книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

личением времени работы или при уменьшении скорости дефор­ мации интенсивность развития трещин уменьшается в связи с по­ нижением уровня напряжений у концов трещин.

При длительной работе термически обработанного сплава одно­ временно идут несколько процессов, оказывающих влияние на его пластичность. Так, развитие межзерениого разрушения и уве­ личение размеров карбидных частиц на границах снижают дефор­ мационную способность; одновременно разупрочнение зерна (за счет обеднения твердого раствора и коагуляции частиц вторых фаз) и релаксация пиков напряжений будут способствовать восстанов­ лению пластичности. В обоих случаях структурные изменения, происходящие в сплаве в процессе работы, значительно влияют на склонность сплава к хрупким разрушениям.

ВЕЛИЧИНА ЗЕРНА

Аустенитные стали

Рост зерна в аустенитных сталях и сплавах вызывает одновре­ менно с повышением сопротивляемости ползучести снижение их пластичности. Понижение деформационной способности наблю­ дается как в области рабочих температур материала, так и на от­ дельных технологических операциях ковки, термической обра­ ботки, сварки и т. д.

О соотношении пластичности металлов с различной величиной зерна можно судить по данным А. М. Паршина [144] для стали 1Х18Н9Т (см. рис. 52). В интервале температур 650—900° С для металла с мелкозернистой структурой (8 баллов), хотя и суще­ ствует некоторое снижение пластичности с увеличением времени до разрушения, но деформация, предшествующая разрушению, сохраняется всегда на высоком уровне (16—20%). Характер полу­ ченных зависимостей относительное удлинение — время позволяет предположить, что увеличение длительности до разрушения не вызывает дополнительного уменьшения пластичности. В то же время относительное удлинение при разрушении крупнозернистого материала при температурах 700—800° С уже через 1— 100 ч сни­ жается до 0,8— 1%. В интервале температур 600—650° С и ниже при длительной работе можно ожидать еще более значительного падения пластичности. Таким образом, рост зерна стали от 8 до 1 балла вызывает более чем десятикратное снижение пластичности

стали.

Аналогичное заключение о значительном снижении деформа­ ционной способности при увеличении размера зерна можно вы­ вести из данных испытаний на длительную прочность стали ЭИ403 при 650° С (время до разрушения 1000—3000 ч) (табл. 24). Для материала с мелкозернистой структурой (балл 8) в процессе дли­ тельныX испытаний пластичность сохраняется на высоком уровне.

поликристаллического металла, связан с размером элементов его структуры [7, 42, 84, 145, 148]. Влияние величины зерна на пла­ стичность аустенитной стали, наблюдавшееся многими исследо­ вателями [22, 148, 149], также можно объяснить увеличением раз­ мера дефектов, возникающих в крупнозернистом металле. Действи­ тельно, если размер первичных межзеренных трещин, образую­ щихся в процессе деформации металла при высоких температурах, имеет величину, близкую к диаметру зерна (как это было показано в гл. II), то в поликристаллическом металле размер дефекта и, следовательно, уровень локальных напряжений, возникших у кон­ цов образовавшихся трещин, также будет пропорционален размеру зерна [7, 87]. Следовательно, переход к завершающей стадии раз­ рушения у грубозернистого материала должен наступить на более ранней стадии деформации, т. е. при более низком относительном удлинении.

В работе Я. М. Потака рассмотрена зависимость сопротивле­ ния отрыву железа от величины зерна [150], показано, что, исходя из размера дефекта, возникающего при деформации металла, имею­ щего протяженность, близкую к диаметру зерна, можно вычислить его сопротивление отрыву. Аналогичное рассуждение можно при­ менить и для жаропрочных сталей.

Можно полагать, что увеличение величины зерна способствует развитию межзеренных трещин на более ранней стадии до разме­ ров, соизмеряемых с диаметром зерна. В крупнозернистом металле из-за относительно меньшей поверхности кристаллов скоплений вредных примесей на границах будет относительно больше. Кроме того, более высокий запас упругой энергии у крупного зерна обу­ словливает поддержание высокого уровня напряжений в процессе развития трещины у его границы.

Следует учитывать, что величина зерна аустенитной стали во многих случаях зависит от режима термической обработки. С по­ вышением температуры и увеличением выдержки при аустениза­ ции, кроме роста зерна, в металле будет происходить и более пол­ ное растворение карбидов и интерметаллических соединений. В процессе последующего отпуска и старения в металле, прошед­ шем более полную аустенизацию (с крупным зерном), прочность зерна благодаря выделению дисперсных частиц будет выше. По­ этому у крупнозернистой стали сопротивляемость ползучести выше, а соотношение прочности зерна и его границ благоприят­ ствует развитию межзеренного разрушения.

Резкое понижение деформационной способности и вызванное этим уменьшение длительной прочности наблюдается у высоколе­ гированных жаропрочных сталей и сплавов при значительной разнозернистости структуры [11, 133, с. 12]. Это явление объяс­ няется отрицательным влиянием отдельных крупных зерен, обус­ ловливающих возникновение межзеренных трещин большего раз­ мера, соизмеримых с их диаметром.

При решении вопроса об оптимальной величине зерна следует учитывать, что уменьшение размера зерна, одновременно с повы­ шением пластичности металла снижает сопротивляемость пол­ зучести, что также может привести к преждевременному разру­ шению деталей, работающих в условиях высоких температур. Разрушение в результате снижения длительной прочности при мелкозернистой структуре (менее балла 8) наблюдалось у труб пароперегревателей паровых котлов из стали 1Х18Н12 1151 ]. В месте разрушения в этих случаях наблюдалась значительная пластическая деформация. Чтобы обеспечить требуемые проч­ ность и пластичность, необходимо величину зерна аустенитных сталей ограничить верхним и нижним пределами. По-видимому, оптимальным размером зерна для жаропрочных металлов яв­ ляются баллы 4—6.

Получить аустенитную сталь с оптимальной величиной зерна является весьма сложной технологической проблемой. Особенно большие трудности возникают при изготовлении крупных поковок из сталей и сплавов с высоким сопротивлением деформированию. В настоящее время их изготовляют при строгом регламентирова­ нии режима ковки, особенно на заключительных операциях. Од­ нако далеко не во всех случаях удается достигнуть желаемых результатов.

Перлитные стали

При увеличении размера зерна в перлитных сталях так же, как и в аустенитных, повышается сопротивление ползучести и снижается длительная пластичность [17, 21, 41]. Общий довольно высокий уровень длительной пластичности перлитных сталей в большинстве случаев достаточен для того, чтобы обеспечить работоспособность металла с грубозернистой структурой. Однако, как следует из практики, недостаточное внимание к термической обработке перлитных сталей может привести и у них к потере чрезвычайно ценного свойства — длительной пластичности.

Решающее значение структуры металла и, в частности, вели­ чины зерна можно проиллюстрировать на следующем примере: при осмотре парового котла, проработавшего 9000 ч, было обнару­ жено, что девять из двадцати четырех хомутов, поддерживающих камеры пароперегревателей, имеют трещины. Разрушение во всех случаях имело хрупкий характер и происходило на участках, под­ вергавшихся операции горячего гиба. Хомуты были изготовлены из стали 25Х1МФ. В процессе эксплуатации металл работал на изгиб и растяжение при температурах 500—540° С. Проведенные механические испытания показали, что металл в месте гиба имел пределы текучести и прочности выше нормы, указанной в техни­ ческих условиях, а пластичность и ударную вязкость ниже нормы (табл. 25). В таблице для сравнения приведены свойства по ТУ