11.2 Механизм диффузионной пластичности
Этот механизм применяется к условиям повышенных температур и малых нагрузках. Для анализа механизма диффузионной ползучести воспользуемся следующей схемой, рис.34.
Представим, что зерно имеет квадратную форму. При высоких температурах под действием растягивающих напряжений создается градиент концентрации вакансий, избыток вдоль направлений АВ и ДС и недостаток вдоль АД и ВС:
,
где:
С – концентрация вакансий вдоль АВ и ДС;
С0 – равновесная концентрация вакансий вдоль АД и ВС;
σ – растягивающее напряжение;
к – константа Больцмана;
Т – температура в °К.
В процессе действия нагрузки возникает направленная диффузия вакансий от граней АВ и ДС к граням АД и ВС, а в противоположном направлении направленная диффузия атомов. В результате диффузии атомов осуществляется массоперенос, который будет сопровождаться удлинением в направлении действия растягивающих напряжений. Длина пути диффузии вакансии и атомов определяется размером зерна ℓ.
Примем среднюю длину пути диффузии равной ℓ/2, а площадь, через которую диффундируют вакансии и атомы, ℓ²/8. Тогда скорость, с которой вакансии мигрируют от граней АВ и ДС к граням АД и ВС, можно рассчитать по формуле:
,
где:
-
скорость диффузии вакансий;
Д – коэффициент диффузии вакансий.
Скорость ползучести можно рассчитать по формуле:
Согласно этому уравнению диффузионная ползучесть, в отличие от ползучести связанной со скольжением дислокаций, зависит от напряжения в первой, а не более высокой степени.
Экспериментально диффузионная ползучесть нашла подтверждение при малых напряжениях и высоких температурах.
11.3 Механизм зернограничной ползучести
Экспериментально доказано, что ползучесть существенно возрастает с увеличением протяженности границ зерен. Это связано с повышенной подвижностью атомов на границах зерен и высокой концентрацией вакансий
Рис.83. Схема переползания дислокаций: а) встреча движущихся дислокаций с сидячей; б) разрядка скопления дислокаций с образованием полигональной структуры; в) скопление дислокаций у границы зерна
Рис.84. Схема зарождения трещины при ползучести
Рис.85. Схема зарождения трещины вдоль границы зерна у препятствия
в межзеренных прослойках. Уменьшение этого вида ползучести достигается либо за счет укрупнения зерна, что не всегда возможно, либо за счет упрочнения границ зерен выделениями карбидов, нитридов, металлидов и др.
Зернограничная ползучесть сопровождается существенным утолщением межзеренной прослойки. Деформация на границах зерен практически не связана с движением дислокаций. Вязкое течение по границам, обуславливающее ползучесть, может быть описано с достаточной точностью диффузией вакансий. Это является следствием отсутствия дальнего порядка в расположении атомов на большеугловых границах и существенного его нарушения на малоугольных границах и в приграничных областях зерен. Другими словами объемы металла, прилегающие к границам, по своему строению напоминают аморфные материалы. Если во время испытания ползучести утолщаются границы зерен, то скорость ползучести резко возрастает.
Что касается влияния напряжений, то они оказывают двойное влияние:
увеличивают поток вакансий;
утолщают границы зерен.
Сказанное выше применимо лишь для характеристики больщеугольных границ (границ зерен), т.к. на молоугловых границах (границах блоков) коэффициент диффузии может быть меньше, чем в объеме, т.к. краевые дислокации с ступеньками (порогами) представляют ловушки для вакансий.
Фактор зернограничной ползучести играет важную роль в практике и поэтому при выборе материала необходимо тщательно изучить структуру границ зерен.
Но границы зерен нельзя представлять как слои, обладающие вязкими свойствами. Под действием напряжений при высоких температурах происходит приспосабливаемость зерен – аккомодация. Подтверждение этому являются экспериментальные данные. На диаграмме ползучести наблюдаются ступеньки, указывающий на ступенчатый характер деформации, обусловленный проскальзыванием по границам зерен. Со временем степень скачкообразности проскальзывания уменьшается и кривая ползучести сглаживается.