книги / Строение и свойства металлических сплавов

Глава девятая

ЖАРОПРОЧНОСТЬ

Ползучесть • Изменение структуры при ползучести • Диффузионная ползу­ честь § Диффузия и жаропрочность § Структура и жаропрочность ф Раз­ рушение при высоких температурах

фактора. Особое значение приобретает стабильность заданной структуры. При высоких температурах возрастает интенсивность диффузионных процессов, что способствует изменению структуры и свойств. В условиях высокотемпературной деформации в ди­ слокационных моделях, описывающих ползучесть и разрушение металла, необходимо учитывать и диффузионные процессы.

Ползучесть

Ползучесть — пластическая деформация, медленно протекаю­ щая при постоянном напряжении ниже предела текучести,— на­ блюдается в широком интервале температур— от близких к абсолютному нулю до температур плавления. Наибольший прак­ тический интерес представляет ползучесть при температурах - 0 ,4 - 0 ,7 5 Тпл.

Зависимость деформации образца от времени испытания в условиях ползучести описывается кривой ползучести (рис. 177). Кривая в классическом случае состоит из трех участков, соответ­ ствующих трем стадиям ползучести. На первой стадии (1) ско­ рость деформации убывает со временем (неустановившаяся ползучесть), на второй стадии (2) деформация протекает с постоянной скоростью (установившаяся ползучесть) и начиная

стретьей стадии (5) деформация идет с нарастающей скоростью

ипроцесс заканчивается разрушением. Относительное развитие каждой стадии для данного материала зависит от внешних условий — температуры и величины напряжений. В случае пол-

3791

2)ползучесть с возвратом (переползанием), протекающая при достаточно высоких температурах (Т ^ 0,4 Гпл) ;

3)диффузионная ползучесть, протекающая при высоких тем­ пературах, близких к температурам плавления, и непосредствен­ но связанная с диффузией.

Экспериментально ползучесть наблюдалась до 1,2° К. При Т = 0°К ползучесть не может быть реализована путем теплового возбуждения атомов, но возможна за счет квантовомеханических эффектов. Она начинает превалировать над ползучестью, вызы­ ваемой термически активируемыми процессами, при температу­ ре, равной нескольким градусам Кельвина.

Исследование энергии активации ползучести при различных температурах и напряжениях на монокристалле алюминия при­

NaCl и других веществ при Т < 200° К. Как правило, логарифми­ ческая ползучесть наблюдается для пластичных материалов, у которых силы Пайерлса — Набарро невелики. По сравнению с другими видами ползучести она характеризуется наиболее низ­ ким значением энергии активации U\ (ордината ОЛВ) на рис. 178. Это объясняется тем, что в данном случае деформация практи­ чески связана только с перемещением дислокаций в исходной плоскости скольжения (процесс переползания не реализуется).

При более высоких температурах ползучесть сопровождается возвратом (переползанием), в результате которого часть упроч­ нения снимается. Первая стадия ползучести, протекающая с убывающей скоростью, аналогична логарифмической, но отли­ чается количественно.

380

3,2

Е

АО,

В

О

Рис. 178. Зависимость энергии активации ползучести алюминия от температуры (Ch, Q2, Q3 — значения энергии для различных этапов). Пунктирная кривая соответствует большей деформа­ ции, чем сплошная) [151)

Постоянная скорость деформации на второй стадии объяс­ няется тем, что упрочнение компенсируется возвратом. Это зна­ чит, что по мере увеличения внутренних напряжений они релаксируют за счет прорыва (или обхода) дислокациями барьеров. В модели Виртмана процесс возврата на линейной стадии ползучести может быть осуществлен за счет переполза­ ния дислокаций.

Скорость установившейся ползучести, контролируемая пере­ ползанием, может быть описана выражением

(IX. 2)

где с — постоянная; от — приложенное напряжение;

Q — энергия активации самодиффузии;

п — в зависимости от структуры меняется от 3 до 4. Согласно этой модели, должна быть сильная зависимость

скорости ползучести от напряжения. Одна из возможных при­ чин— наличие большого количества порогов, к которым вдоль дислокаций с большой скоростью двигаются вакансии. Уравне­ ние хорошо выполняется для чистого алюминия в пределах деся­ тикратного изменения скорости ползучести. При высоких напря­ жениях скорость ползучести выше расчетной.

Когда происходит переползание дислокаций вдоль границ зерен, то энергия активации в уравнении Виртмана должна сов­ падать с энергией активации не объемной, а граничной самодиф­ фузии.

Возможно, что при более низких температурах установив­ шуюся стадию ползучести контролирует поперечное скольжение. Однако при этом уничтожаются только винтовые компоненты и можно удалить только примерно половину общего числа дисло­ каций. Следовательно, если не будет происходить переползание

381

краевых дислокаций, плотность их будет возрастать и постоян­ ная скорость процесса не будет достигнута.

Из рис. 178 следует, что участок, отвечающий энергии актива­ ции ползучести с возвратом для алюминия (CDEF), состоит из двух частей: отвечающей более высокой температуре (EF), с энергией активации, равной энергии активации самодиффузии, Q3 и более низкой температуре (CD) с меньшим значением энергии активации Q2.

Хотя не все детали механизма ползучести очевидны, однако многие экспериментальные данные можно объяснить, приняв, что скорость ползучести на установившейся стадии определяется скоростью переползания заторможенных дислокаций (Мотт).

Изменение структуры при ползучести

Если деформация в условиях ползучести происходит под действием даже очень небольших напряжений, на поверхности образца наблюдаются полосы скольжения (т. е. происходит перемещение дислокаций).

Деформация, наблюдаемая на поверхности образца при оптических увеличениях, представляет собой лишь часть общей деформации и составляет от нее примерно 50%. Остальная де­ формация сосредоточена в тонких полосах скольжения, которые не обнаруживаются под оптическим микроскопом.

На рис. 179 [357] показаны временные зависимости различных вкладов в общую деформацию никеля: деформации за счет образования ступенек вдоль границ зерен егр, деформации, обу­ словленной скольжением в зернах еСк, и деформации, следы которой металлографически не выявляются е*. В зависимости от условий испытания ех составляет 40—80% от общей деформации е0бщПолученные опытные данные удовлетворяли уравнению (IX.2). Сделан вывод о том, что ступеньки у границ являются следствием неодинаковой деформации соседних зерен.

Исследование дислокационной структуры алюминия в про­ цессе ползучести [интервал температур 20—400° С, напряжение 5—140 Мн/м2 (0,5—14 кГ/мм2)] методами электронной микроско­ пии на просвет и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [361] обнаружило следующую картину: в начальные моменты

Рис. 179. Общая деформация ползучести никеля еобщ [600° С,

занные с грубыми следами скольжения и границами зерен; вх — деформация, не выявляю­

щаяся металлографически [357]

382

деформации в структуре возникает большое число дислокаций; в результате их движения и взаимодействия образуются сложные дислокационные сетки. На первой стадии ползучести идет фор­ мирование ячеистой структуры и некоторое увеличение размеров ячеек. К началу установившейся ползучести заканчивается образование ячеек с четкими границами раздела и малой плот­ ностью дислокаций внутри ячеек. Далее отмечается разрушение дислокационной структуры на границах одной части ячеек: дислокации выходят из таких границ, свободно проходят через ячейки до следующей границы. При этом размеры ячеек и плот­ ность дислокаций на оставшихся границах возрастают. [В ото­ жженном техническом алюминии, например, средний размер ячеек меняется от 0,7 до 183 мкм2, а среднее расстояние между дислокациями на границах изменяется от 20 до 15 нм (200 до

о

150 А) при 250° С.] С увеличением напряжений или понижением температуры размеры ячеек уменьшаются. При высоких темпе- [ратурах (350—400° С) и низких напряжениях закономерности изменения дислокационной структуры при ползучести отличают­ ся от описанных.

Наблюдение деформации алюминия.в интервале 200—600°С 1[376] показало, что ползучесть на границах зерен идет неравно­ мерно и на одних границах она больше, чем на других, что мо­ жет быть связано с различной ориентировкой зерен по отноше­ нию к действующей силе. Как отмечалось ранее (см. гл. III), методом авторадиографии было показано, что процессы самодиффузии и диффузии по границам зерен протекают неравномер­ но, что указывает на неоднородное строение самих границ.

В сплавах на основе алюминия, железа и некоторых других наблюдалась линейная связь между смещением по границам и общей деформацией. В других материалах (р-латунь, свинец) связь не линейная. Общее удлинение, по-видимому, является суммой удлинения, связанного с кристаллографическим (т. е. внутри зерна) скольжением и смещением по границам. Сущест­ вует также связь между объемным скольжением и граничным.

Согласно [358], одним из определяющих процессов на второй стадии ползучести является образование и развитие трещин.

Исследования алюминия и его сплавов [359] привели к выводу о том, что линии сдвигов могут представлять собой зародыши микротрещин. Разрушение может происходить вследствие накоп­ ления нарушений в процессе кристаллографически ориентирован­ ного смещения атомов, особенно в местах, где скапливаются примесные атомы.

В процессе ползучести получает развитие полигонизация. Однако для разных металлов этот процесс выражен в разной степени. Так, полигонизация интенсивно протекает в алюминии, олове, цинке, a -железе, никеле и значительно слабее в свинце, меди, у-железе, серебре, золоте. Полигонизация, по-видимому,

383

реализуется в тех металлах, в которых склонность к расщепле­ нию дислокаций невелика. При ползучести наблюдается также миграция границ зерен, что объясняется давлением дислокаций,, накапливающихся у границ. Накопление избыточной энергии (в виде упругой энергии дислокаций) происходит в разных зер­ нах неравномерно. Граница должна мигрировать в зерно с повышенной энергией (см. гл. V).

Диффузионная ползучесть

Медленное удлинение образца под воздействием приложен­ ных напряжений возможно не только путем скольжения в соот­ ветствии с дислокационным механизмом, но и путем направ­ ленной диффузии. При этом приложенное напряжение произ­ водит определенную работу [360, 361]). Согласно Херрингу, диф­ фузионная ползучесть может идти со значительной скоростью, если границы зерен (или свободная поверхность) являются ис­ точником вакансий, а перенос вещества осуществляется через объем Зерна.

Под воздействием растягивающих напряжений вакансии будут перемещаться к боковой поверхности кристалла (избы­ точная концентрация вакансий будет пропорциональна ob3/RT), а поток атомов в противоположную сторону — к торцам кри­ сталла, за счет чего и возникнет деформация. Аналогичная ситуация возникает при сжатии, но на поверхности возникает

оЬэ ~

локальное недосыщение вакансиями, равное--------Энергия

RT

активации ползучести равна энергии активации самодиффузии. Если границы зерен действуют как источники и стоки, то удли­ нение должно зависеть от величины зерна.

Херринг и Набарро дали уравнение для диффузионной

ползучести, в котором скорость течения едафф зависит от коэф­ фициента объемной самодиффузии D, величины приложенных напряжений а и размера зерна d следующим образом:

ob:i

е (IX. 3)

~RF ’

где b — параметр решетки, В{ ^ 2 [360]. Экспериментальные зна­ чения скоростей удлинения находятся между расчетными значе­ ниями с использованием одной и другой константы.

В соответствии с приведенным выражением наблюдалась линейная зависимость скорости ползучести от напряжения. Влияние величины зерна также соответствовало приведенному выражению. Опыты проводили на серебре, золоте и меди при малых нагрузках и высокой температуре, а также на образцах хрупких ионных кристаллов А120 3 или 1Ю2, имевших в сечении одно зерно. Однако в реальных условиях эксплуатации зависи-

384

мость скорости ползучести от напряжения обычно не линейная-, а степенная.

По-видимому, диффузионная ползучесть должна наблюдать­ ся при низких напряжениях и достаточно высоких температурах.. Для чистого никеля была сделана оценка величины напряжения,, при которой меняется механизм деформации. Величина критиче­

скорость ползучести выражена через коэффициент диффузии по границам зерен £>гр:

где В = const ~ 150;

W — ширина границы зерна; d — размер зерна.

Следует иметь в виду, что даже при не оченьвысоких тем­ пературах механизм скольжения может смениться механизмомдиффузионной ползучести в условиях очень длительного воздей­ ствия нагрузки, например ~ 100000 ч для элементов реакторов. Показано [404], что диффузионная ползучесть в зависимости от экспериментальных условий может контролироваться объемной или зернограничной диффузией. Условие превалирующей роли диффузии по границам зерен выражается соотношением

Из этого соотношения следует, что поскольку коэффициент диффузии по границам и в объеме зерен по-разному меняется с температурой, то при данном размере зерен должна существо­ вать критическая температура Г1ф, до которой роль диффузии, по границам зерна будет решающей.

Был произведен расчет применительно к сплаву Zr + 10% Sn.- Использовав известные экспериментальные значения параметров;; диффузии в объеме и по границам и приняв ширину границы1; равной 10-7 см, для d « 5-10-3 см получили TKV= 887° С. Такимобразом, механизм зернограничной диффузии при ползучести'- является господствующим при всех температурах для сплава1 циркония в a -состоянии. Расчет скорости зернограничной пол­ зучести по формуле (IX.4) при напряжении 20 Мн/м2 (2 кГ/мм2) в зависимости от температуры дал результаты, находящиеся с опытными данными в разумном согласии.

Диффузионная ползучесть может быть также обусловлена влиянием субграниц или отдельных дислокаций [19J. Если дисло-

кации слабо расщеплены, то источниками или стоками вакансий могут служить дислокационные стенки или отдельные дислока­ ции. В этом случае диффузионная ползучесть может быть описана той же формулой (IX.3), но должна протекать быстрее, так как пути вакансий короче. В этом случае d — это размер не зерен, а субзерен. Такой вид ползучести, наблюдаемый при высоких температурах и малых напряжениях, количественно согласуется с опытными данными о ползучести алюминия.

При разных механизмах скорость ползучести и время до разрушения меняются с температурой экспоненциально, что со­ ответствует температурной зависимости коэффициента диффу­ зии. Скорость ползучести и время до разрушения в зависимости от напряжения могут изменяться по линейному показательному и степенному закону. Для диффузионной и зернограничной ползучести характерна линейная зависимость, а для ползучести, определяемой действием дислокационного механизма,— экспо­ ненциальная [404].

Диффузия и жаропрочность

При достаточно высоких температурах и не слишком боль­ ших скоростях деформации часто наблюдается совпадение значений энергии активации установившейся ползучести и само-

270 кдж1г-атом (65 ккал/г-атом), а энергия активации самодиффузии никеля равна 280 кдж/г-атом (65,9 ккал/г-атом) (табл. 38).

Т а б л и ц а 38. Энергии активации ползучести и самодиффузии при высоких

температурах [356]

386

При сравнительно высоких температурах (Т > 7г Тпл) энер­ гия активации ползучести чистых металлов, подобно энергии активации самодиффузии, не зависит от температуры, а при более низких зависит.

В работе [363] отмечено приблизительно постоянное значение

сплавов и сделан вывод, что предельный температурный урорень

Из приведенных данных видно, что при одинаковой темпе­ ратуре коэффициент самодиффузии титана на два порядка выше,, чем никеля. Отсюда, в частности, следует, что низкая жаро­ прочность титановых сплавов, несмотря на высокую темпера­ туру плавления, объясняется большой диффузионной подвижно­ стью в этих сплавах.

Соответствие (во многих случаях количественное) между жаропрочностью и диффузионной подвижностью можно полу­ чить при сопоставлении чистых металлов, а качественное — при рассмотрении сплавов на их основе.

В работе Бринкмана приведено сравнение скорости ползуче­ сти и самодиффузии железа в а- и у-состоянии при температуре полиморфного превращения 1183° К (910° С). Обнаружено, что для a-железа скорость ползучести примерно в 200 раз, а скоростьсамодиффузии в 350 раз больше, чем для у-железа.

Качественное соответствие наблюдается часто для твердых растворов. Легирование ниобия молибденом [366] приводит к одинаковому изменению энергии активации ползучести на уста­ новившейся стадии и энергии активации самодиффузии, а мак­

ипо границам зерна, показанному в табл. 39.

Сповышением температуры влияние легирования на скорость^ диффузии ослабевает. Например, введение в никель 20% Сг

специального обсуждения. Очевидно, что ползучесть с возвратом1-

Т а б л и ц а 39. Влияние легирования на энергию активации диффузии олова в никелевых сплавах

Следует отметить, что наблюдается не только совпадение, но и существенное расхождение величин энергии активации указан­ ных двух, процессов даже для чистых металлов. Так, для цинка в интервале 70—120° С Qnona = 88 кдж/г-атом (21 ккал/г-атом), что близко к энергии активации самодиффузин, а при более высоких температурах (330—400° С) Qnona постепенно возрастает до 159 кдж/г-атом (38 ккал/г-атом). Эта величина совпадает с энергией активации призматического скольжения в цинке. Анало­

388