книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов
..pdfности к хрупким разрушениям при развитии высокотемператур ного межзеренного разрушения (гл. I и II).
Аналогично схеме рис. 72, б изменяется с температурой удар ная вязкость ферритных сталей [1, 22] и пластический прогиб при изгибе надрезанного образца [1, 89].
Такого же типа зависимости деформационная способность — температура могут быть построены и для аустенитных сталей, но для них склонность к хрупким разрушениям на первом и вто
|
|
|
|
ром этапах |
проявляется |
в несоизме |
||||||||
|
|
|
|
римо меньшей степени; в то же время |
||||||||||
|
|
|
|
на третьем этапе, вызванном высоко |
||||||||||
|
|
|
|
температурным межзеренным разру |
||||||||||
|
|
|
|
шением, |
хрупкость |
выявляется |
зна |
|||||||
|
|
|
|
чительно |
более резко, чем у перлит |
|||||||||
|
|
|
|
ных сталей. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Повторяющееся проявлениесклон- |
|||||||||
|
|
|
|
ности |
к хрупким разрушениям с по |
|||||||||
|
в / ( |
Е |
Ж |
вышением температуры |
наблюдается |
|||||||||
|
Хладно Синелом |
|
также |
и |
у |
цветных |
металлов: меди |
|||||||
|
|
[130], медноникелевых сплавов [186] |
||||||||||||
<3* |
поит ь |
кость |
\ г |
|||||||||||
А |
\ j |
и др. |
|
рассматривать |
снижение |
|||||||||
|
\ J |
|
Если |
|||||||||||
|
и |
|
|
деформационной |
способности |
мате |
||||||||
|
|
Температура |
риала как результат перехода к ла |
|||||||||||
|
|
|
|
винному разрушению на более ран |
||||||||||
Рис. |
72. Изменение |
относитель |
ней стадии деформации, то появле |
|||||||||||
ного удлинения перлитной стали |
ние или |
исчезновение |
склонности |
|||||||||||
|
с температурой |
(схема): |
к |
хрупким |
разрушениям |
по |
мере |
|||||||
а — предела |
упругого сопротивле |
|||||||||||||
изменения температуры можно объяс |
||||||||||||||
ния; |
б —относительного удлинения |
|||||||||||||
при |
разрушении; / |
— хладнолом |
нить |
возникновением |
в |
металле, |
||||||||
кость; I I — деформационное старе |
||||||||||||||
ние |
(синеломкость); I I I — высоко |
в |
определенных |
условиях, |
деформа |
|||||||||
температурная хрупкость при меж- |
ции, |
нормальных |
напряжений, по |
|||||||||||
|
зеренном разрушении |
|||||||||||||
|
|
|
|
своему |
уровню |
приближающихся |
||||||||
|
|
|
|
к сопротивлению отрыву. |
|
|
||||||||
|
При низких температурах, |
при |
которых металл имеет макси |
мальный предел упругого сопротивления (рис. 72, а), появление первых дефектов (отрыва по плоскости куба а-решетки) в зернах ферритоперлитных сталей резко повышает уровень локальных нормальных напряжений. В результате разрушение происходит при ничтожно малых деформациях. Повышение температуры обу словливает снижение сгт и <тп металла. Для создания уровня нор мальныхнапряжений, необходимого для разрушения, степень поврежденности металла в данном случае должна быть больше, и разрушение наступает уже при значительной пластической де формации.
На втором этапе склонность к хрупким разрушениям прояв ляется в результате повышения предела упругого сопротивления
172
металла вследствие деформационного старения (см. рис. 72, а) для сталей 12Х1МФ, 1Х12В2НМФ (ЭИ802) (см. рис. 15).
Минимумы на кривых изменения пластичности в данных слу чаях выражены слабо, так как для создания нормальных напря жений, близких к сопротивлению отрыву, необходима значитель ная степень повреждения. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению эффекта деформационного старения, а также к интенсификации релаксационных процессов на пере напряженных участках; разрушение металла с ростом темпера туры осуществляется при большей пластической деформации.
Изменение пластичности на третьем этапе — проявление склон ности к хрупким разрушениям, обусловленное интенсивным раз витием межзеренных трещин, — подробно описано в гл. I и II. Снижение деформационной способности — нисходящая ветвь V- образной кривой (см. рис. 12) — является следствием возникнове ния и быстрого роста неоднородности в величинах нормальных на пряжений при проявлении межзеренных трещин. Повышение пластичности с температурой — восходящая ветвь — может быть объяснено понижением местных напряжений в результате ин тенсивной релаксации местных напряжений на участках, приле гающих к возникшим трещинам.
Четвертый этап — понижение пластичности — связан с на чалом процесса плавления.
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СМЕЩЕНИЕ КРИВОЙ, ИЗОБРАЖАЮЩЕЙ ИЗМЕНЕНИЕ
ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРОЙ
Скорость деформации
На рис. 73, а схематически показано изменение предела упру гого сопротивления материала и относительного удлинения в слу чае испытаний при двух различных скоростях деформации. Пони жение скорости деформации на всех трех этапах вызывает смещение кривой по температурной шкале в направлении понижения тем пературы (рис. 73, б), что обусловливает проявление склонности к хрупким разрушениям в этих условиях при относительно мень ших температурах. Подобное влияние скорости деформации для низких температур вытекает из исследований хладноломкости металлов [78, 131]. О влиянии скорости деформации на втором этапе — синеломкости можно судить на основании ряда исследо ваний [1, 80, 84], а также на основании результатов, показанных на рис. 15.
Для третьего этапа в гл. II приводятся данные испытаний боль шого количества материалов, подтверждающие схему рис. 73, б.
Если предположить, что изменение относительного удлинения в зависимости от скорости деформации может быть выражено
степенной функцией, аналогичной уравнению, приведенному в гл. I и II для третьего этапа изменения пластичности с темпе ратурой, то направление и интенсивность изменения пластично сти в зависимости от скорости деформации или времени могут быть охарактеризованы коэффициентом k (6) и р (8).
Изменение Ли р для различных этапов схематически показано на рис. 73, б. При понижении относительного удлинения с умень-
Рис. 73. Изменение |
относительного |
Рис. 74. Изменение коэффициента к |
|||
удлинения |
стали |
с температурой |
уравнения |
(6) |
при проявлении |
при различных скоростях деформа |
склонности |
к |
хрупким разруше |
||
|
ции (схема): |
ниям вследствие деформационного |
|||
а — изменение предела упругого сопро |
|
старения: |
|||
тивления; |
б — изменение относитель |
/-12Х1МФ; 2 — 1X12В2НМФ (ЭИ802). |
|||
ного удлинения; в — изменение коэф |
Диапазон скоростей деформации от 0,8 |
||||
фициентов |
k и р в уравнениях (6) и (8) |
|
до 8-10~2 %/ч |
||
|
|
|
|
некоторых сталей может быть проиллюстрировано графиками рис. 74 для второго этапа (проявление склонности к хрупким разрушениям перлитных сталей) и рис. 17 для третьего этапа.
Если рассматривать изменение деформационной способности стали в зависимости от температуры для более широкого диапа зона скоростей деформации, то направления этих изменений и их интенсивность могут быть пояснены с помощью схемы рис. 75. В соответствии с условиями испытания и смещения по шкале тем ператур кривых изменения относительного удлинения для разных скоростей деформации возможно получение различных видов за висимости пластичность—скорость деформации. В определенном диапазоне скоростей деформации (или времени до разрушения),
для которых экспериментально определяется кинетика изменения пластичности, получаем участки общей кривой изменения отно сительного удлинения, которые, так же как и зависимость удли нение—температура, имеют несколько минимумов и максимумов. Такого рода изменение (отклонение от степенной функции) можно видеть на многих графиках: логарифм относительного удлинения—
Рис. 75. |
Схема, показывающая изме- |
Рис. 76. |
Влияние |
легирования и на- |
нение вида зависимости при работе |
|
клепа |
(схема), |
|
металла |
в широком диапазоне скоро- |
в сплаве Б самодиффузия протекает |
||
стей |
деформации v x^> v2^> v3 |
менее |
интенсивно, чем в сплаве А |
шениям обычно наблюдается в начальной стадии проявления межзеренного разрушения и при снижении эффективности влия ния межзеренных трещин в условиях испытаний при максималь ных температурах.
Из рис. 75 также следует, что аномалией является не изме нение свойств пластичности в зависимости от скорости деформа ции или времени до разрушения, а сохранение пластичности на постоянном уровне.
Легирование
Исследование деформационной способности металлов раз личного химического состава (см. гл. II и VI) показывает, что ле гирование элементами, снижающими интенсивность процессов самодиффузии например молибденом, смещает этап проявления склонности к хрупким разрушениям, обусловленный проявле нием высокотемпературного межзеренного разрушения в направ лении более высоких температур, например стали 1Х18Н9Т, 1Х16Н13М2Б (ЭИ680) (см. гл. II и VI). Влияние легирования для условий работы металла при двух скоростях деформации может быть показано с помощью схемы рис. 76. Содержащий мо
либден металл Б в определенном температурном интервале бу дет иметь более высокую деформационную способность. Очевидно, что легирование, обусловливающее изменение скорости диффу зионных процессов, будет в большей степени определять поведе ние металлов во втором и третьем этапах, тогда как для первого этапа — хладноломкости — это влияние будет минимальным.
Наклеп
Из данных, приведенных в гл. IV, следует, что предваритель ный наклеп интенсифицирует диффузионные процессы, сдвигает кривые изменения относительного удлинения аустенитной стали в третьем этапе в направлении низких температур. Свойства на клепанного металла (см. рис. 76) можно характеризовать кривыми для металла Л, а термически обработанного — кривыми для ме талла Б.
Можно полагать, что и другие факторы, способствующие про хождению процессов, обусловленных диффузией, изменение типа решеток и т. д., — будут смещать по шкале температур кривые изменения свойств пластичности в направлении снижения темпе ратур и, наоборот, факторы, тормозящие диффузионные про цессы, — в направлении их повышения.
Факторы, определяющие уровень нормальных напряжений
Несколько иной вид имеет зависимость деформационная спо собность — температура при действии другой группы факторов, обусловливающих возникновение в металле повышенных нормаль ных напряжений. К таким факторам частично может быть отне сено влияние повышения пределов упругого сопротивления (пре дела текучести, сопротивления ползучести). В этом случае необ ходимая для разрушения степень неравномерности в распределе нии напряжений, возникающая в металле при появлении дефек тов в процессе его деформирования, может быть меньше, чем у ме талла с низким пределом упругого сопротивления; разрушение произойдет при меньшем относительном удлинении (рис. 77, а, б). Такого эффекта можно достигнуть либо воздействием на струк туру термической обработкой легированием (гл. V) или накле пом (гл. IV), либо повышением жесткости напряженного состоя ния г.
Влияние этой группы факторов на зависимость деформацион ной способности от температуры выражается в смещении кривой изменения относительного удлинения по ординате в направлении
1 Под жесткостью напряженного состояния понимается отношение напря жений, вызывающих отрыв, к напряжениям, вызывающим прохождение дефор мации за счет сдвига.
снижения пластичности при одновременном расширении интер
вала склонности |
к хрупким |
разрушениям |
(рис. |
77, б). Как сле |
дует из данных |
испытаний |
приведенных |
в гл. |
III, такого рода |
эффект вызывается действием кольцевого и спирального надре зов (рис. 77, в), создающих в металле зоны с повышенной жест костью, в которых и возникают первые трещины. Температура, отвечающая минимуму пластичности, при проявлении высоко
температурного межзеренного разру |
|
|
|
|
|
|||||||||
шения |
(Гк. м) |
у |
образцов |
с надре |
|
|
|
|
|
|||||
зом мало отличается от таковой для |
|
|
|
|
|
|||||||||
гладких |
образцов, |
но интервал тем |
|
|
|
|
|
|||||||
ператур, |
в |
которых |
проявляется |
|
|
|
|
|
||||||
склонность к хрупким разрушениям, |
|
|
|
|
|
|||||||||
у образцов с |
надрезом заметно шире |
|
|
|
|
|
||||||||
(гл. II |
|
и III). Опыты |
на |
образцах |
|
|
|
|
|
|||||
со |
спиральными |
надрезами |
различ |
|
|
|
|
|
||||||
ной глубины (гл. III) показывают, |
|
|
|
|
|
|||||||||
что до |
определенного |
предела повы |
|
|
|
|
|
|||||||
шение |
коэффициента |
концентрации |
|
|
|
|
|
|||||||
напряжений |
вызывает |
прогрессиру |
|
|
|
|
|
|||||||
ющее снижение деформационной спо |
t |
|
|
|
|
|||||||||
собности материала. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
кривой |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Аналогичное |
смещение |
|
|
|
|
|
|||||||
изменения относительного удлинения |
|
|
|
|
|
|||||||||
по |
ординате |
(рис. |
77, в) |
вызывает |
|
Температура |
— |
|||||||
наличие |
в металле дефектов; |
это |
Рис. 77. Влияние уровня нор |
|||||||||||
можно |
заключить |
из |
исследований |
мальных |
напряжений на дефор |
|||||||||
свойств прокатанного металла в раз |
мационную способность: |
|||||||||||||
личных |
|
направлениях |
и результатов |
а — изменение |
предела |
упругого |
||||||||
влияния |
масштаба, |
приведенных |
сопротивления; б — влияние сопро |
|||||||||||
тивления деформированию на пла |
||||||||||||||
в гл. V, и на основании результатов |
стичность |
(/ — высокий |
ат |
и ап; |
||||||||||
исследования |
деформационной |
спо |
2 — низкий ст.г и ап); в — влияние |
|||||||||||
концентратора напряжения на пла |
||||||||||||||
собности сварных соединений (гл. VI). |
стичность |
(3 — гладкий |
образец; |
|||||||||||
При увеличении |
|
размера |
дефекта |
4 — образцы со спиральным |
надре |
|||||||||
|
зом |
различной глубины) |
||||||||||||
минимум кривой |
изменение свойств |
|
|
|
|
|
||||||||
пластичности |
углубляется, |
а его температурный |
интервал |
рас |
ширяется. В том же направлении влияет и величина зерна, определяющая размер межзеренных трещин (гл. V). К этой же группе факторов должно быть отнесено и влияние внутренних напряжений. Понижение деформационной способности в резуль тате действия остаточных напряжений, создающих всестороннее растяжение, наблюдается в околошовной зоне сварного соеди нения (гл. VI).
Разделение факторов, оказывающих влияние на вид кривых зависимости деформационная способность—температура, на свя занные с процессом диффузии и обусловленные уровнем нормаль ных напряжений, является в значительной мере условным. Так,
12 А. В. Станюкович |
1435 |
177 |
легирование или термическая обработка, наклеп, и т. д., вызы вая изменения предела упругого сопротивления материала, су щественно влияют и на диффузионные процессы, протекающие при его работе. Вид получаемых зависимостей, характеризующих
Рис. 78. Изменение 6р и коэффи циента к из уравнения (6) с тем пературой на различных этапах проявления склонности к хрупким разрушениям
развитие склонности материала к хрупким разрушениям в связи с появлением межзеренных трещин, указывает на одновременное действие обеих групп факторов, смещающих минимум V-образных кривых, как по шкале температур, так и по уровню деформацион ной способности (рис. 78).
Ф А К Т О Р Ы , О Б У С Л О В Л И В А Ю Щ И Е П О Я В Л Е Н И Е Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Х Э Т А П О В с к л о н н о с т и К Х Р У П К И М Р А З Р У Ш Е Н И Я М
Кроме рассмотренных механизмов хрупкого разрушения: хлад ноломкости, деформационного старения и высокотемпературной хрупкости, вызванной межзеренным разрушением, — в практике работы металлов в машиностроении встречаются хрупкие разру шения, обусловленные иными механизмами разрушения. Так, наблюдаются повреждения в аустенитных и перлитных сталях при умеренных температурах в связи с развитием во времени уже имеющихся дефектов. Данные исследований в области корро зионно-механической прочности показывают, что в определенных интервалах температур возможно проявление склонности к хруп ким разрушениям вследствие воздействия на металл окружающей среды. Так, резкое понижение деформационной способности пер литных сталей, прогрессирующее с понижением скорости дефор мации или увеличением времени опыта, наблюдается при действии водорода [187— 189], электролита [3, 190] или жидкой металли ческой среды [165, 191].
Не рассматривая в данном случае вопрос о влиянии фактора коррозии на свойства металлов, следует отметить, что коррозия может существенно снизить деформационную способность ме талла и вызвать появление дополнительных этапов склонности к хрупким разрушениям.
Для каждого механизма разрушения в условиях определенной скорости деформации существует свой температурный интервал,
178
в котором повреждения, обусловливающие появление хрупких разрушений, происходят с ничтожной скоростью, при этом пла стичность сохраняется на высоком уровне. Следующий темпера турный интервал, соответствующий оптимальным повреждениям, будет вызывать понижение деформации, предшествующей разру шению. В области более высоких температур интенсивность лик видации неравномерности распределения напряжений, порожден ной возникающими дефектами, выше интенсивности их возникно вения; в результате будет наблюдаться повышение пластичности с температурой. Таким образом, каждому механизму, обусловли вающему склонность к хруп ким разрушениям, на гра фике зависимости относитель ное удлинение— температура будет соответствовать свой минимум пластичности. Влия ние времени или скорости деформации, а также факто ров, определяющих уровень нормальных напряжений, действующих в металле, бу дет вызывать соответствую щее смещение кривой по шкале температуры или отно сительных удлинений. Сте пень развития склонности
кхрупкому разрушению
при том или другом механизме разрушения определяется температурой и скоростью деформации.
Для определенных условий работы металла в зонах Я (рис. 79) с увеличением времени работы (уменьшением скорости деформа ции) будет наблюдаться повышение деформационной способности и, наоборот, на участках С — снижение пластичности.
Для металла, работающего при температуре на участке Я, наиболее опасной будет деформация, осуществляемая с большой скоростью, и наиболее эффективным контролем его качества бу дут кратковременные испытания при максимальной, возможной в условиях использования металла, скорости деформации.
Соответственно для зон падения пластичности С (см. рис. 79) наименее благоприятными будут условия длительной работы; применительно к этим условиям и должно быть оценено возмож ное снижение пластичности с уменьшением скорости деформации (с увеличением срока работы).
Такой подход к оценке деформационной способности должен соблюдаться во всех случаях, в которых возможна пластическая деформация как в процессе работы металла при эксплуатации агре гата, так и при технологических операциях изготовления детали.
Деформация при эксплуатации неизбежна в тех случаях, когда возникает процесс ползучести. Поэтому все металлы, работающие при температурах, при которых возможна ползучесть, должны иметь необходимый запас длительной пластичности.
В связи с последним заключением следует заметить, что во избежание хрупких разрушений при длительной работе для таких металлов, как титановые или алюминиевые сплавы, которые склонны к ползучести при нормальной или умеренно высокой тем пературе, также необходима оценка их деформационной способ ности применительно к длительным срокам службы. Найденное Л. С. Морозом [192] у малоуглеродистой стали явление ползучести при отрицательных температурах заставляет и для этих условий требовать необходимого минимума длительной пластичности.
Во всех указанных случаях должно быть также учтено и дей ствие факторов, вызывающих дополнительное снижение дефор мационной способности, например концентраторов напряжения, дефектов повышенной жесткости напряженного состояния и т. д.
Аналогичный подход может быть применен и при исследо вании неметаллических материалов, например полимеров, для ко торых также наблюдается явление ползучести [193] и снижение прочности во времени.
ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ПРОЯВЛЕНИЯ
СКЛОННОСТИ К ХРУПКИМ РАЗРУШЕНИЯМ
Минимальный уровень пластической деформации, предшествую щей разрушению, для различных этапов проявления склонности к хрупким разрушениям различен. При проявлении хладнолом кости (первый этап) перлитных сталей характерно резкое пони жение ее относительного удлинения почти до нулевого значения.
Для проявления хрупкости на третьем этапе характерно уг лубление минимума V-образной кривой с понижением скорости, и, как следует из данных, приведенных в гл. II, минимальная пластическая деформация в зависимости от условий работы для материалов, применяемых в энергомашиностроении, может со ставлять от нескольких процентов до долей процента. При раз витии высокотемпературного межзеренного разрушения уровень деформации, предшествующей разрыву, в ряде случаев оказывается близким к таковому при хладноломкости.
Понижение относительного удлинения до долей процента на блюдается также при разрушении металлов при температурах, близких к плавлению.
Для второго этапа склонности к хрупким разрушениям вслед ствие деформационного старения характерна одна особенность, способствующая более надежной работе существующих жаропроч ных металлов в данном температурном интервале, чем в интерва
лах, соответствующих первому и третьему этапам: минимумы пластичности, полученные при испытаниях с различными скоро стями деформации, смещаются по температуре, но заметного сни жения минимальной деформационной способности при этом не наблюдается. Так, например, для исследованных сталей 12Х1МФ и 1Х12В2МФ (ЭИ802) (см. гл. II) даже при действии спирального надреза относительное удлинение сохранилось порядка одного процента и выше. Отсутствие тенденции к снижению минимальной деформационной способности с температурой позволяет полагать, что и при больших сроках работы свойства пластичности указан ных металлов во втором этапе будут находиться на удовлетвори тельном уровне.
Данное положение не может, конечно, претендовать на универ сальность; в частности, у некоторых цветных сплавов и на втором этапе возможны резкие снижения деформационной способности.
Действие фактора скорости деформации на отдельных ста диях изменения пластичности проявляется с различной эффектив ностью. Так, из исследований в области хладноломкости следует заметное влияние высоких скоростей деформации [1, 77, 131], тогда как при хрупкости, вызываемой межзеренными разруше ниями, действенное влияние оказывают низкие скорости деформа ции (см. рис. 79, а и гл. I—III). В области интересующих нас малых скоростей деформации (ниже 1 %1ч) смещение кривой из менения относительного удлинения в области высоких темпера тур значительно больше, чем при низких (см. рис. 78), следова тельно максимальное значение коэффициентов k и р из уравнений
(6) и (8) с повышением температуры возрастает.