книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

—— — 0,28 3,5 2,5

интенсивности снижения пластичности), и при k < О наблюдается рост пластичности с понижением скорости деформации. На рис. 17 показано изменение k для нескольких исследованных сталей.

ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ

Появление и развитие межзеренных микротрещин определяет склонность металла к хрупким разрушениям. Согласно теории Гриффитса, разрушение металла при уровне напряжений, значи­ тельно меньшем его теоретической прочности, следует объяснить наличием в нем микротрещин, создающих концентрацию напряже­ ний, приводящую к нарушению межатомных связей. Расчеты по­ казывают, что при трещинах размером 10-4 см прочность сни­ жается более чем в 100 раз. Решающее влияние дефектов на проч­ ность подтверждают также классические опыты Иоффе на камен­ ной соли. По расчетам Петча [82], критический размер трещины, способной к самопроизвольному росту, для поликристаллического железа составляет всего 7,8X 10"® см, т. е. величину, при которой фактически не происходит разрушение. Последующие работы И. Л. Шимелевич [83] показали, что следует учитывать пластиче­ скую деформацию в зоне разрушения. Полученный при расчетах критический размер трещины с учетом деформации составил вели­ чину, измеряемую в миллиметрах.

Известное положение о том, что пластическая деформация, предшествующая разрушению стали, характеризует ее чувстви­ тельность к существующим или возникающим в процессе деформа­ ции дефектам [2, 12, 85], справедливо и применительно к метал­ лам, работающим при высоких температурах. Зарождение микро­ дефектов в процессе пластической деформации, наблюдавшееся при умеренных температурах [12, 53, 62, 85, 87, 88], с переходом в область высоких температур приобретает значительно больший масштаб [9, 21, 22, 25, 89]. Если для разрушения при нормальной температуре достаточно концентратов — нарушений сплошности, возникающих в процессе деформации металла на концах полос скольжения [42, 51, 85, 89], то при высокой температуре хрупкие разрушения вызываются микротрещинами, хорошо видимыми при небольших увеличениях [9, 21]. Межзеренное разрушение можно разделить на следующие стадии:

1.Образование субмикроскопических несплошностей (пор).

2.Объединение несплошностей (пор) в микротрещины, соиз­ меримые с диаметром зерна.

3. Развитие микротрещин в макротрещину.

г Такая классификация соответствует предложенной Дроздовским и Фридманом [89].

Для получения данных о характере и интенсивности развития

зерна 12,5 мкм) после испытания с различной скоростью деформации для площади

температур металл образцов после испытаний при постоянных скоростях деформации подвергается металлографическому ана­ лизу [89]. По серии микрофотографий определяется количество мелких трещин, их общая протяженность на единицу поверхности и размер средней трещины. Для перлитной стали 25Х1МФ (ЭИ10) в состоянии после закалки и отпуска (табл. 8) первые межзеренные несплошности, имеющие вид округлых пор (рис. 18, а), появляются уже при 500° С при высоких скоростях деформации (180%/ч). С увеличением температуры до 600—650° С количество поврежде­ ний, видимых под микроскопом, сильно возрастает и соответственно растет их суммарная протяженность. Дальнейшее увеличение тем­ пературы до 700—800° С не меняет характера разрушения, хотя в этих условиях и наблюдается значительный рост пластичности. При скорости деформации 4-10"2 %1ч (рис. 19) межзеренные тре­ щины — поры обнаруживаются при микроструктурном анализе уже во время испытаний при 450° С, т. е. на 50° С ниже, чем при испытаниях при скорости деформации (180%/**).

Понижение скорости деформации вызывает увеличение длины отдельных трещин; одновременно их количество уменьшается, а суммарная протяженность возрастает (рис. 20, а). После испыта­ ний при 650—700° С в металле возникает столь большое количество микродефектов, что по существу все смежные зерна на участках границ, расположенных под углами, близкими к 90° по отношению к растягивающему усилию, разделены между собой трещинами (рис. 18, б); трещины сильно раскрыты, и их концы имеют округ­ лую форму. Протяженность отдельных трещин близка к диаметру зерен.

Межзеренное разрушение у аустенитных сталей проявляется еще более четко. Уже при 450° С у стали ХН35ВТ (ЭИ612) при максимальной скорости деформации наблюдаются первые надрывы на границах. С повышением температуры количество и суммарная протяженность трещин возрастает (см. рис. 18, в). Средняя длина трещин близка к диаметру зерна и мало изменяется с температу­ рой (рис. 19, б). В некоторых случаях отдельные трещины объеди­ няются в магистральную (см. рис. 18, г).

В процессе деформации при высокой температуре на перифе­ рии зерен зарождаются поры, развивающиеся затем в трещины (см. рис. 18, б, е). При понижении скорости деформации при 550—650° С протяженность трещин растет, а при 700° С практи­ чески уменьшается (см. рис. 20, б). Средняя длина трещины мало меняется и близка по величине к диаметру зерна.

Развитие межзеренного разрушения в высокопрочных сплавах на никелевой и никелькобальтовой основе, хотя и происходит ана­ логично аустенитным сплавам, но имеет свои особенности. При температурах 500—700° С и высоких скоростях деформации на­ блюдаются отдельные межзеренные надрывы, являющиеся ответ­ влениями магистральной трещины, вызвавшей разрушение (см.

микротрещин после испытаний с постоянной скоростью при раз­

Рис. 20. Изменение количества и протяженности межзеренных микротрещин

взависимости от скорости деформации:

а— 25Х1МФ (ЭИ10), площадь поверхности 1,7-10-4 мм2) б — ХН35ВТ (ЭИ612), пло­

щадь поверхности 2,4-10”3 мм2. 1 — количество трещин; 2 — общая протяженность трещин; 3 — средняя протяженность одной трещины.

(Пунктиром обозначен средний диаметр зерна)

сительного удлинения непосредственно связано со степенью повреждения металла межзеренными трещинами: чем больше протяженность трещин на единицу поверхности, тем ниже деформа­ ция при разрушении.

При относительно низких температурах, вследствие малой скорости диффузии, для развития межзеренных трещин требуется значительное время. В условиях применяемых скоростей испыта­ ния до развития повреждений, вызывающих разрушение, успевает пройти заметная деформация путем внутризеренного сдвига и суммар­ ное относительное удлинение по­ лучается значительным.

С увеличением времени или по­ вышением температуры испытания межзеренные трещины развива­ ются более интенсивно. В этом

случае процесс пластической деформации прерывается разруше­

высокой температуре можно судить по величине истинного сопро­ тивления разрыву Sk. В тех случаях, когда с увеличением темпе­ ратуры или времени испытания наблюдается более интенсивное межзеренное разрушение, имеет место резкое снижение Sk (рис. 21). При уменьшении скорости деформации истинное сопро­ тивление разрыву в некоторых случаях снижается в несколько раз.

В тех случаях, когда сопротивление металла межзеренному разрушению значительно, величина истинного сопротивления разрыву практически не зависит от скорости деформации или вре­ мени до разрушения. Примером таких металлов является мартен­ ситная сталь 1Х12В2НМФ (ЭИ802).

На рис. 22 приводится схема разрушения металла при высоких температурах. В отличие от схемы Н. Н. Давиденкова [1 ] можно полагать, что в данных условиях, т. е. при определяющем влиянии степени развития межзеренного разрушения, сопротивление от­ рыву будет зависеть не только от степени деформации, но и от ее скорости. Разрушение наступает тогда, когда сопротивление от­ рыву вследствие повреждений, развивающихся в металле, сни­ жается до уровня рабочего напряжения.

Данная схема может быть применена для объяснения изменения относительного удлинения в зависимости от температуры и ско­

V-образной кривой) не может быть объяснено уменьшением разви­ тия межзеренного разрушения. Данные микроструктурного ана­ лиза показывают, что при таком подъеме пластичности с увеличе­ нием температуры для некоторых металлов количество и протя­ женность межзеренных трещин не уменьшается, а в некоторых слу­ чаях даже увеличивается, например для стали 25Х1МФ (ЭИ10) (см. рис. 19). Причиной восстановления пластичности является низкое сопротивление деформированию металла при данных усло­ виях. Возникающие в металле пики напряжений у межзеренных трещин быстро релаксируют и концы трещин приобретают округ­ лую форму. При общем низком уровне напряжения при данных температурных условиях для разрушения металла степень повреж­ дения его должна быть значительно больше, чем при относительно низких температурах или более высоких скоростях деформации (см. рис. 22, а). В результате разрушение металла наступает при большей степени деформации, относительное удлинение возрастает, появлется восходящая ветвь V-образной кривой на графике отно­ сительное удлинение — температура (см. рис. 12). Таким образом, подъем пластичности в области «закритических» температур является следствием снижения чувствительности металла в дан­ ных условиях к действию имеющихся или возникающих в нем дефектов.

По мнению ряда исследователей, повышению пластичности в условиях испытаний при «закритических» температурах способ­ ствует также миграция границ зерен, снижающая интенсивность развития межзеренных трещин [10, Джифкинс Р. К., с. 593; Грант Н. Д ., с. 575; 46].

Наличие минимумов на кривых относительное удлинение — температура при 20—500° С, наблюдаемых у перлитных и мартен­