книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

когерентная связь между различными фазами. На развитие по­ вреждений на границах зерен влияют состав сплава [56] и наличие растягивающего напряжения, заметно повышающего скорость самодиффузии и гетеродиффузии [56, 57]. Аналогичные явления были обнаружены при действии сжимающих напряжений [54].

Другим решающим фактором, обусловливающим зарождение и развитие трещин, является деформация. Как уже говорилось выше, необходимым условием для зарождения межзеренных тре­ щин является скольжение по границам зерен. Кроме того, в про­ цессе деформации вследствие пересечения дислокаций происходит генерация вакансий [8, 9, 59—61 ].

Таким образом, в результате пластической деформации появ­ ляются несплошности на границах зерен, повышается концентра­ ция вакансий и интенсифицируется диффузионная подвижность атомов на пограничных участках [62, 49]. Поскольку степень повреждения материала с увеличением времени его работы при высоких температурах возрастает, в большинстве случаев имеется общая тенденция к снижению деформационной способности металла с увеличением срока службы. Повышение склонности к хрупким разрушениям с течением времени подтверждается практикой.

В результате исследований механизма высокотемпературного разрушения было предложено уравнение для зависимости напря­ жения (а) — время до разрушения (т). Так базируясь на пред­ ставлениях о накоплений во времени повреждаемости металла при ползучести, И. А. Одинг с сотрудниками [9] предложили экспо­ ненциальную зависимость, при выводе которой приняли, что ско­ рость коагуляции и осаждение вакансий прямо пропорциональны скорости ползучести и времени. Экспоненциальная зависимость, связывающая время до разрушения и напряжение, была получена и С. Н. Журковым с сотрудниками [62, 63]. Были найдены зависи­ мости длительной прочности металлов от температуры [64, 23], однако при подробном анализе выяснилось, что они справедливы только для ограниченного диапазона температур вследствие недо­ статочного учета таких факторов, как напряжение и изменение ме­ ханизма разрушения с температурой [65, 66].

При исследовании длительной прочности конструкционных металлов в настоящее время широко пользуются эмпирической зависимостью между временем до разрушения и напряжением, имеющей вид степенной функции

о— напряжение;

Аи т — постоянные.

На логарифмическом графике эта функция выражается прямой. Имеющиеся многочисленные опытные данные по длительной проч­

ности различных жаропрочных металлов удовлетворительно опи­ сываются уравнением (1).

Развитие межзеренного разрушения с течением времени до разрыва изменяет характер кривых ползучести: кривые дефор­ мация — время меняют свой вид; третий период ползучести,

для которого характерно резкое нарастание относительного удли­ нения, сокращается, а во многих случаях практически отсутствует (рис. 1, а).

Возникновение межзеренного разрушения, вызывающего уменьшение времени до разрыва, обусловливает появление излома прямой на логарифмическом графике (рис. 1, б). Таким образом,

Рис. 1. Влияние внутризеренного (/) и межзерен­ ного (//) разрушения на вид кривых ползучести (а)

ина зависимость от—т (б) (схема):

а— напряжение; т — время до разрушения. Характер разрушения: / — внутрнзереннос; I I — межзсренное

зависимость напряжение — время до разрушения изображается двумя участками: I — внутризеренное разрушение, соответству­ ющее кратковременным испытаниям, и II — межзеренное разру­ шение, отвечающее длительным испытаниям. Каждому из участков соответствуют определенные значения А и т в уравнении (1). Значение т при межзеренном разрушении меньше, чем при внутризеренном.

Несмотря на значительные успехи в области исследования ме­ ханизма разрушения металлов при высоких температурах, кри­ терии оценки длительной прочности и длительной пластичности жаропрочных металлов применительно к длительным срокам службы требуют дальнейшего совершенствования.

Наиболее сложной является проблема экстраполяции резуль­ татов испытаний на длительный разрыв при появлении склонности к хрупким разрушениям. Чрезвычайно сильный разброс в значе­ ниях относительного удлинения и ограничение времени испытаний несколькими тысячами часов создают трудности при определении зависимости изменений деформации ползучести, предшествующей разрушению, от какого-либо интересующего параметра. При об­ щей тенденции снижения пластичности с течением времени при

работе в условиях высоких температур незначительное различие в свойствах материала сказывается более всего на величине отно­ сительного удлинения.

ИЗМЕНЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ПОЛЗУЧЕСТИ

Из данных испытаний на длительную прочность различных сталей следует, что между средней скоростью ползучести и отно­ сительным удлинением при разрушении существует определенная зависимость. Средняя скорость ползучести (цср) связана с относи­ тельным удлинением (бр) и временем до разрушения (т) следую­ щими соотношениями:

При испытаниях на длительную прочность изменение средней скорости ползучести уср в зависимости от приложенного напряже­ ния (о) аналогично изменению минимальной скорости ползучести (имин), а именно:

В большинстве случаев значения пх для средней скорости ползучести в уравнении (5) и п для минимальной в уравнении (4) близки (табл. 1).

На логарифмическом графике прямые, характеризующие из­ менение скорости ползучести в зависимости от приложенного на­ пряжения для обеих функций, фактически параллельны (рис. 2). Последнее обстоятельство особенно справедливо тогда, когда с уве­ личением длительности работы металл разрушается при малом' относительном удлинении. Тогда третий период ползучести, для которого характерно резкое возрастание скорости деформации перед разрывом, отсутствует (см. рис. 1, а) и величина средней скорости ползучести близка к минимальной.

На рис. 3 представлена зависимость относительного удлинения при разрушении от средней скорости ползучести для сплава ХН80Т (ЭИ437). Испытания проводили на нескольких плавках сплава при температурах 630 и 700° С. Скорости деформации изме­ няли от ЫО-4 до 180%/ч. Для каждой температуры испытания экспериментальные точки на графике лежат в определенной зоне. При 630° С данные кратковременных испытаний, проводившихся при скорости деформации 180%1ч, выходят за пределы указанной

зоны, т. е. в данном случае скорость испытания выше скорости, при которой происходит интенсивное снижение деформационной способности материала. При 700° С наблюдается тенденция к ста­ билизации относительного удлинения при разрыве на уровне около 0,2%.

|

^400(40)

^200(20)

^100(10)

Рис. 2. Зависимость средней (иср) и минимальной (им„н) скорости ползучести от напряжения а для стали ЭИ415 при 550° С (сплош­

ная линия) и стали ЭИ395 при 700° С (пунктирная линия):

3 - *M,I H: *• 4 - ”ср

Для всех испытаний, за исключением кратковременного раз­ рыва при скорости 180%/ч, характерно наличие элементов межзеренного разрушения. Межзеренные трещины с понижением ско-. рости деформирования получают большее развитие.

Рис. 3. Зависимость относительного удлинения 6р сплава ЭИ437 от средней скорости ползучести оср:

1, 2 — 630° С; 3, 4 — 700° С

Аналогичная зависимость получена и для некоторых других сталей и сплавов. Чтобы сопоставить деформационную способ­ ность различных материалов, на графиках относительное удли­ нение — средняя скорость ползучести проведены линии, соот­ ветствующие среднему значению относительного удлинения.

в пределах 0—0,35. При отсутствии падения пластичности с умень­ шением скорости ползучести или при малой интенсивности ее снижения k близко к нулю.

Таким образом, на основании данных испытаний на длитель­

ностью к хрупким разрушениям значительный разброс в величи­ нах относительного удлинения не позволяет вывести какой-либо четкой закономерности, — можно говорить лишь о тенденции влияния этого фактора. В большинстве случаев с повышением температуры интервал скорости деформации, в котором снижается пластичность, смещается в сторону больших скоростей ползу­ чести.

Из рис. 3 видно, что повышение температуры с 630 и 700° С вызвало смещение этого интервала более чем на один порядок. Переход от 600 до 650° С для сталей ЗХ19Н9ТМВБТ (ЭИ572), 1Х18Н9Т, ХН35ВТ (ЭИ612) также смещает интервал снижения пластичности по скорости.

ром они достигаются, приведены в табл. 3. Аналогичные данные были получены Бейли для хромоникелевых аустенитных сталей 18% Сг; 12% Ni + Nb [69].

Т А Б Л И Ц А 3

Минимальное относительное удлинение 6р углеродистой и некоторых низколегированных сталей [67, с. 4]

* т — время, в течение которого достигается минимальное относительное удли­ нение.

Н. Е. Карский [70], применивший параметрическую зависи­ мость Ларсона и Миллера [64] для установления закономерности изменения пластичности во времени, также получил зависимость, по которой минимальное относительное удлинение и время до про­ явления минимальной пластической деформации определяются рабочей температурой. Найденные по данной зависимости вели­ чины минимального относительного удлинения для хромомолибде­ новой стали 12ХМ составили при 480—510° С — 0,8%, при 540° С — 1,2% и при 600° G — 3%.

На основании многочисленных экспериментальных данных можно заключить, что изменение пластичности во времени может быть оценено так же и для высоколегированных аустенитных сталей и сплавов, проявляющих значительно большую склонность к хрупким разрушениям, чем углеродистая и низколегированные перлитные стали.

На рис. 6 показано изменение относительного удлинения сплава ХН80ТЗ (ЭИ437) в зависимости от времени. Экспериментальные точки, несмотря на значительный разброс, укладываются в опре­ деленную зону, которая может быть ограничена двумя прямыми. Сопоставляя рис. 3 и 6, видим, что относительное удлинение с уве­ личением времени и уменьшением средней скорости ползучести изменяется одинаково; в обоих 'случаях существуют интервалы времени или скорости ползучести, в которых разрушение сопро­ вождается значительной пластической деформацией, и интервал интенсивного снижения пластичности, за которым наблюдается стабилизация минимального относительного удлинения или его рост. Используя зависимость (6) для интервала снижения деформа­ ционной способности и подставляя значение последней

получим:

т. е. в данном интервале зависимость между временем до раз­ рушения и относительным удлинением также может быть выра­ жена степенной функцией (8). Величина коэффициента р для пер­ литных, хромоникелевых сталей и аустенитных сплавов составляет 0—0,5.

Следует отметить, что построение зависимости пластичность — время до разрушения для материалов, склонных к хрупким раз­ рушениям, более затруднительно (из-за большого разброса зна­ чений бр), чем зависимости пластичность — средняя скорость ползучести. Последнее обстоятельство лишает возможности найти зависимости удлинение — время при ограниченном числе испыта­ ний.