книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

АННОТАЦИЯ

В книге рассмотрены причины, вызы­ вающие хрупкие разрушения в деталях, работающих при высоких температурах, а также некоторые факторы, влияющие на их возникновение и развитие (напри­ мер, термическая обработка и структура, наклеп, направление волокна в прокатан­ ном металле, технология сварки, концен­ траторы напряжений). Описаны методы оценки склонности сталей и сплавов к вы­ сокотемпературной хрупкости. Приведены данные о деформационной способности в различных условиях (по температуре, скорости ползучести и времени) основных жаропрочных сталей и сплавов, приме­ няемых в энергомашиностроении. *'

Книга предназначена для инженернотехнических и научных работников ме­ таллургической, машиностроительной, энергетической и химической промыш­ ленности, связанных с производством, применением и исследованием жаропроч­ ных сталей и сплавов.

3-11

120—67

За последние годы в Советском Союзе разработано и подробно исследовано много новых жаропрочных материалов [14, 16, 17, 18, 20, 25, 68]. Решен ряд методических проблем, связанных с изуче­ нием служебных свойств материалов, предназначенных для дли­ тельной работы при высоких температурах [6, 11, 15, 9, 21, 68].

О качестве и работоспособности новых жаропрочных материа­ лов судят по результатам определенного комплекса исследований, который обычно охватывает следующие виды испытаний:

а) кратковременные испытания на растяжение и удар, включая и данные исследования стабильности свойств материала при дли­ тельном старении;

б) испытание на ползучесть и длительную прочность примени­ тельно к сроку службы материала; в ряде случаев, кроме того, оценивают чувствительность материала к надрезу путем сравни­ тельных испытаний на длительную прочность гладких образцов и образцов с кольцевым надрезом;

в) на жаростойкость в рабочей среде; г) на усталость в условиях циклических нагрузок, при кото­

рых работает материал.

Однако из практики работы ряда материалов следует, что при­ нятый комплекс исследований недостаточно полно характеризует их работоспособность. Были случаи, когда стальные детали, удов­ летворяющие всем требованиям технических условий, подвержен­ ные действию статических нагрузок, разрушались.

Исследование аварийных деталей показало, что во многих слу­ чаях повреждения не сопровождались пластической деформацией, например, хрупкие разрушения труб пароперегревателей из стали. 1Х14Н14ВЗМи 1Х18Н9Т [28, 151, 176], разрушение паропроводов из аустенитных сплавов в околошовной зоне [121, 176, 177, 182],

литых деталей [27, 34], дисков и лопаток газовых турбин, шпилек болтовых соединений [29]. Следует отметить, что в основном раз­ рушения возникали на участках деталей с конструктивными кон­ центраторами напряжений.

Хрупкие разрушения металлов на протяжении последних тридцати лет подвергались тщательному исследованию. Н. Н. Давиденковым и его учениками создана стройная теория динамиче­ ской прочности материалов и установлены основные закономерно­ сти и изменения склонности металлов к проявлению хладнолом­ кости [1, 4].

Теория хрупких разрушений получила свое последующее раз­ витие в работах Я. Б. Фридмана [2], Л. А. Гликмана [3], Е. М. Шевандина [4], Ф. Ф. Витмана, Г В. Ужика [5], П. О. Пашкова [12],

Я.М. Потака [7] и др.

Основное внимание в указанных работах уделялось изучению

склонности материалов к хрупким разрушениям при низких или умеренных температурах, при которых склонность к хрупким разрушениям очень важна для общего машиностроения, строи­ тельной механики, судостроения, авиации, железнодорожного транспорта и т. п. В то же время хрупкие разрушения при высоких температурах изучены недостаточно. Как будет показано ниже, хрупкие разрушения как при высоких, так и при низких темпера­ турах имеют много общего: три основных фактора, определяющие склонность материала к хрупким разрушениям при проявлении хладноломкости — температура, скорость деформации и форма детали [1, 2, 41 — являются основными и для высоких температур.

Однако, несмотря на общие элементы в теории хрупких разру­ шений, имеются и специфические особенности поведения материа­ лов в,условиях работы при высоких температурах. Действительно при повышении температуры металла увеличивается подвижность атомов в его кристаллической решетке, значительное развитие получают диффузионные процессы, а следовательно, и связанные с ними процессы динамического и статического отдыха, полигонизации и миграции вакансий, коагуляции микродефектов. Интен­ сифицируются процессы релаксации напряжения, старения, появ­ ляется межзеренное разрушение. В условиях работы при высоких температурах фактор времени (или скорости деформации) стано­ вится доминирующим.

Изучение хрупких разрушений жаропрочных материалов в процессе их длительной работы при высоких температурах по­ казало, что необходимо разработать новые методы испытаний и расширить существующие критерии оценки работоспособности.

Анализ данных, полученных при испытании жаропрочных ста­ лей и сплавов на длительную прочность [35], показал, что во мно­ гих случаях при температурах выше 450° С деформация при раз­ рушении с увеличением времени снижается до уровня, измеряемого процентами, а иногда и долями процента. Значительное падение

б

пластичности во времени выдвинуло насущную необходимость учета для всего срока работы материалов не только характеристик их прочности, но и деформационной способности.

В этой книге приведены данные исследований деформационной способности жаропрочных сталей и сплавов главным образом при температурах и скоростях деформации, обусловливающих прояв­ ление у них склонности к хрупким разрушениям вследствие появ­ ления мсжзеренного разрушения.

На основании приведенных данных делается заключение о необ­ ходимости: учета деформационной способности жаропрочного ма­ териала как при его выборе, так и при назначении для него допу­ стимых напряжений, увязки расчетного предела длительной проч­ ности с изменением деформационной способности и оценки эффек­ тивности действия некоторых других факторов, снижающих пла­ стичность стали.

ГЛАВА I

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ПРЕДШЕСТВУЮЩАЯ РАЗРУШЕНИЮ, И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

ОСОБЕННОСТИ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Работоспособность жаропрочных сталей уже более двадцати лет [6, 9, 11, 15, 21—23] оценивают по их длительной прочности. Длительная прочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение металла за заданный срок (100; 1000; 100 000 ч). Предел длительной проч­ ности является основным критерием оценки прочности сталей и сплавов, предназначенных для работы при высоких темпера­ турах.

При температурах выше 0,3 Тпл металл под действием растя­ гивающего напряжения претерпевает деформацию ползучести и по истечении определенного времени разрушается; время до раз­ рушения тем больше, чем ниже нагрузка.

При испытании на длительную прочность серию образцов исследуемого металла подвергают действию постоянных растяги­ вающих нагрузок вплоть до разрушения. На основании экспери­ ментальных данных строят зависимость между действующим на­ пряжением и временем до разрушения и определяют величину рас­ тягивающих напряжений, вызывающих разрушение за определен­ ный срок (предел длительной прочности).

В условиях низких и средних температур деформация поликристаллического металла происходит в основном в результате скольжения и локализуется внутри зерен, при этом разрушение имеет внутризеренный характер. При температурах более 0,4ГПЛ наблюдается разрушение по границам зерен.

Уже на основании результатов первых опытов по определению длительной прочности, осуществленных в 1936— 1938 гг. в СССР

Д. И. Грековым [24] и в США Кларком, Уайтом и Вильсоном [26], было выявлено, что на предел длительной прочности существенно эдияет характер разрушения; у низколегированных сталей с появ­

В условиях высоких температур деформация поликристаллического металла в значительной части осуществляется вследствие проскальзывания по границам зерен [8, 10, 45]. При повышении температуры и снижении скорости ползучести деформации по этому механизму у конструкционных жаропрочных металлов достигают 10—30% от общей деформации [49, 52]. В процессе межзеренного сдвига на некоторых участках приграничных зон возникает высо­ кая концентрация напряжений, обусловливающих образование несплошностей. Такими участками являются стыки трех смежных зерен [39] и уступы ступеньки, имеющие место на границах [40, 42, 43, 59]. Эти ступеньки возникают в процессе деформации при пересечении полос скольжения зерна границы. Препятствием для межзеренного скольжения и причиной местной концентрации на­ пряжений могут явиться, кроме того, дисперсные частицы вторых фаз в приграничных участках [57] и субзерна [58].

Гринвуд [61] предполагал, что вакансии, перемещающиеся в зоны высоких напряжений, конденсируясь на границах зерен, расположенных нормально к действующему усилию, образуют поры; проведенные позднее расчеты не подтвердили этого. Однако следует учитывать, что значительное количество субмикроскопи­ ческих пор уже имеется на границах зерен металла. Кроме того, поры и мелкие трещины возникают в процессе деформации ползу­ чести благодаря скольжению по границам зерен [40, 43]. Поры, образующиеся в результате конденсации вакансий, могут получить дальнейшее развитие. Рост пор и превращение цепочки их в межзеренную трещину в процессе ползучести подтверждено экспери­ ментально [19]. Развитие субмикроскопических пор в трещины и дальнейший рост трещин могут явиться результатом продол­ жающегося во времени межзеренного скольжения. Из эксперимен­ тальных данных известно, что скорость роста трещин прямо пропорциональна скорости процесса межзеренного проскальзы­ вания [36, 46].

Рассматривая разрушение поликристаллических металлов при высоких температурах как результат возникновения и развития в пограничном слое повреждений, следует отметить влияние на этот процесс диффузии. Интенсивность межзеренного проскальзыва­ ния, определяющего зарождение несплошностей, в условиях пол­ зучести определяется степенью развития диффузии. Как известно, величины энергии активации проскальзывания по границам пол­ зучести и самодиффузии дают близкие значения [55]. Конденсация вакансий у несплошностей и трещин также осуществляется путем диффузии. Возникновение избыточных вакансий возможно из-за различной диффузионной подвижности компонентов сплава [48].

С. 3. Бокштейн [47, с. 2] показал, что на поверхности раздела фаз, вследствие наличия зон с повышенной активностью также существуют благоприятные условия для развития пор. Значи­ тельное влияние на процесс диффузии в этом случае оказывает