книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА,

ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

ВЛИЯНИЕ НА ДЕФОРМАЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛА

ОДНОВРЕМЕННО НЕСКОЛЬКИХ ФАКТОРОВ

Из практики известны случаи, когда при линейном напряжен­ ном состоянии полноценные, по данным обычных контрольных испытаний, металлы в определенных условиях по температуре и скорости деформации (или времени работы) разрушаются при пониженной пластической деформации. При деформации растя­ жением с малыми скоростями относительное удлинение у ряда сталей и сплавов уменьшается до величин, измеряемых несколь­ кими процентами, а иногда и долями процента. Некоторые допол­ нительные факторы (гл. III—VII) могут в несколько, а иногда и в несколько десятков раз понизить деформационную способность стали. В первом приближении совместное действие факторов, вызывающих снижение деформационной способности, может быть представлено как произведение влияния каждого из них в отдель­ ности. Если при раздельном действии относительное удлинение при разрушении снижается до половины исходного, то совмест­ ное влияние двух факторов вызовет четырехкратное уменьшение пластичности.

На рис. 80 показано изменение относительного удлинения стали 1Х18Н9Т с температурой (скорость деформации 0,8%/н). При температурах максимального проявления склонности к хрупким разрушениям (600—700° С), вырезка образцов в поперечном по отношению к прокатке направлении дополнительно снижает удли­ нение на 30% (гл. V), наклеп на 70% (гл. IV), наличие концен­ тратора на 60—70% (гл. III). Совместное действие указанных фак­ торов вызывает уменьшение относительного удлинения в 15 и более раз. Если учесть, что для данной стали при снижении ско­ рости деформации на четыре порядка можно ожидать уменьшения пластичности еще в десять раз, то общее снижение деформацион­ ной способности металла будет более чем стократным. При этом

следует иметь в виду, что в данном случае учитываются действия не всех факторов, способствующих снижению пластичности стали, как например величина зерна, выделения второй фазы (гл. V) жесткость напряженного состоя­

ния (гл. III), масштаб (гл. V) и т. д.

Приведенный на рис. 80 при­ мер наглядно иллюстрирует огромное значение дополни­ тельных факторов, которые почти не учитывают на прак­ тике. Неблагоприятное их соче­ тание может превратить каче­ ственную сталь в неработоспо­ собный хрупкий металл. Для металлов с деформационной способностью более низкой, чем у стали 1X18Н9Т, а к таким

ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

В настоящее время из существующих жаропрочных металлов на железной или никелевой основе для температур выше 500° С не могут быть названы такие, которые при всех возможных усло­ виях работы не проявляли бы в какой-то мере склонности к хруп­ ким разрушениям. Склонность к хрупким разрушениям и в то же время неизбежность пластической деформации ползучести в усло­ виях работы при высоких температурах ставят перед металло­ ведами задачу по усовершенствованию методов оценки работо­ способности материалов.

Из изложенного выше (гл. I) следует, что изменение длительной прочности жаропрочных металлов во времени в значительной степени определяется интенсивностью развития межзеренного разрушения, обусловливающего падение пластичности. В степен­ ной функции зависимости времени до разрушения от напряжения

(1) показатель степени т изменяется от величины п при внутризеренном разрушении до п (1— k) при проявлении элементов межзеренного излома. Величина k характеризует интенсивность падения деформационной способности металла с понижением скорости ползучести [уравнение (6), гл. I и II]. Зная величину k для исследуемых металлов, можно более правильно оценить дли­ тельную прочность стали в условиях продолжительной работы, осуществляемую обычно путем экстраполяции испытаний с огра­ ниченным сроком.

Из вышеизложенного следует, что для полноценного сужде­ ния о работоспособности жаропрочных металлов необходимо знать их деформационную способность.

Контролю на деформационную способность, направленному на предотвращение хрупких разрушений вследствие хладноломко­ сти, подвергают почти все металлы (в том числе и жаропрочные): в случаях линейного напряженного состояния определяют отно­ сительное удлинение, а для условий, при которых действует кон­ центратор напряжения, проводят испытания на удар образца с над: резом.

Применительно к длительной работе при высоких темпера­ турах, при которых опасность от хрупких разрушений не меньше, чем при явлении хладноломкости, во многих случаях узаконенный, обоснованный критерий оценки деформационной способности отсутствует. Данные о деформационной способности жаропрочного металла могут быть получены в результате испыта­ ний на длительную прочность и путем применения испытаний с по­ стоянными скоростями деформации; последний способ позволяет получить необходимые характеристики в значительно более ко­ роткий срок и с меньшими трудовыми затратами.

Наиболее полноценно пластичность материала характери­ зует диаграмма деформационной способности (см. рис. 23), она дает представление об интенсивности снижения пластичности с уменьшением скорости ползучести и увеличением срока работы и о величинах минимальной деформации, при которой происходит разрушение во время простого растяжения. С помощью предла­ гаемых диаграмм деформационной способности (гл. II) можно провести сопоставление свойств различных металлов и получить представление о предельной допустимой деформации ползучести при растяжении. Но далеко не всегда можно получить диаграмму, так как и в случае применения метода испытаний с постоянной скоростью необходимо проведение широкого эксперимента. По­ этому в целях контроля и получения сравнительных результатов

для какой-то определенной температуры объем испытаний можно

собности металлов облегчается тем, что величина k в уравнении

(6) изменяется в относительно узких пределах. Такую сравнитель­ ную оценку пластичности применяют при выборе оптимальных составов сплавов, разработке режимов термической обработки и т. д.

Такой же упрощенный метод оценки может быть применен при установлении оптимального режима технологии производства стали и при контрольных испытаниях по установленной техно­

ществить испытанием образцов ность металлов А и Б по данным испытаний при постоянных скоро­

со спиральным надрезом (см. стях деформации (схема) гл. III). При испытаниях по первому

и по второму методам металл, прилегающий к надрезу, находится под действием высоких нормальных напряжений, возникающих в результате их концентрации, и объемного напряженного состоя­ ния всестороннего растяжения; в обоих случаях металл претер­ певает пластическую деформацию, несмотря на высокий предел упругого сопротивления упрочненной зоны. И в том и в другом случае наблюдается сосредоточение пластической деформации у надреза. Однако следует отметить, что форма образца Менаже при изгибе обусловливает создание в металле большей жесткости напряженного состояния, чем при растяжении образца со спираль­ ным надрезом принятой формы.

На рис. 82 приведены данные испытаний двух плавок стали 12Х1МФ с различнной ударной вязкостью. Критический интер­ вал хладноломкости для гладких образцов при растяжении лежит

шения температуры. Применение ударного изгиба на образце Менаже дополнительно сдвигает критическую температуру в том же направлении еще на 80° Смещение критического интервала хладноломкости для металлов двух различных плавок как при спиральном надрезе, так и при ударном изгибе составляло 70— 80° С.

будут также вызывать понижение деформационной способности при действии концентратора в условиях высоких температур. К таким факторам относятся: величина зерна, включения, де­ фекты и пр. Последнее соображение, а также то обстоятельство, что металл при изготовлении детали или в процессе ее эксплуата­ ции может подвергаться действию напряжений, вызывающих перегрузки и пластическую деформацию при низких температу­ рах, не позволяют отказаться от контроля ударной вязкости жа­ ропрочных металлов. В данном случае можно говорить не об отмене этого вида испытания, а об его замене другим, в большей степени учитывающим условия работы металла.

Применяя для оценки чувствительности жаропрочных сталей и сплавов к концентратору испытания на образцах со спиральным надрезом, следует помнить, что описанный выше тип образца предназначен в основном для сравнительной оценки материалов. Создание условий испытаний, полностью отражающих рабочие, для конкретной детали, как по степени жесткости напряженного состояния, так и по концентрации напряжения, является само­ стоятельной задачей.

Как показывают приведенные в гл. III данные, практически у всех металлов в присутствии концентратора относительное удли­ нение при разрушении сильно снижается; из этого следует, что для изделий с выточками, галтелями и т. д. допустимые деформа­ ции ползучести должны быть в несколько раз ниже, чем для из­ делий более правильной формы.

Имеющиеся данные показывают, что уровень суммарной пла­ стической деформации для аустенитных сталей в условиях высо­ ких температур и при наличии концентраторов не должен пре­ восходить десятых долей процента, т. е. необходимо строгое огра­ ничение общей деформации ползучести. Так, например, для сплава на хромоникель-кобальтовой основе (см. гл. III) при наличии концентратора и работе в течение длительного времени скорость ползучести не должна превышать 0,2—0 ,3 -10”5 %/ч, чтобы в те­ чение всего срока службы суммарные деформации не превышали 0,4%.

Еще меньшая деформация, около 0,2% для определенного температурного интервала, допустима для стали 4Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) (см. рис. 40). Металл с большим запасом деформацион­ ной способности, например перлитная сталь 12Х1МФ, допускает и в присутствии концентратора деформацию более одного про­ цента.

В связи с малой изменяемостью коэффициента чувствитель­ ности к спиральному надрезу по деформационной способности с изменением скорости деформации или времени до разрушения (табл. 11 и 12) для технических расчетов значение коэффици­ ента /СЧбт, учитывающего условие работы металла в детали, в пер­ вом приближении может быть принято постоянным. Тогда отно­

сительное удлинение при действии концентратора может быть определено из выражения

Снижение деформационной способности в результате действия концентратора может быть приближенно учтено в расчетах на прочность путем введения поправки в величину предела длитель­

шения и напряжение (1).

Величины поправок к пределу длительной прочности, учиты­

Чем выше чувствительность к действию фактора, понижаю­ щего деформационную способность, тем заметнее снижается пре­ дел длительной прочности стали. Влияние факторов, обусловли­ вающих повышение уровня нормальных напряжений, тем зна­ чительнее, чем меньше показатель степени m в уравнении (1). Поскольку величина m понижается с температурой, одинаковая чувствительность к концентратору снижает предел длитель­ ной прочности в большей степени при максимальной темпера­ туре.

Полученные значения поправок близки к значениям чувстви­ тельности по прочности в опытах на образцах со спиральным надрезом как при испытаниях на длительную прочность, так и при испытаниях с постоянной скоростью деформации (см. табл. 12).

По аналогии приближенно может быть учтено влияние и таких факторов, как анизотропия свойств, масштаба, наличия сварного шва и др., путем подстановки в выражение (32) соответствующих

коэффициентов, учитывающих чувствительность к определенному фактору.

Все вышеуказанные предложения требуют уточнения как в от­ ношении количественных величин чувствительности, так и в части выяснения вопроса правильности прогноза чувствительности на большие сроки работы. Но, по-видимому, используя вышеизло­ женные рекомендации по учету действия концентратора, мы ори­ ентируемся на худший вариант, так как можно предполагать, что с увеличением времени, особенно для верхнего диапазона тем­ ператур, можно ожидать некоторого снижения чувствительности к концентратору напряжения.

НЕОБХОДИМЫЙ УРОВЕНЬ ДЕФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Пластичность является неотъемлемым свойством металличе­ ских конструкционных материалов. Способность к ликвидации местных перенапряжений путем релаксации, без опасности хруп­ ких разрушений, обеспечила металлам доминирующее положение в технике.

Выработанные в настоящее время методы расчета на прочность,

втом числе и применительно к работе при высоких температурах, базируются на определении величин действующих напряжений, усредненных для различных зон детали. При этом предполагается, как нечто само собою разумеющееся, что металл имеет необходи­ мый минимум деформационной способности. Данный принцип, безусловно правильный для широкого диапазона условий работы материалов, все же не может гарантировать отсутствие повре­ ждений в случаях резкого проявления склонности к хрупким разрушениям, при которых пластичность стали снижается до уровня, близкого к тому, который необходим для выравнивания возникших в детали местных напряжений. Опасность столь зна­ чительного падения пластичности возникает при проявлении хлад­ ноломкости и при интенсивном развитии межзеренного разрушения

вусловиях высоких температур (см. рис. 78).

Понижение пластичности вследствие деформационного старе­ ния у жаропрочных сталей, как уже отмечалось выше, происхо­ дит в значительно меньшей степени.

В то же время из практики работы деталей энергооборудова­ ния известно, что уровень претерпеваемых ими пластических деформаций значительно выше расчетных. Металл подвергается действию неучитываемых напряжений. Так, например, в систе­ мах с малой жесткостью и большим запасом упругой энергии, в змеевиках пароперегревателей, в паропроводах, фланцевых со­ единениях, крупногабаритных литых и кованых деталях паровпуска арматуры и т. д. возможно значительное превышение мест­ ной деформации ползучести против расчетной благодаря нерав­

номерному ее распределению. Местным сосредоточением деформа­ ции в значительной мере следует объяснить разрушения болтов из перлитных сталей, змеевиков пароперегревателей из аустенит­ ных сталей, появления трещин при термической обработке со­ судов и трубных систем из аустенитных сталей и т. д.

Причиной хрупких разрушений жаропрочных металлов не всегда является снижение пластичности во времени, измеряемое многолетней службой; часто возникающие повреждения являются следствием относительно кратковременных перегрузок, длитель­ ность действия которых измеряется часами или сотнями часов. Такие перегрузки возникают главным образом в результате дей­ ствия термических напряжений.

В некоторых случаях решающее значение имеет поведение ме­ талла при температурах, значительно превышающих эксплуата­ ционные, например при ковке, сварке, термической обработке, при кратковременных нагревах в котлах, при задевании вращаю­ щихся частей турбин и т. д. Недостаточная деформационная способность металла при этих условиях приводит к появлению межзеренных надрывов, в дальнейшем развивающихся в макро­ трещины.

Таким образом, с учетом условий работы и технологии изго­ товления детали к одному и тому же металлу могут быть предъяв­ лены требования по деформационной способности для различных температурных интервалов и скоростей деформации или перио­ дов работы.

Сведений как о деформационной способности успешно рабо­ тающих металлов, так и в отношении деформации ползучести, фактически существующей в условиях эксплуатации, еще недо­ статочно для создания каких-либо норм по пластичности для опре­ деленных условий работы стали. В настоящее время по указан­ ному выше вопросу могут быть высказаны лишь общие сообра­ жения.

Опыт эксплуатации жаропрочных металлов показывает, что наиболее высокие требования по деформационной способности из применяемых в энергопромышленности металлов следует предъ­ являть сталям, из которых изготовляют трубы пароперегрева­ телей и паропроводов. В данном случае металл должен допускать деформацию ползучести от внутреннего давления как основной, учитываемой расчетом, так и дополнительной в случае отклоне­ ния формы сечения трубы от правильного круга (эллиптичность) и изгиба в результате теплового расширения элементов конструк­ ции. Поскольку такого рода системы, как правило, имеют боль­ шой запас упругой энергии, то возможно сосредоточение пласти­ ческой деформации на отдельных участках.

В работе А. А. Захарова и А. А. Иванова [134] было показано, что предел длительной прочности гибов труб из стали 12Х1МФ в значительной степени определяется формой их сечения (началь­

но

ной овализации). Искажение формы трубы происходит в процессе изготовления гибов. Так, на гибах труб 32 x 4 мм при овализации 10— 12% наблюдалось снижение предела длительной прочности на 7%, а при 25% — на 30%. Настолько значительное изменение прочности в зависимости от искажения сечения можно объяснить тем, что в процессе работы при высоких температурах под внутрен­ ним давлением труба стремится принять форму правильного круга. Для такого изменения необходима значительная пластическая де­ формация. В тех случаях, когда деформационная способность ме­ талла мала, ресурс пластичности исчерпывается в процессе изме­ нения формы трубы; в результате этого и происходит прежде­ временное разрушение. Влияние овализации практически отсут­ ствует в случае металла с высокой деформационной способностью. Так, для гибов из стали 12Х1МФ после отпуска при 720—740° С, когда металл приобретает высокую пластичность (более 15%), увеличение искажения формы сечения трубы не влияет на предел длительной прочности гиба.

О минимальной деформационной способности металлов, пред­ назначенных для изготовления трубных элементов, в первом при­ ближении можно судить на основании следующих данных: известно, что трубы из стали 1Х18Н9Т или 1Х18Н12Т успешно работают в пароперегревателях паровых котлов в случае метал­ лов с удовлетворительной структурой (отсутствие наклепа, ве­ личина зерна 4—5 баллов), т. е. когда деформационная способ­ ность металла при длительной и кратковременной работе нахо­ дится на уровне, присущем данному типу стали в аустенизированном состоянии (гл. II). В то же время наблюдается большое ко­ личество хрупких разрушений труб из тех же сталей в результате действия наклепа и неудовлетворительной термической обработки (см. гл. IV), после сварки (см. гл. VI), при наличии концентрато­ ров (см. гл. Ill, IV, V), т. е. в тех случаях, когда деформацион­ ная способность стали при длительных сроках работы составляет доли процента, а при кратковременных перегрузках равна 0,5—2%.

На основании изложенного можно сделать предварительное заключение, что минимальные деформационные способности труб­ ных металлов применительно к длительным срокам их службы при условии действия возможных концентраторов или в случае сварных соединений не должны быть ниже 1—2%, а в период относительно кратковременных перегрузок — от 10 до 100 ч (v = 1-н0,1 %/ч) не ниже 8— 10%.

С помощью формул (28), (29) можно оценить величину пласти­ ческой деформации, которую должен претерпеть металл труб пароперегревателей в результате действия внутреннего давления, для исправления эллиптичности, допускаемой в настоящее время в котлах; эта величина для различных размеров труб составляет несколько процентов.