книги / Строение и свойства металлических сплавов

месей. Так, присадка 0,01% В приводит к уменьшению скорости диффузии никеля при 800° С по границам зерна никелевого спла­ ва примерно в 5 раз и увеличивает в 4 раза время до разруше­ ния [при 975° С и о = 196 Мн/м2 (20 кГ/мм2)].

Диффузионное насыщение границ зерен никеля оловом уско­ ряет диффузию (увеличивает Drp) в 7 раз при 700° С, а насыще­ ние иттрием замедляет в 4 раза при 800° С. В последнем случае, по-видимому, на диффузию оказывали влияние дисперсные

дислокационных реакций, главным образом, по-видимому, на. скорость возврата при ползучести [356].

Разрушение при высоких температурах

Давно установлено, что предел прочности металла приразрыве в условиях ползучести является функцией времени. Предполагается, что в основе этого процесса лежит зарождение и постепенный рост микротрещин (при низких и средних темпе­ ратурах) или микропор (при высоких температурах) задолго дотого, как ускоренный, лавинообразный рост их приведет мате­ риал к полному разрушению.

Для описания механизма зарождения трещин при низких и средних температурах предложен ряд дислокационных моделей,, основные из них рассмотрены в обзорах [87, 373]. В некоторых случаях дислокационные модели могут быть применены для объяснения зарождения трещин и при высоких температурах [398, 399].

Большинство исследователей согласно с тем, что поры в условиях ползучести растут за счет диффузии вакансий и их конденсации на зародышевых микродефектах, а когда микро­ трещина или пора путем постепенного роста или соединения с соседними становится достаточно большой (чтобы расти как трещина Гриффитса), образец разрушается.

Характерной чертой высокотемпературного разрушения является то, что с повышением температуры и понижением скорости деформирования возрастает склонность металла к межзеренному разрушению. При этом резко падает величина общей деформации, достигнутой к моменту разрушения, по срав­ нению с аналогичной деформацией при внутризеренном раз­

рушении.

Разрушению в условиях ползучести часто предшествуют образование и рост по границам зерен мелких овальных поло­ стей — пор. Поры располагаются на некотором расстоянии одна от другой или, сливаясь, образуют цепочку (рис. 185). В ряде

399

5) зарождение микротрещин в результате термически акти­ вируемого разрыва атомных связей.

1 Наличие готовых, существующих до приложения нагрузки микропор и микротрещин обнаруживается при исследовании некоторых материалов методом малоуглового рассеяния рентге­ новских лучей. Согласно [372], однако, существование пор на межзереиных границах до приложения напряжений маловероят­ но. Из опытов [379] следует, что поры появляются только под влиянием высокотемпературной деформации.

В работе Миркина и Рыбаковой [377] найдена количественная зависимость числа пор от напряжения. Для меди и нескольких сплавов никеля показано, что

N = Ао\

где N — число пор на единице площади шлифа;

а— приложенное напряжение;

А— постоянная.

Вработе [380] показано, что число пор, видимых под опти­ ческим микроскопом, возрастает в ходе испытания.

Согласно гипотезе о наличии готовых дефектов в материале следовало бы ожидать, что после достижения видимых при дан­ ном увеличении размеров число пор должно было бы оставаться постоянным. Возможно, что некоторое число микропор действи­ тельно существует и в ненагруженном металле, но они, очевид­ но, составляют лишь небольшую долю тех пор, которые наблю­ даются перед разрушением, и не они определяют его

наступление.

2. Как уже указывалось (см. гл. II), при определенных условиях концентрация вакансий может превышать равновес­ ную. Точечные дефекты могут образовываться при пластической деформации, однако точно не установлено соотношение между степенью пластической деформации е и концентрацией вакан­ сии с. Дана только приближенная оценка: с ^ 10-4 10-5 е. Эта зависимость относится к быстрой деформации при комнатной температуре.

Если учесть большую подвижность вакансий при повышенной температуре, то, рассматривая ползучесть, можно предположить, что пересыщение решетки вакансиями в каждый момент вре­ мени невелико.

Согласно [18], величина избыточной концентрации вакансий при ползучести зависит от скорости деформации. На основании оценки степени пересыщения был рассчитан из энергетических соображений критический радиус сферической поры, способной к росту. Формально образование зародышевой полости может быть представлено как аналогичный процесс, происходящий при кристаллизации, но в первом случае должна учитываться еще и энергия упругой деформации, появившаяся в результате действия приложенных напряжений.

401

Приведенная в работах [116, 18] оценка дает величину диа­ метра устойчивого зародыша d ~ 3 мкм, что соответствует объему поры уп = Ю-11 см3. Объем вакансий vB = 1,5-10-23 см3, следовательно, для зарождения устойчивого зародыша поры требуется скопление 1012 вакансий. Образование такой флуктуа­ ции маловероятно для ползучести в обычных условиях. Надо, однако, учесть, что конденсации вакансий будут способствовать центры кристаллизации (например, дисперсные частицы окислов).

3. На образование ступенек или зубцов, которые развиваются при ползучести по границам зерен, указал А. А. Бочвар. Затем рядом исследователей зубцы на границах наблюдались при ползучести, а также в результате термомеханической обработки.

Грант [376] обнаружил, что поры в алюминиевых сплавах возникали только на границах с хорошо развитой зубчатостью. Иногда образование пор связывают не с зубчатостью, а с суб­ структурой в районе границы и наблюдают образование пор на стыке субгрс'ницы с границей. Однако между субструктурой и пористостью пет прямого соответствия.

Следует указать также на отмеченную в работе [379] разницу в склонности различных металлов к порообразованию, завися­ щую от конфигурации дислокаций. Так, в меди, где энергия дефектов упаковки мала, дислокации расщеплены, поперечное скольжение и переползание их и, следовательно, образование субструктуры затруднены. В этом случае дислокации не могут действовать как стоки для вакансий и последние конденсируются на зародышевых трещинах вдоль границ. В результате поры наблюдаются в меди в широком интервале температур. В никеле, где энергия дефектов упаковки выше, чем в меди, и особенно в алюминии, где она очень высокая, довольно легко происходит переползание дислокаций, поэтому, видимо, зернограничные поры и трещины в алюминии не удалось обнаружить вплоть до температуры плавления, хотя в никеле они и обнаружены.

Для объяснения образования пор на границах, расположен­ ных перпендикулярно оси растяжения, часто привлекают меха­ низм проскальзывания, который предполагает взаимное смеще­ ние в двух соседних зернах по определенному участку поперечной границы под воздействием касательных напряжений. В резуль­ тате такого смещения раскрываются зубцы, имеющиеся на этих границах, и образовавшиеся расщелины служат зародышами пор. Дальнейший рост происходит или за счет диффузии вакан­ сий и конденсации их на зародышах, или за счет продолжаю­ щегося проскальзывания.

Однако на меди и никелевых сплавах [377] поры были обнаружены при таких условиях, когда зернограничная зубча­ тость не наблюдалась.

4. Многочисленные дислокационные модели, описывающие механизм зарождения трещин, основаны на представлении о не­

402

однородном протекании пластической деформации в поликристаллическом материале [17, 373]. Образование очага разрушения происходит в кристаллическом материале в результате накопле­ ния дислокаций в каком-либо месте кристалла, которое проис­ ходит до тех пор, пока плотность их не достигнет критического значения и не образуется трещина. В литературе чаще всего обсуждается модель образования трещины в результате незавер­ шенного сдвига; согласно этой модели, образование скопления краевых дислокаций, а затем и трещины наблюдается в полосе скольжения перед препятствием. В ряде работ было высказано предположение, что по описанной выше схеме может происходить зарождение зериограничных пор и в условиях ползучести. Оче­ видно, в этом случае должна была бы наблюдаться корреляция между локализацией пор и трещин и расположением линий скольжения.

Однако образование микропор обычно наблюдается в усло­ виях ползучести при сравнительно высоких температурах и ма­ лых скоростях деформации, т. е. в условиях, когда заметно возрастает роль вязкого течения в процессе пластической дефор­ мации и соответственно уменьшается интенсивность перемеще­ ния и скапливания дислокаций. Известно, что число линий скольжения уменьшается с повышением температуры, в то время как отмечается увеличение числа пор в меди при повышении

[403], можно предположить, что в условиях ползучести зароды­ шевые микротрещины возникают в местах пиков растягивающих напряжений под воздействием термических флуктуаций. Наложе­ ние внешних напряжений приводит к появлению наибольших растягивающих напряжений на границах, перпендикулярных оси растяжения. Эти напряжения резко неоднородны ввиду неодно­ родности как самой границы, так и упрочнения ее, вызванного предшествующей деформацией. Разрыв атомных связей проис­ ходит на границе, а не в зерне, еще и потому, что тепловая энер­ гия и энергия искажений на границе понижают величину механи­ ческой энергии, необходимой для отрыва.

В работе [377] показано, что число очагов разрушения резко увеличивается с возрастанием действующего напряжения, но что это число зависит не от абсолютной величины напряжения, а от той доли, которую оно составляет от величины разрушающего напряжения для данных условий (рис. 186). Это, как полагают авторы, согласуется с представлениями о зарождении очагов разрушения, развитыми в работах [374, 375].

Следует, однако, отметить, что эта модель не учитывает пластическую деформацию, предшествующую разрушению, в том числе и хрупкому. Не ясен также результат, полученный (для никелевых сплавов при 700—850° в интервале 100—1000 ч) в

403

Рис. 186. Зависимость числа пор от отношения о/оразр для раз­

личных материалов и условиП растяжения [377]:

I — медь; 2 — сплавы никеля

[377]: одинаковый и достаточно большой размер минимального зародыша поры. Возможно, это объясняется условиями экспери­

мента.

В механизме зарождения поры, кроме разрыва связей, существенную роль, по-видимому, играет коагуляция вакансий с учетом влияния дефектов структуры и приложенных напря­ жений.

Рост пор в условиях ползучести

Принято считать, что рост пор в условиях ползучести связан с диффузией вакансий и может осуществляться по одному из следующих механизмов:

а) конденсация вакансий на зародышевых микротрещинах и рост зародышевых микротрещин, благоприятно ориентирован­ ных в поле напряжений;

б) рост зародышевых микротрещин в результате проскальзы­ вания вдоль поперечной границы.

В соответствии с первым механизмом предполагается, что имеющиеся в материале микропоры могут служить стоками для вакансий [381].

В работе [382] рассмотрено передвижение вакансий в неодно­ родном поле напряжений овальной микропоры из упруго растя­

404

нутых областей в сжатые, что способствует округлению поры. Однако деформация в локальном объеме совершается за малый промежуток времени, поэтому возникает пересыщение вакансия­ ми участков у концов большой оси овальной поры. Все вакансии не успевают диффундировать в окружающий объем металла и. пора будет расти в длину, превращаясь в трещину. По этому механизму будут расти только такие поры, которые определен­ ным образом ориентированы относительно действующего напряжения.

Хотя большинство исследователей разделяет точку зрения диффузионного роста пор, появилось несколько работ, согласно которым поры могут расти исключительно за счет проскальзы­ вания вдоль границы [383].

В пользу диффузионного механизма подрастания зародыше­ вых трещин свидетельствуют данные об изменении долговечно­ сти под нагрузкой для образцов в различном состоянии [384]. Наибольшую долговечность имеют отожженные образцы, не­ сколько меньшую — наклепанные и гораздо меньшую — образцы, полученные электролитическим осаждением. Предполагается, что во втором и третьем случае все диффузионные процессы ускоряются.

Неясно, какой вид диффузии определяет рост пор и их фор­ му: по границам зерен или через объем зерна?

Показано, что в условиях ползучести радиус пустот увеличи­ вается со временем линейно (серебро) или по закону d ~ т 12 [385] и d ~ т1;* (медь) [167]. Все три экспериментально получен­ ные зависимости роста пор от времени не противоречат модели, основанной на диффузии вакансий.

Ранее был рассмотрен* механизм деформации путем диффу­ зионного переноса вещества— механизм диффузионной ползуче­ сти. Отметим, что, согласно расчетам [18], изменения размера пор в процессе ползучести могут быть объяснены с точки зрения этого механизма.

Порообразование в условиях вакуума

Вакансионный механизм образования пор должен действо­ вать при высоких температурах, поскольку в этих условиях легко возникает избыточная концентрация вакансий и возможно образование поры в результате взаимной диффузии компонентов, протекающей с различной парциальной скоростью. Этот процесс наблюдается во многих случаях, в частности при удалении из сплава летучего компонента. В этом случае, согласно оценке [116], относительное пересыщение вакансиями может достичь Ас/со « 10-1— 10-2. Ниже рассматривается вызванный субли­ мацией процесс порообразования в различных сплавах.

В работе [59] процесс порообразования исследовали для латуни (Л32). Нагрев образцов с отгонкой летучего компонента

405

ний (4,2%) [291]. Поры об­ разуются не в объеме сплава, как в латуни, а на его поверх­

ности в виде отдельных фрагментов или целых зерен. Нагрев прй 350—600° С в условиях вакуума 0,133 Мн/м2 (10_6 тор) вначале вызывает травление границ зерен, затем — образование внутри зерен сетки субграниц и при достаточной выдержке — испарение фрагментов зерен или целых зерен (рис. 189). Поры обычно огра­ ничены плоскостями с плотной упаковкой атомов и либо распо­ лагаются на границах зерен, либо на границах зерен бывают бо­ лее крупными и менее правильной формы. Последнее объясняет­ ся менее совершенной упаковкой атомов на границах. Испарение различных зерен идет с неодинаковой скоростью, что объяснено различием состава и строения, а также кристаллографической ориентировки.

По изменению массы образцов при испарении определялся коэффициент диффузии при разных температурах. Были полу­ чены значения, которые находились в соответствии со значения­ ми коэффициента диффузии цинка и магния в алюминии, а энергия активации процесса порообразования для сплава В-92 оказалась близкой к значениям энергии активации диффузии цинка в алюминии: 111 и 109—117 кдж/г-атом (26,4 и 26— 28 ккал/г-атом) соответственно, получаемых независимо в диф­ фузионных опытах.

Исследование влияния температуры и времени нагрева пока­ зало, что с повышением температуры число пор возрастает, а по времени они образуются раньше. Однако после того, как поры возникают, число их и размер с течением времени мало изме­ няются.

Существенную роль в процессе порообразования играет состояние поверхности. Удаление поверхностного слоя с по­ мощью электрополировки, возникшего после механической об-

407