10. Ползучесть металлов

Рис.20. Кривая ползучести металла (схема). Постоянное растягивающее напряжение при относительно высокой температуре.

Пластическая деформация не остается постоянной при постоянной нагрузке. В действительности деформация возрастает с течением времени. Схематическая кривая на рис. 20 показывает зависимость деформации от времени для образца, к которому приложена постоянная растягивающая нагрузка при температуре, близкой к температуре плавления металла. При высоких температурах величина этой пластической деформации, зависящей от времени, может значительно превышать величину «мгновенной» пластической деформации, возникающей за время приложения нагрузки к образцу.

При низких температурах зависящая от времени составляющая пластической деформации сравнительно мала даже после дли­тельной выдержки. Поэтому при рассмотрении кривых напряже­ние—деформация или характеристик деформационного упрочнения металлов этой деформацией обычно можно пренебречь.

Изменяющаяся со временем пластическая деформация материалов, находящихся под нагрузкой, называется ползучестью.

10.1. Релаксация напряжений

При испытаниях металлов на ползучесть обычно поддерживают постоянными либо нагрузку, либо напряжение и регистрируют зависимость деформации образца от времени. При другом виде испытаний, известном как испытание на релаксацию напряжений, образец сначала подвергают деформации заданной величины, а затем напряжения изменяют с течением времени таким образом, чтобы деформация оставалась постоянной. На рис. 21 схематически показана кривая, полученная при испытании на релаксацию напряжений.

Испытание на релаксацию напряжений представляет собой испытание ползучести, осуществляемое при неустановившемся напряжении. Если образец деформирован на заданную величину, то часть этой деформации является упругой, а часть пластической. В результате ползучести пластическая деформация с увеличением времени возрастает. Поскольку общая деформация при испытании на релаксацию напряжений сохраняется постоянной, то с течением времени должна уменьшаться упругая деформация. Уменьшение упругой деформации может происходить только в том случае, если уменьшается приложенное напряжение.

Рис. 21. Кривая релаксации напря­жений (схема). Деформация сохраня­ется постоянной, а напряжение с тече­нием времени изменяется

Проведение испытаний на релаксацию напряжений, а также обработка их результатов являются более трудными по сравнению с обычными испытаниями на ползучесть. Поэтому неудивительно, что большая часть экспериментальных данных получена при испытаниях на ползучесть.

10.2. Три основных вида ползучести и соответствующие им участки на диаграмме ползучести

Ползучесть, которая наблюдается при заданных условиях, обычно можно отнести к одному из трех хорошо известных видов. Какой именно вид ползучести имеет место, зависит от температуры испытания и величины приложенного напряжения. Области температур и напряжений, соответствующие каждому виду ползучести, показаны на рис. 22, на которой изображена диаграмма ползучести. Для того чтобы можно было сопоставлять свойства металлов, имеющих низкую температуру плавления и низкий модуль упругости, например индия, со свойствами металлов, отличающихся высокой температурой плавления и высоким модулем упругости, например вольфрама, диаграмма построена в координатах Т/Т_пл и σ/μ, а не Т и σ. Здесь Т – температура испытания, Т_пл – температура плавления, σ – приложенное напряжение и μ – модуль сдвига. Если использовать в качестве координат Т/Т_пл и σ/μ, то данные для каждого из трех видов ползучести попадают приблизительно в одну и ту же область диаграммы ползучести, даже если температуры плавления и модули упругости испытанных металлов сильно различаются.

Рис. 22. Диаграмма ползучести: значения температуры и напряжения, которые приводят к трем основным видам ползучести, а при особых условиях к диффузионной ползучести.Температура и напряжение приведены в виде Т/Тпл и σ/μ, где Т – температура в °К; Тпл – температура плавления металла в °К; σ – приложенное напряжение сдвига; μ – модуль сдвига; σкр – напряжение сдвига для хорошо отожженного кристалла

Известно, что значительная пластическая деформация может иметь место только в том случае, если приложенное напряжение превышает критическое напряжение сдвига σ_кр. При напряжениях выше σ_кр происходит интенсивное размножение и движение дислокаций. При напряжениях ниже σ_кр движение и размножение дислокаций незначительны, а следовательно, незначительна и пластическая деформация. Поэтому неудивительно, что на диаграмме ползучести одна из границ, отделяющая один вид ползучести от других видов, совпадает с линией σ/μ = σ_кр/μ. При напряжениях ниже σ_кр деформация ползучести вызывается не массовым движением дислокаций, а иными механизмами. Конечно, механизмы, которые могут вызвать ползучесть при напряжениях ниже σ_кр, вносят вклад в ползучесть также и при напряжениях выше σ_кр. Однако деформацией, обусловленной этими механизмами, обычно можно пренебречь по сравнению с составляющей деформации, вносимой движением дислокаций.

При низких температурах дислокации беспрепятственно движутся в направлениях, параллельных их плоскостям скольжения. Движение всякой краевой или имеющей краевую составляющую дислокации в других направлениях затруднено. Если движение такой дислокации содержит составляющую, перпендикулярную плоскости скольжения, то вакансии решетки или межузельные атомы должны диффундировать к краевой или частично краевой дислокации или от нее. Движение в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения дислокации, называется переползанием дислокаций При низких температурах диффузия протекает медленно и движение дислокаций в направлениях, не параллельных плоскостям скольжения, также осуществляется медленно. При высоких температурах диффузия делает возможным сравнительно быстрое переползание дислокаций. Следовательно, при высоких температурах дислокации могут сравнительно легко перемещаться во всех направлениях. Можно считать, что дислокации при этих температурах имеют лишнюю «степень свободы».

Наличие лишней степени свободы для движения дислокаций при более высоких температурах дает основания полагать, что та часть диаграммы ползучести, которая соответствует напряжениям выше критического напряжения сдвига, разделена на две области. Одна область включает более высокие температуры, при которых дислокации имеют две степени свободы, а другая область соответствует температурам, при которых дислокации имеют только одну степень свободы.