На рис. 4.14 на примере нормализованной углеродистой стали

Облучение при температурах выше 673 К в простых сталях почти не вызывает изменения механических свойств; отжиг при 673 К снимает упрочнение и «залечивает» повреждения, полученные в ре­ зультате облучения при обычных низких температурах. В сложных жаропрочных сталях хрупкость возникает и при высокотемпера­ турных облучениях.

Упрочнение материалов, вызываемое облучением, способствует развитию хрупких разрушений от радиационных повреждений, так как затрудняет релаксацию пиков напряжений, например у основа­ ния трещин или во многих случаях по границам зерен.

Другим результатом облучения может явиться разбухание ма­ териала в определенных температурных интервалах. Причиной разбухания является образование большого числа пор, возникающих в результате диффузионного слияния вакансий. Аустенитная струк­ тура стали более подвержена разбуханию чем, например, менее плотно упакованная атомами структура сс-железа.

Г л а в а 5. ВРЕМЯ Н АГРУЖ ЕН И Я И ПРОЧНОСТЬ

6.1. ВРЕМЕННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Основные явления* При работе элементов конструкций под на­ грузкой в условиях эксплуатации и в опытах, особенно при повы­ шенных температурах, имеет место временная зависимость проч­ ности: длительное приложение нагрузок снижает прочность твер­ дых тел тем сильнее, чем больше время действия нагрузки Р.

При испытании чистых металлов при умеренных температурах, т. е. при Т < (Тпл — температура плавления), указанная зависимость изображается в полулогарифмических координатах о, lg tn прямой и описывается уравнением

При более высоких температурах для жаропрочных сплавов временная зависимость прочности будет прямолинейной только в логарифмических координатах. Для такого случая более досто­ верные результаты дает степенная функция

где At и m — постоянные, зависящие от температуры,

б*

Подставив выражения (5.5) и (5.6) соответственно в левую и пра­ вую части уравнения (5.4), получим

После интегрирования с определением постоянной интегрирова­

п Ф 0. Обозначив время вязкого разрушения через /в, из послед­

Если перейти к разрушению реальных материалов, то оно со­ вершается задолго до приближения площади сечения растягивае­ мого образца к нулю. Процесс разрушения таких материалов во вре­ мени рассматривается во многих работах как процесс повреждае­ мости материала в результате накопления под действием нагрузки рассеянных дефектов типа трещин. Для прогнозирования этого процесса используют различные теории повреждаемости.

Рассмотрим математическую модель такого типа [34], основан­ ную на предположении, что изменение во времени t некоторой функ­

1 - ф " ,+|^ = Л (т + 1)ад"(,

шающегося при ползучести вследствие повреждаемости. Из фор­

На рис. 5.2 в координатах lg a, lgi построены графические зави­ симости по уравнениям (5.9), (5.13) и (5.16), соответствующие хруп­ кому (прямая У), вязкому (прямая 2) и вязкохрупкому (кривая 3)

где с, k и s — постоянные, зависящие от температуры; со — функция поврежденности, равная нулю в исходном состоянии и единице в момент разрушения.

Зависимость между характеристиками сплошности ф и повреж-

внутризеренного скольжения и одновременного проскальзывания на границе между зернами /, II, как в последовательном развитии показано на рис. 5.4, а—в. Предлагаются и другие механизмы образования пор, но все они связываются с межзеренным скольже­ нием ввиду наблюдаемой зависимости числа появляющихся пор от интенсивности проскальзывания на границах. В работе [1261 дока­ зана количественная причинная связь между проскальзыванием на границах и числом образующихся пор. В качестве примера на

В термофлуктуационных механизмах образования элементарных трещин и несплошностей (см. гл. 2 ) большая роль принадлежит диффузионным процессам. В литературе рассмотрена даже так назы­ ваемая диффузионная гипотеза долговечности [31 ]. Если говорить о направленной диффузии межузельных атомов или вакансий к ме­ стам их стока, например к границам зерен или к трещинам, и рас­ сматривать роль этой диффузии в механизме накопления локальных разрушений, то эта роль обязательно оказывается зависящей от ползучести, так как механизм образования избыточных вакансий связан с движением дислокаций, а приток вакансий к границам

оказывают заметное влияние на образование локальных разрушений, как будет показано далее.

В результате беглого обзора существующих механизмов образо­ вания трещин можно ответить на вопрос: что приводит в действие все эти механизмы накопления дефектов, что служит «спусковой пружиной», заставляющей их работать?

На основании имеющихся в настоящее время данных эта роль должна быть закреплена за деформацией ползучести. Движение дислокаций вызывает процесс ползучести и заставляет работать механизмы образования и накопления трещин. Продолжая мысль, можно утверждать, что когда нет ползучести или когда, начавшись, она быстро затухает, нет временной зависимости прочности металли­ ческих материалов, если только временная зависимость не связана с действием агрессивных сред г.

Сделанное заключение вытекает из всех рассмотренных меха­ низмов образования трещин, в том числе и термофлуктуационного, для срабатывания которого тоже нужна

Ведущая роль ползучести в кинетическом механизме разруше­ ния подтверждается всеми макроскопическими экспериментами [59]. Речь идет о макроскопических опытах, коль скоро выясняется вопрос о ведущем (лимитирующем) процессе. Играет в этом роль и то, что многочисленность механизмов элементарных актов разрушения и его многостадийность не позволяют получить однозначный ответ о ведущем процессе на микроскопическом уровне. Рассмотрим три примера.

Пример 1. Известно, что кольцевой надрез на цилиндрических образцах из пла­ стичной стали повышает их долговечность. Этот результат согласуется с выводами деформационной теории: появление радиальных напряжений снижает величину касательной составляющей напряжений в центральной части ослабленного сечения, что ведет к уменьшению скорости ползучести и, следовательно, увеличению долго­ вечности. Так, гладкие образцы из чистого железа при растягивающей нагрузке (а = 280 МПа) имели долговечность около 0,5 мин. Образцы из того же железа с кольцевым надрезом (р = 0,1 мм) при таком же номинальном напряжении в над­ резанном сечении не разрушались в течение 30 000 мин и не обнаружили при этом макроскопической ползучести. Только при 400 МПа восстановилась склонность образцов к временной зависимости прочности, а также способность их к ползу­ чести, как это следует из табл. 5.1.

Различие в поведении гладких и надрезанных образцов объясняется тем, что в гладких образцах ттах = о х/ 2, а в надрезанных ттах = (о х — о3)/2. Поэтому

1 Остается неясным механизм развития во времени некоторых видов хрупких разрушений высокопрочных жаропрочных сплавов при высоких температурах в агрессивных средах.

Формула (5.18) устанавливает физическую и точную количествен­ ную связь между входящими в нее параметрами.

Протяженность пути пластического деформирования, на котором достигается предельная пластичность, зависит от соотношения скорости ползучести ё и скорости накопления дефектов v, иниции­ руемых ползучестью. Чем больше скорость накопления дефектов, тем раньше, т. е. тем на более раннем этапе пластического дефор­ мирования, будет накоплено предельное число их, при котором деформирование прервется разрушением. Следовательно,

Изменение скорости ползучести, если при этом не меняется меха­ низм накопления дефектов, не влияет на функцию (5.19), так как изменение ё вызовет такое же изменение v\ не будет меняться при этом и У\)р.

Отношение ё/и, а следовательно, и фр будет изменять свое зна­ чение только в связи с изменением механизма накопления дефек­

Изложенные закономерности в полной мере относятся и к слож­ нонапряженному состоянию.

На рис. 5.7 приведена кривая, которая отражает общий закон прекращения действия кинетического механизма разрушения при понижении напряжения а. При напряжениях, меньших критиче­ ского значения а|ф, ползучесть не возникает или, возникнув, быстро затухает. При этом отсутствует временная зависимость прочности. Временной зависимости не будет и в тех случаях, когда статическая прочность ниже акр.

С повышением температуры относительное напряжение сгкр/сгт резко падает, а при понижении температуры поднимается выше еди­ ницы.

Уравнения (5.18)—(5.20) и рис. 5.7 являются обобщением мно­ гих уже известных фактов.

Проверим и конкретизируем установленные закономерности в трех областях действия временной зависимости прочности с разными механизмами накопления дефектов.

К первой области отнесем поведение чистых металлов и малоле­ гированных сплавов при Т < 0,5Г11Л. В этой области при варьиро­ вании скоростей ползучести (путем изменения нагрузок) и, следо­ вательно, получаемых долговечностей в широких пределах предель­ ная пластичность для каждой температуры сохраняет постоянное значение. Для примера на рис. 5.8, а показан уровень предельной пластичности фр армко-железа при 773 К, на рис. 5.8, б — техни-

При дальнейшем повышении температуры увеличивается влия­ ние диффузионных процессов на движение дислокаций. Темпера­ тура увеличивает роль диффузионного переползания дислокаций, которое само по себе не приводит к деформации, но ускоряет пол­ зучесть за счет преодоления таким способом препятствий, являю­ щихся стопорами их движению. Диффузионные процессы оказывают значительное влияние и на кинетику накопления дефектов. С одной стороны, переползание дислокаций уменьшает опасность образования трещин в головной части скоплений. При высоких темпера^ турах увеличивается возможность диффузионного залечивания дефек­ тов, что уменьшает скорость их на­ копления. С другой стороны, при

цесс ползучести и процесс накопления и развития дефектов контро­ лируются диффузией вакансий к границам зерен, что ускоряет процесс разрушения по границам. Если даже небольшое число дислокаций становится стоками для вакансий, это заметно ускоряет ползучесть [32].

Третья область — макроскопически хрупкие разрушения. Чтобы понять кинетический механизм таких разрушений, рассмотрим хрупкий материал как модель, в которой одна из компонент имеет чисто упругую природу, описываемую законом Гука, другая — вязкоупругую, описываемую уравнением Максвелла.

При внезапном приложении нагрузки деформация в системе будет однородной,. С течением времени напряжение сдвига внутри вязкой области будет релаксировать. Если положить, что вязкая составляю­ щая имеет форму тонкого диска, то деформация окружающей упру­ гой среды при полной релаксации напряжений в диске будет точно такой, как если бы в месте вязкой области находилась трещина. Если радиус вязкого диска обозначить через а, радиус кривизны края диска — через г, касательное напряжение в плоскости диска— через т, то в упругой среде [29]

с временем релаксации напряжений сдвига.

Оценим роль напряжения в рассмотренных примерах с разной кинетикой накопления дефектов. В первой области, где действует кинетический механизм с — сопД, роль напряжения сводится

к влиянию на скорость ползучести. Во второй области, определяя скорость ползучести, напряжение, кроме того, оказывает влияние на механизм накопления дефектов. Роль напряжения в разруше­ нии для третьей области действия кинетического механизма наи­ большая. Однако и здесь напряжение поднимается до разрушаю­ щего уровня за счет деформации сдвига.

5.2. ПРОБЛЕМЫ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ВЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ

Офизических критериях. Развитие энергетики упирается в необ­ ходимость повышения мощности тепловых энергетических машин,

для чего требуется применение достаточно жаропрочных материалов. Увеличение тяги, развиваемой двигателями паровых и газовых турбин, реактивных двигателей, МГД-генераторов и др., дости­ гается за счет повышения температуры рабочего газа, т. е. темпера­ турного «потолка» ра'боты энергетических установок. Возможность такого повышения определяется в первую очередь жаропрочностью строительных сплавов. Повышение жаропрочности материалов — задача чрезвычайно сложная, решаемая поэтапно. Общее понятие жаропрочности означает способность материалов при высоких тем­ пературах длительное время сопротивляться действию механиче­ ских нагрузок. Эта способность оценивается по характеристикам

длительной прочности и скоростным критериям ползучести. Жаропрочность материалов с повышением температуры до опре­

деленного критического значения Гкр характеризуется медленным

снижением, а после достижения критической температуры — быст­ рым снижением (рис. 5.10). Температуру, равную критической, часто называют температурным порогом. История создания все более и более жаропрочных сплавов — это история преодоления температурных порогов.

Одним из главных факторов, определяющих температурную об­ ласть, в которой чистый металл может применяться как жаропроч­ ный, является температура его плавления. Чем выше температура плавления металла, тем выше температурный порог его жаропроч­ ности. Это положение иллюстрирует рис. 5.11, на котором приве­

ская энергия атома. Чем больше А//, тем медленнее диффузия. С другой стороны, чем больше прочность межатомных связей, тем больше потенциальные барьеры, которые нужно преодолевать ато­ мам при диффузионном перемещении, тем больше становится необ­ ходимая для диффузии энергия активации АН.

Прочность межатомного взаимодействия может быть оценена коэффициентом квазиупругой силы, возвращающей колеблющиеся

гией активации ползучести чистых металлов обнаруживает прямо пропорциональную зависимость между ними (работы В. М. Розен­ берга и др.).

Жаропрочность металлов (рис. 5.11) растет с увеличением тем­ пературы их плавления потому, что при этом растет прочность межатомных связей. Как уже говорилось в п. 1.1, температура плав­ ления металлов — это тепловая мера прочности межатомных свя­ зей, характеризующая их сопротивляемость разрушению под дей­ ствием тепловой энергии. Модуль упругости, являющийся силовой характеристикой прочности межатомных связей, изменяется прямо пропорционально росту температуры плавления металлов (см. табл. 1.1). По той же причине имеется прямая корреляция между энергией активации ползучести металлов и температурой их плав­ ления.

При формировании структуры большинства жаропрочных спла­ вов задача заключается в создании термически устойчивых препят­ ствий движению дислокаций. Такая задача во многих случаях ре­ шается специальным легированием сплавов до их насыщения с таким расчетом, чтобы при последующем старении после закалки из насы­ щенного твердого раствора выделялась дисперсная интерметалли­ ческая фаза. Например, в никелевых жаропрочных сплавах типа нимоника такой упрочняющей фазой служит твердый раствор на основе соединения Ni3Al. Температура плавления этого интерме­

на той стадии ее выделения, на которой еще сохраняется когерент­ ная связь между матрицей и выделенной фазой. Когерентная связь, обеспечивающая интерференцию рентгеновских отражений, озна­ чает также механическое сцепление при соблюдении кристаллогра­ фического и размерного соответствия между фазами. Когерентная связь затрудняет протаскивание дислокаций через поверхность раздела и диффузионное перемещение атомов, благодаря чему дисперс­ ные частицы при высоких температурах растут медленнее. Скорость

роста упрочняющей фазы имеет решающее значение в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах.

Наибольший упрочняющий эффект и наилучшие жаропрочные свойства достигаются в сплавах, в которых объемная доля когерентно связанных с матрицей дисперсных выделений достигает 50 %, а расстояния между частицами упрочняющей фазы не выходят за пределы (2 0 0 -ИЮ0 ) 10~10 м.

Для работы в интервале 1373—3273 К используют сплавы на основе самых тугоплавких металлов: Mo, W, Nb, Re, Та. Хрупкие при обычных температурах, эти сплавы, даже полученные порошковой металлур­ гией, при высоких температурах стано­ вятся пластичными. Практическое при­ менение их все же затруднено из-за легкой окисляемости на воздухе при высоких температурах.

Большая роль в обеспечении жаро­ прочных свойств сплавов отводится гра­ ницам зерен, так как ползучесть и раз­ рушение в таких сплавах при высоких температурах совершаются преимуще­ ственно на границах. В сплавах, упроч­ ненных дисперсными выделениями, это усугубляется тем, что упрочняется объём зерна, а это усиливает различие в сопро­

тивлении сдвигу между телом и границами. В результате границы имеют относительно более низкое сопротивление сдвигу 174].

Свойства жаропрочности чувствительны к размеру зерен, т. е. к протяженности границ, но характер влияния размера зерен ока­ зывается сложным.

Свойства жаропрочности очень чувствительны также к приме­ сям, попадающим на границы. Установлено резко отрицательное влияние ничтожных количеств примесей ряда легкоплавких эле­ ментов. На рис. 5.12 приведены данные о резком влиянии Pb, S, Sb на длительную прочность стали 1Х18Н9Т при температуре 973 К и напряжении 108 МПа. Разрушение во всех случаях было межзеренным.

Применение некоторых тугоплавких примесей упрочняет гра­ ницы, в результате чего увеличивается долговечность сплавов. Установлено весьма благоприятное влияние небольших добавок бора на жаропрочность сплавов на базе железа и никеля. Бор упроч­ няет границы зерен, увеличивая сопротивление деформации сдвига, замедляет диффузионные процессы в приграничных областях и этим способствует замедлению ползучести и увеличению долговеч­ ности.

На межзеренную прочность большое влияние оказывают дозиро­ ванные добавки щелочноземельных и редкоземельных элементов: церия, лантана, празеодима и неодима, расположенных в порядке Возрастания температуры их плавления- В тацом же порядке воз-

И5

растает и эффективность их действия. Механизм действия щелочно­ земельных и редкоземельных элементов в составе жаропрочных сплавов на никелевой и железной основах заключается в их большой химической активности по отношению к таким вредным примесям, как кислород, азот, сера, водород, и способности образовывать с этими примесями тугоплавкие соединения типа окислов и суль­ фидов.

При назначении жаропрочных сплавов обязательно следует оценивать и учитывать их окисляемость в процессе эксплуатации при высоких температурах.

Рассмотрим этот вопрос в связи с пульсациями температуры. Многие энерге­ тические установки работают при высоких температурах в нестационарных темпе­ ратурных условиях, т. е. при периодических изменениях температуры. При этом в результате реакции опор и жестких связей, вызываемых термическими расшире­ ниями и сжатиями металла, в деталях возникают циклические напряжения. В наи­ более распространенном случае, когда колебания температуры не превышают 323— 333 К, возникающие напряжения невелики и не могут вызвать усталостных повре­ ждений. Однако если на деталях в процессе работы появляется окисная пленка, указанные напряжения разрушают ее, пленка отделяется, освобождая чистую неокисленную поверхность металла, которая тут же снова окисляется; выросшая но­ вая окисная пленка снова разрушается. Этот непрерывный и быстрый процесс вы­ водит из строя элементы энергетических установок [52].

О механических критериях. Из (5.18) следует, что при данных температуре и скорости ползучести критерием долговечности явля­ ется предельная пластичность Этот вывод отвечает и существую­ щей практике. Деформационная способность является важнейшим критерием работоспособности жаропрочных сталей при высоких температурах.

Если длительная пластичность стали не обеспечивает нужную долговечность элементов конструкций под нагрузкой, не достигается моторесурс тепловой машины.

Длительная пластичность играет роль критерия при испытаниях не только гладких, но и надрезанных образцов. Если в первом случае предельную пластичность используют в расчетах, то по данным испытаний надрезанных образцов производят качественную оценку, но не только характеристики долговечности, но и выбора технологи­ ческих процессов изготовления жаропрочных сплавов.

Так как в интервале температур, в котором разрушение носит межзеренный характер, предельная пластичность резко зависит от скорости ползучести, деформационную способность жаропрочных сталей оценивают в широком диапазоне температур и скоростей пол­ зучести; каждую серию образцов подвергают испытанию растяжением с постоянной скоростью деформации в широком интервале темпе­ ратур. Опыты повторяют при скоростях, отличающихся друг от друга на несколько порядков.

В качестве примера на рис. 5.13 приведена в полулогарифмических координатах диаграмма \рр = f (ё, Т) для стали ЭИ10, построенная в интервале Т = 673-^973 К при разных скоростях деформации ё. Чем меньше скорость деформации, тем ниже минимальная пластич­ ность сплава. Минимальная точка V-образных кривых с понижением

скорости деформации смещается в сторону более низких темпе­ ратур [91].

К числу внешних факторов, которые оказывают существенное влияние на деформационную способность образцов из жаропрочных сплавов, относятся температура, концентраторы напряжений и масштабный фактор [911.

В ряде элементов конструкций, работающих при высоких темпе­ ратурах, повышенное значение приобретает возможность релаксаций напряжений во времени. В энергетических машинах релаксации

остановка действующих агрегатов, становится понятным, почему требуется высокая релаксационная стойкость материалов, из которых изготовляют крепежные детали.

Релаксационная стойкость материалов может быть оценена одной из следующих характеристик: относительным падением напряжения

жения erf. Верхний индекс Т показывает, что приведенные соотно­ шения рекомендуются для постоянной температуры. Скорость и степень релаксации, определяющие нижний уровень, до которого напряжение снижается с заметной скоростью, резко зависят от

Наибольшее распространение получил метод кольцевых образцов, предложенный И. А. Одингом [67 I. В кольцо с разрезом, представ­ ляющее собой брус равного сопротивления, в изотермических усло­ виях вставляют клин, создающий упругий изгиб бруса. Измерения перемещений концов разреза, происходящих в результате установки и последующего удаления клина после выдержки, позволяют вычис­ лить начальные и релаксационные напряжения в брусе.

Явление релаксации напряжений, как уже указывалось, совер­ шается за счет перехода упругой деформации напряженного стержня в пластическую — ползучесть гр.

где л и а — константы, характерные для данного материала при данной темпе­ ратуре.

Распространяя эту формулу и на случай, когда напряжения меня­ ются во времени, и подставляя ее в уравнение (5.28), найдем

(ME) dotldl + ао? = 0.

После разделения переменных и интегрирования получим

Формула (5.31) дает аналитический способ построения кривых релаксации напряжений.

Релаксационная стойкость сталей растет с увеличением их жаро­ прочности, однако однозначной связи между релаксационной стой­ костью и жаропрочностью сталей нет.

О некоторых закономерностях деформации и разрушения жаро­ прочных металлов. К жаропрочным относятся большинство метал­ лов с решеткой ОЦК (см. рис. 5.11).

Ряд экспериментальных работ показывает, что изменение механи­ ческих свойств металлов с решеткой ОЦК при изменении температуры испытаний укладывается в одни и те же общие закономерности [85, 124, 1311. На рис. 5.14, а приведены кривые изменения двух механических характеристик (предела текучести ат и разрушающего напряжения а,. = PJFK) в безразмерных координатах: «относитель­

на

йые напряжения <т.г = 1 0 0 стт/(5 и 5К= 1 0 0 а„/<3 (где 0 — модуль

сдвига) — гомологическая температура Т = Т/Тпл», на рис. 5.14, б — кривые изменения предельной истинной деформации ен = In (F0/FK).

Рис. 5.14

х — Nb; д — Fe. Состав сплавов приведен в табл. 5.2. Кривые

при Т <0,10-ь0,15 — резкая температурная зависимость, что свя-

некоторая остаточная деформация. При ен « 1 (рис. 5.14, б) вид излома образцов меняется, оставаясь хрупким. Отрыв теперь совер­ шается не по кристаллографическим плоскостям спайности. Поверх­ ность разрушения, приблизительно перпендикулярная к оси растя­ жения, характеризуется наличием грещин, уходящих в глубь ме­ талла. Такой вид хрупкого разрушения назван квазисколом, он

реализуется в области Т « 0,10-^0,15. Далее кривая (Г), согласно рис. 5.14, б, переходит в почти горизонтальную линию, и разрушения

становятся пластическими. В начале горизонтального участка, со­ гласно микроскопической картине, разрушение происходит расслое­ нием металла вдоль сформировавшихся большеугольных границ между монокристаллами, ориентированными по оси растяжения.

В основе механизма разориентировки соседних блоков-монокри­ сталлов и образования между ними трещин лежит движение дисклинаций (см. п. 1.7).

При дальнейшем повышении температуры испытаний структура

становится более равновесной, и при Т > 0 ,3 разрушение носит чашечный характер и определяется образованием, ростом и объеди­ нениями пор. Вязкое чашечное разрушение характеризуется ямочным

с решеткой ОЦК установлена и в работах [124, 131 ], в которых со­ ставлены карты распределения доминирующих механизмов разруше­ ния металлов. На рис. 5.15 приведены карты распределения областей доминирующих механизмов разрушения в температурно-силовом пространстве для тугоплавких металлов: с решеткой ОЦК (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, бериллий и некоторые их сплавы) — рис. 5.15, а\ с решеткой ГЦК (никель, алюминий, медь, свинец и некоторые их сплавы) — рис. 5.15, б.

Эти обобщенные карты составлены по точным количественным данным, полученным из эксперимента. Количественные карты для