11.4 Механизм разрушения при ползучести

Разрушение при ползучести как и при других видах разрушения, протекают в две стадии:

1. Зарождение трещины;

2. Развитие трещины.

В большинстве случаев трещина зарождается на границах зерен, а точнее на стыках границ зерен, появляются микротрещины, которые постепенно объединяются в одну большую трещину и происходит разрушение, чаще всего по границам зерен. Разрушение по границам зерен заслуживает серьезного рассмотрения, так как оно может происходить при малых деформациях. Зарождение трещины при ползучести можно представить с помощью уже известной схемы Коттрелла, рис.84.

Зарождение трещины является результатом скольжения зерен вдоль границ. В результате проскальзывания по границам зерен, в месте стыка границ и происходит зарождение трещины под действием компоненты растягивающих напряжений. Величина компоненты растягивающих напряжений лимитируется длиной границ зерен ОА и ОВ.

Образование трещин возможно и вдоль границ зерен, в которых располагаются упрочняющие фазы, рис.85.

По мере развития ползучести такие микротрещины объединяются и происходит разрушение по границам зерен.

Образовавшиеся микротрещины могут расти также за счет стекания в них вакансий.

Критический размер трещины, способной к развитию, рассчитывается по формуле: rкр = 2γ/σ, где: rк – критический размер трещины; γ – поверхностная энергия трещины; σ – величина действующего напряжения.

Критический размер трещины равен ~10ˉ⁵см. Трещина развивается вдоль границ расположенных перпендикулярно действующим растягивающим напряжениям.

11.5 Влияние растворенных элементов и выделений на ползучесть

Описанные закономерности слишком идеализированы. В-первых, кривая ползучести никогда не бывает плавной и нет четкой границы между стадиями ползучести. Во-вторых, в сплавах при испытании ползучести происходит изменение состава и структуры, что подтверждено экспериментально. Выделение дисперсных частиц приводит к повышению сопротивления ползучести, а их коагуляция приводит к понижению сопротивления ползучести. Со структурными изменениями, имеющими место при испытании ползучести, следует связывать применения деформационной способности, от которой зависит надежность материала в условиях высокотемпературной ползучести.

Наряду с изменением структуры в процессе испытания существенное влияние оказывают и изменения на поверхности образцов (окисление, обеднение легирующими элементами, рекристаллизация, а в ряде случаев и образование надрывов по границам зерен). Эти факты оказывают существенное влияние на надежность деталей и с ними необходимо считаться.

В связи с этим для обеспечения высокого сопротивления ползучести необходимо вводить легирующие элементы и производить правильную термообработку, обеспечивающую стабильность структуры.

Высокое сопротивление ползучести должно обеспечиваться:

1. высоким уровнем сил межатомного взаимодействия, который определяет высокую энергию активации движения дислокаций;

2. упрочненным состоянием приграничных зон, препятствующих развитию скольжения в этих участках объема зерна;

3. стабильностью строения сплава, которая связана с торможением диффузионных процессов.

В развитии высокотемпературной ползучести важную роль играет возврат. Известно, что легирующие элементы оказывают существенное влияние на температуру возврата. Чем выше температура возврата, тем до более высоких температур сохраняется эффект деформационного упрочнения. В качестве примера можно привести легирование меди оловом и теллуром. Введение в чистую медь 0,01% олова и теллура повышает температуру разупрочнения на 200ºС. Торможение разупрочнения в сильной мере зависит от концентрации легирующих элементов. Для каждого элемента существует определенная концентрация, при которой достигается максимальное упрочнение.

Наряду с этим введение легирующих элементов оказывает существенное влияние на процесс переползания заблокированных дислокаций. Объяснением этому является механизм Сузуки, согласно которому атомы растворенных элементов притягиваются к дефекту упаковки, входящему в вытянутую дислокацию, расширяют этот дефект и затрудняют переползание дислокаций и поперечное скольжение. При наличии значительного количества атомов растворенного элемента этот эффект будет сохранятся до высоких температур. Многие сплавы с высоким сопротивлением ползучести на основе Feγ содержат около 30% Cr, а сплавы на никелевой основе – подобное количество хрома, а иногда и кобальта. Хром повышает сопротивление ползучести никеля медленно, но непрерывно, вплоть до 30÷40%.

Наряду с миграцией атомов легирующих элементов к дислокациям большую роль играет и их диффузионная подвижность. Наряду с влиянием легирующих элементов, находящихся в твердом растворе, на переползание дислокаций они могут оказывать существенное влияние на скольжение в приграничных объемах, создавая концентрационную неоднородность между объемом и границей. Это показано на примере железных и никелевых сплавов. Повышение устойчивости упрочненного состояния в результате легирования этих сплавов связано с неравномерным распределением легирующих элементов и их скоплением в приграничных наиболее искаженных участках.

При высоком сродстве атомов матрицы и растворенного элемента может происходить образование интерметаллидов, устойчивых до высоких температур, которые играют роль упрочняющих фаз. Располагаясь по границам зерен, они повышают сопротивление зернограничной ползучести.