11. Ползучесть металлов и сплавов

Многие детали машин и аппаратов работают при повышенных температурах под действием повышенных нагрузок. Примером могут служить детали турбин, детали металлургического оборудования и др. С учетом условий эксплуатации таких деталей к ним предъявляется требования высоких механических свойств, определяющих высокое сопротивление деформации. К таким характеристикам относятся предел ползучести и жаропрочности.

В последние годы у нас и за рубежом достигнуты большие успехи в области получения жаропрочных сплавов. Однако, вопрос механизма ползучести в области высоких температур изучен недостаточно. Еще не выявлено всё многообразие процессов, определяющих механизм и кинетику ползучести.

При высоких температурах и нагрузках деформация может протекать как сдвиговым путем, за счет движения дислокаций, так и путем диффузионной пластичности и проскальзыванием по границам зерен.

При низких температурах деформация осуществляется в основном за счет скольжения дислокаций.

Рис.80. Схема испытания на термическую усталость

Рис.81. Схема изменения напряжений и деформаций при изменении температуры

Рис.82. Диаграмма ползучести при различной величине напряжений (t=Const), σ₁>σ₂>σ₃>σ₄.

С повышение температуры возрастает количество вакансий и диффузионная подвижность атомов. Известно, что максимальная плотность вакансий существует по границам зерен и в приграничных объемах. Под действием внешних напряжений облегчается деформация за счет проскальзывания по границам зерен. При расчете на единицу массы вещества, располагающегося на границах и в объеме зерна, ползучесть по границам осуществляется на много быстрее, чем в объеме зерна.

Существенное влияние на механизм деформации при ползучести оказывает температура и величина напряжений. В зависимости от температуры и нагрузки меняется форма кривой ползучести. Наглядное представление о влиянии величины напряжений на вид диаграммы ползучести, при постоянной температуре, представлена на рис.82.

При величине σ1 кривая ползучести не имеет прямолинейного участка. Деформация протекает с непрерывно взрастающей скоростью и заканчивается разрушением.

При σ =σ2 наблюдается три типичных стадии ползучести. I стадия протекает с уменьшением скорости деформации, II стадия – стадия установившейся ползучести, протекающая с постоянной скоростью, III стадия – стадия с возрастающей скоростью деформации, заканчивающаяся разрушением. При σ=σ3 отсутствует III стадия ползучести. При σ=σ4 на II стадии скорость деформации равна 0.

11.1 Сдвиговый механизм ползучести

Одним из наиболее достоверных механизмов, объясняющих первую стадию ползучести, является механизм исчерпывания, предложенный Мотто и Набарро. В основу этого механизма положен механизм торможения дислокаций. Для совершения акта пластического течения необходимо преодоление энергии активации движения дислокации. Вначале течение начинается в местах с минимальной энергией движения дислокаций, а затем оно распространяется в области со все возрастающей величиной этой энергии. При этом исчерпывается один объем за другим.

Согласно теории исчерпывания, приложенное напряжение при ползучести всегда меньше напряжения, вызывающего течение в обычных условиях кратковременных испытаний. При ползучести всегда существуют тепловые флуктуации в определенных объемах которые покрывают разницу между приложенным напряжением и напряжением течения. Скорость течения при ползучести ограничена, так как для поддержания течения непрерывно нужны тепловые флуктуации. Только в самом начале процесса ползучести приложенное внешнее напряжение равно напряжению течения для объемов с малой энергией активации движения дислокаций. По мере развития ползучести скорость ползучести падает, т.к. уменьшается количество свободных дислокаций и уменьшается интенсивность тепловых флуктуаций.

На второй стадии ползучести устанавливается постоянство энергии активации движения дислокаций и постоянство скорости ползучести.

Скорость ползучести на II стадии контролируется:

1. образованием новых дислокаций;

2. движение дислокаций;

3. аннигиляцией и перераспределением дислокаций в результате возврата и полигонизации.

Каждый из этих процессов зависит от температуры и напряжений.

Переползание дислокаций может контролировать ползучесть лишь в случае высокой подвижности и концентрации вакансий. Количество и подвижность вакансий в сильной мере зависит от температуры. Учитывая это, должна быть граничная температура Тс, ниже которой подвижность вакансий будет мала и переползание дислокаций получает очень слабое развитие. Такой температурой является . По этой температуре оценивается граница, разделяющая ползучесть на низко. и высокотемпературную.

При низкотемпературной ползучести подвижность вакансий мала и процесс переползания дислокаций оказывается незначительное влияние на скорость ползучести.

Образование дислокаций – процесс мало контролирующий скорость ползучести, так как действие источника Франка – Рида требует слишком большой энергии термической активации. Источник может начать функционировать по достижении напряжений величины (в – вектор Бюргерса, е – длина источника). Только в том случае, когда сила, закрепляющая дислокации атомами примесей, больше чем . Повышение температуры способствует рассасыванию примесных атомов и может вызвать начало работы источника Франка – Рида, приводящее к образованию дислокаций.

Движение дислокаций может контролировать скорость ползучести в том смысле, что благодаря термическим флуктуациям дислокации могут легко преодолевать препятствия.

Возврат и полигонизация в основном определяют поведение материалов на установившейся стадии ползучести. Процесс возврата может иметь место как при низкотемпературной, так и при высокотемпературной ползучести. При высокотемпературной ползучести возврат связан с аннигиляцией дислокаций, при этом одновременно идет полигонизация при реализации переползания дислокаций. При этом характерна следующая схема: дислокации, генерируемые источником Франка – Рида, образуют скопления, возникающее поле напряжений подавляет работу источника и деформация прекращается. Ползучесть может продолжаться в том случае, если дислокации обойдут препятствия путем переползания. В этом случае скорость ползучести будет контролироваться скоростью переползания. Переползание будет возможным когда к дислокациям будут диффундировать вакансии или внедренные атомы. Второе менее вероятно, так как энергия образования внедренных атомов велика.

В зависимости от напряжения, когда переползание дислокаций является контролирующим звеном, скорость ползучести выражается уравнением:

~ , где:

- скорость деформации;

m – Const=4;

u – энергия активации;

к – константа Больцмана;

Т – температура в °К;

σ – величина напряжения.

Переползание дислокаций в условиях высокотемпературной ползучести можно представить в виде следующих схем, рис.83.

Скорость переползания вдоль границ зерен будет определяться энергией активации приграничной диффузии, которая ниже объемной. Высота переползания дислокации не зависит от σ и “m” принимает значение 2.

Наряду с приведенными схемами переползания дислокаций существуют и другие, но их трудно учесть при теоретическом обсуждении. Следует лишь отметить, что при высокотемпературной ползучести переползание и аннигиляция дислокаций снимают деформационное упрочнение и становится возможной установившаяся ползучесть.

В условиях низкотемпературной ползучести возможность переползания дислокаций затрудняется, напряжения у скопления дислокаций не успевают релаксироваться и сохранится некоторая часть деформационного упрочнения. По этой причине достижение стадии установившейся ползучести не достигается и скорость ползучести понижается.

Третья стадия ползучести характеризуется резким возрастанием скорости деформации, что заканчивается разрушением. На III стадии ползучести на поверхности образца образуются впадины и нередко трещины. Во внутренних объемах структура не отличается от той, которая сформировалась на установившейся стадии ползучести. Разрушение при ползучести чаще всего происходит по границам зерен. Причиной этому является локализация деформации в приграничных объемах.