harpera – Dorna oraz pełzania nie podlegającego prawu potęgowemu. Natomiast w materiale poddanemu wysokiej temperaturze i niskiemu naprężeniu następuje zablokowanie ruchu dyslokacji, a mechanizmem dominującym jest pełzanie dyfuzyjne. Dyfuzja może zachodzić na granicy ziaren (pełzanie Coble’a) lub przez ziarna (pełzanie Nabarro – Herringa) [83], [84], [96], [97], [98], [99].

50 Ponieważ w niniejszej dysertacji skupiono uwagę na stopie AlMgSi w celu wykorzystania go w napowietrznych przewodach AAAC, którego dopuszczalną temperaturą

pracy jest temperatura ok. 80°C, a to jest wartość niższa od 0,4Ttopnienia, zatem w przewodzie

takim zachodzić będzie pełzanie niskotemperaturowe, a mechanizmem dominującym będzie pełzanie dyslokacyjne.

Wracając jednak do definicji pełzania, można doszukiwać się jeszcze jednej niewłaściwości, a dokładniej założenia, iż proces pełzania zachodzi wyłącznie w stałych warunkach naprężenia i temperatury. Rozumowanie to jest błędne, chodź przez wielu cytowane. Należy zwrócić uwagę, iż w zmiennych warunkach temperatury i naprężenia pełzanie również zachodzi, lecz zmienia się jego intensywność. Zagadnienie to jest bardzo ważne w analizie pracy przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych, pracujących w stale zmieniających się warunkach eksploatacyjnych. Rozważania nad stanem wiedzy w tym temacie, zostały przedstawione w rozdziale 2.2.3, gdyż wymagały one szerszej analizy.