книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

Т А Б Л И Ц А 14

Относительное удлинение при испытании на длительную прочность некоторых аустенитных сталей, подвергнутых предварительной пластической деформации [95]

По результатам испытаний с постоянной скоростью деформа­ ции, после проведения соответствующих графических построений по описанной в гл. II методике, для наклепанного материала

Рис. 42. Изменение относительного удлинения термически обработанной стали 1Х18Н9Т в зависимости от скорости деформации при различных степенях на­ клепа:

/ — без наклепа; 2 — наклеп 18%; 3 — наклеп 34%; а — 500° С; б — 600° С

можно построить диаграмму деформационной способности. Срав­ нение такой диаграммы для стали после предварительного наклепа на 18% (рис. 43) с аналогичной диаграммой для термически об-

— Г, v

Рис. 43. Диаграмма деформационной способности стали 1Х18Н9Т (наклеп 18%) при различных температурах (°С)

работанного металла (см. 23, б) показывает, что пластичность наклепанного металла значительно ниже. Особенно сильно прояв­ ляется это различие при температурах ниже 650° С. Так, при 550° С для термически обработанного металла при длительной эк­ сплуатации разрушению должна предшествовать деформация 1 %

тогда как в наклепанном металле разрыв происходит при ничтожно малом относительном удлинении, порядка 0,2%. При 600° С раз­ ница несколько меньше, но все же значительна (1 % и 0,5%). При более высокой температуре различие в пластичности сказывается только при относительно коротких сроках работы металла под нагрузкой.

Согласно данным табл. 15 повышение степени наклепа заметно снижает критическую температуру Тк. м.

Предварительная пластическая деформация 18% снижает Тк. м на 50 град по сравнению с исходной температурой, а наклеп 34%

Рис. 44. Изменение критической температуры Тк, м стали 1Х18Н9Т в зависимости от скорости деформации при раз­ личных степенях наклепа и разрезы трехмерных диаграмм деформационной способности:

/ — без наклепа; 2—наклеп 18%; «3—наклеп 34%; 4—наклеп 50%

на 90—120 град. Еще больше снижается критическая температура (на 130 град) при испытании образцов с наклепом 50%; при ско­

шение между критической температурой и скоростью деформации для трех рассматриваемых состояний металла сохраняется в ши­ роком диапазоне скоростей деформации: полученные прямые почти параллельны.

На этом же графике (см. рис. 44) даны разрезы объемных трехмерных диаграмм деформационной способности для стали 1Х18Н9Т в наклепанном состоянии. Заштрихованные области отвечают зонам разрушений при деформациях менее одного про­ цента, Зона низкой деформационной способности для термически

ствуют результаты микроструктурного анализа и данные измере­ ния истинного сопротивления разрыву.

Как известно, рекристаллизация наступает тогда, когда энер­ гия активации самодиффузии достигает по величине энергии акти­ вации рекристаллизации [50, 127]. У наклепанного металла ре­ кристаллизация начинается при значительно более низких тем­ пературах, чем у термически обработанного [124, с. 21; 128].

Высокая интенсивность диффузии в сильно деформированном металле приводит к тому, что в стали 1Х18Н9Т, наклепанной на 50%, рекристаллизационные процессы активно протекают уже при относительно низких температурах (700—800° С). Активация диф­ фузионных процессов в данных температурных условиях приво­ дит к резкому разупрочнению наклепанной стали при относительно низкой температуре. В результате интенсивного разупрочнения и миграции границ зерен развитие хрупких трещин прекращается, разрушение металла становится возможным только при значитель­ ной деформации. Вследствие того, что критическая температура Тк, м с увеличением степени предварительного наклепа понижается, сталь 1Х18Н9Т предварительно деформированная на 34% при тем­ пературах 600—700° С, менее прочна, но более пластична, чем та же сталь в термически обработанном состоянии.

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАКЛЕПА

Некоторые исследователи отмечают отрицательное влияние на длительную прочность аустенитных сталей поверхностного наклепа [129]. При длительном воздействии высоких температур в структуре и составе поверхностного слоя наблюдаются измене­ ния [132, 133]. Специфические условия на поверхности металла связаны в первую очередь с обогащением ее вакансиями [47, с. 2], повышенная концентрация которых создает предпосылки для пред­ почтительного зарождения там межзеренных трещин. При темпе­ ратурах ниже 650° С у аустенитных хромоникелевых сталей поверх­ ностный наклеп, повышающий интенсивность диффузии и вызы­ вающий при деформировании рост нормальных напряжений в этой зоне, еще в большей степени способствует зарождению и развитию поверхностных трещин.

Влияние поверхностного наклепа можно оценить и путем ис­ следования деформационной способности материала. Для этого необходимо провести сравнительные испытания на образцах, изготовленных принятым методом обработки и со снятым посред­ ством электрополировки поверхностным слоем.

Микроструктура металла электрополированного образца из стали 1Х18Н9Т после разрушения показана на рис. 45, а; на рис. 45, б для сравнения приведена микроструктура образца, обработанного на токарном станке. Резкое уменьшение количе-

причем с увеличением времени этот эффект возрастает. Следует ожидать, что, как и действие наклепа, влияние поверхностного слоя для данной стали будет более заметным при температурах 500—600° С.

РАЗРУШЕНИЕ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 1Х18Н12Т

При эксплуатации паровых котлов электрических станций, работающих при высоких параметрах, температуре 550—565° С и давлении 140— 170 ата, наблюдались хрупкие разрушения паро­ перегревателей и других элементов труб, изготовленных из стали 1Х18Н12Т [120, 163, 164].

Разрушения представляли собой сквозные трещины, располо­ женные параллельно образующей на выпуклой части гиба (рис. 47, а)\ на этих участках трубы имелись эллиптичность и утонение растяну­ той части стенки. В некоторых слу­ чаях наблюдалось также образование сквозных трещин, расположенных под углом 45° к оси трубы на вогну­ той части гиба (рис. 47, б).

Выявленный при микроструктурном анализе характер разрушения (хрупкий, межзеренный, с образова­ нием трещин в зависимости от усло­ вий работы металла с наружной или внутренней стороны стенки трубы) показал, что повреждения являются результатом действия в условиях высокой температуры не учитывае­

мых расчетом статических напряжений. Такого рода усилия могут возникать в трубах вследствие неравномерного прогрева смежных участков змеевика; эти напряжения вызывают некоторую дефор­ мацию гиба с изменением его радиуса или его скручивание. Из­ менение радиуса гиба приводит к увеличению эллиптичности трубы — изгибу ее стенок, появлению высоких тангенциальных напряжений, которые при низкой пластичности материала могут вызывать разрушение по образующей. При скручивании в стенке гиба возникают растягивающие напряжения, действующие под углом 45° к оси трубы и приводящие к образованию трещин, также расположенных под углом 45°

Такого типа повреждения возможны только в том случае, если деформационная способность металла труб в условиях длительной работы при высоких температурах очень низка. Как следует из вышеизложенного, одной из причин, снижающих пластичность стали 1Х18Н12Т, мог явиться наклеп в местах гиба, полученный

металлом при изготовлении змеевика и не снятый последующей термической обработкой.

Обычные методы испытаний (сплющивание колец, вырезанных из прямых и гнутых участков труб, или сопоставление металла этих участков по твердости и структуре) не дают ответа, в какой степени металл при гибе снизил длительную пластичность.

Для разрешения вопроса о влиянии на деформационную спо­ собность металла труб паровых котлов применительно к условиям их работы наклепа, полученного при изготовлении труб гибом, ЦКТИ была разработана соответствующая методика. Малая тол-

щина стенок труб и крутизны гиба змеевиков пароперегревателей лишали возможности изготовить нормальные образцы с необходи­ мой расчетной длиной, поэтому испытания проводили на кольцевых образцах высотой 15 мм. При такой форме образцов сохранялась поверхность труб в том виде, в каком она существовала в паропере­ гревателе (сохранялись риски, царапины и т. д.). Была выбрана температура испытания 650° С как близкая к рабочей и в то же время обеспечивающая межзеренное разрушение при средней ско­ рости деформации 0,3%!ч.

Кольцевые образцы подвергали растяжению в приспособлении, показанном на рис. 48. При таком испытании происходит изгиб боковых стенок образца; материал на внутренней поверхности находится под действием растягивающих сил, верхняя и нижняя части кольца изгибаются вокруг оправки, при этом наибольшую деформацию растяжения претерпевают наружные волокна. Де­ формацию изгиба боковых стенок образца при растяжении рассчи­ тывали на основании обмера образцов на инструментальном микро­ скопе до и после испытания и последующего графического опре­

деления кривизны стенки кольца в месте образования трещины или измерением кривизны стенки специальными радиусными шабло­ нами.

Так как при полном выпрямлении стенок кольца длина вну­ треннего волокна становится равной длине волокна у нейтральной поверхности, то удлинение его при этом составит

где RB.п — соответственно радиус внутренней поверхности; ^нейтр — радиус среднего по толщине стенки кольца во­

локна.

Так как разрушение происходит на различных стадиях выпрям­ ления, деформацию до образования трещины на боковой поверх­ ности образца рассчитывают по формуле

А— толщина стенки кольца.

Втех случаях, когда разрушение происходит на наружной поверхности трубчатого образца в местах изгиба на оправках приспособления (см. рис. 48), относительное удлинение определяют из соотношения

руется диаграммным механизмом. Испытания проводят до обра­ зования трещины, появление которой фиксируется по резкому снижению нагрузки на диаграмме. В тех случаях, когда пластич­ ность металла достаточно велика, испытания проводят до полного ныпрямления боковых стенок кольца, при этом переход от изгиба стенок кольца к растяжению устанавливают по диаграмме — по резкому повышению нагрузки.

На рис. 49 приведена диаграмма усилие — деформация при испытании кольцевых образцов. Наклепанный металл гиба разру­ шается при малой пластической деформации. Кратковременная