6.2.1. Испытания на ползучесть

Наиболее важный вид ползучести — медленная ползучесть, которая возникает в интервале температур (0,4 — 0,7 Т_т) материала. Если в процессе

испытания материала деформация 5 про­текает при условии постоянства темпера­туры (Т = const) и напряжения (ст = const), то такой процесс деформирования назы­вают испытанием на ползучесть.

Показатели ползучести определяют на специальных установках, которые по­зволяют при заданных Г и ст измерять деформацию ползучести 8 (рис. 6.1).

Согласно ГОСТ 3248—81, на ползу­честь испытывают растяжением серию об­разцов при заданной температуре и не­скольких уровнях напряжений. Длитель­ность испытаний составляет 50—100 000 ч. В процессе испытаний строят диаграммы ползучести в координатах деформация — время (рис. 6.2).

На диаграмме ползучести рассматривают следующие четыре основных участка: Оа — участок в основном упругой деформации, ab — участок неус­тановившейся ползучести, be — участок установившейся ползучести, cd — уча­сток ускоренной ползучести, заканчивающийся разрушением в точке d.

Основными показателями ползучести являются скорость ползучести 5 = dS/dt и условный предел ползучести. Условным пределом ползучести назы­вается напряжение, вызывающее при данной температуре заданную деформацию за установленньш промежуток времени. Условный предел ползучести обознача­ют символом сг^,, МПа. В теплоэнергетике допускается деформация 1% за 10⁵ ч, в этом случае условный предел ползучести обозначается, например, так: ст⁵,⁵⁰₅ =130 МПа (напряжение, равное 130 МПа, вызывает 1% деформации за

10⁵чпри550°С). 8,%

Рис. 6.2. Кривые ползучести(а_х > а₂ > а₃)

В основном жаропрочные мате­риалы, используемые в технике, яв­ляются поликристаллами и процесс ползучести протекает в основном за счет перемещения дислокаций. Пол­зучесть, как уже сказано, сопровож­дается структурными превращения­ми, связанными с влияниями темпе­ратуры и напряжения. В этом про­цессе очень важное место занимает один из факторов — время. На крат-

ковременную прочность диффузионные процессы мало влияют, но значительно влияют на ползучесть. Границы зерен способствуют упрочнению при быстром нагружении, а при ползучести являютсянаиболее слабыми местами структуры, по которым и начинается разрушение. Рассматривая подробнее кривую ползу­чести (рис. 6.3), отметим, что на участке ab замедляется скорость деформации за счет перераспределения нагрузки между зернами в сторону более равномерной. На этом участке наблюдается преоблада­ние процесса упрочнения (за счет дейст­вия нагрузки), перераспределение дисло­каций и образование субструктуры. На

участке be с более равномерной скоростью ползучести процессы упрочнения и разупрочнения (за счет действия температуры) значительно сбалансирова­ны, но уже можно заметить появление мельчайших трещин и в основном по границам зерен, где начинаются разрушения. На участке cd преобладает дей­ствие факторов, которые приводят к разупрочнению, ускоренной деформа­ции и полному разрушению материала.

Слабыми местами считаются границы зерен у сплава, так как именно в этих местах наблюдается скопление огромного количества точечных и ли­нейных дефектов (вакансии, дислокации и т. д.), которые при высоких тем­пературах имеют большую энергию, что облегчает прохождение диффузи­онных процессов. При небольшом размере зерна у материала при ползучести происходит перемещение одного зерна относительно другого вдоль поверх­ности их раздела, т. е. наблюдается скольжение и дислокации могут перепол­зать на новые плоскости, что совсем нежелательно.

Испытание на длительную прочность. Длительной прочностью назы­вают способность материала сопротивляться разрушению в условиях дли­тельного статического нагружения. При испытаниях на длительную проч­ность образец проходит все стадии ползучести вплоть до разрушения. Испы­тания на длительную прочность отличаются от испытаний на ползучесть только тем, что образец доводится до разрушения, а регистрация деформа­ции в этом случае не обязательна.

В результате испытаний на длительную прочность определяют предел длительной прочности — напряжение, которое доводит образец до полного разрушения за данный промежуток времени при постоянной температуре. Для определения предела длительной прочности испытывают 8—10 образ­цов при одной температуре, но различных напряжениях. Испытания прово-

дятся на тех же установках, которые предназначены для испытаний на пол­зучесть. Чем ниже напряжение, тем больше продолжительность испытания до разрушения (рис 6.4). Предел длительной прочности обозначается симво­лом <з[ . Например, ст"° = 150 МПа — напряжение, равное 150 МПа, дово­дит металл до разрушения за 10⁵ ч при 550 °С.

6.2.2. Пути повышения жаропрочности

Для увеличения жаропрочности необходимо максимально ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузионные процессы. Это воз­можно за счет повышения прочности межатомных связей, создания препят­ствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах и увели­чения размеров зерен.

Главными направлениями повышения жаропрочности являются: 1) увеличение прочности межатомных связей; 2) увеличение размеров зерен; 3) формирование гетерофазной структуры с мелкодисперсной упрочняющей фазой.

Прочность межатомных связей у большинства металлов недостаточна для обеспечения жаропрочности и ее можно увеличить вводя в химический состав стали более тугоплавкие металлы. Если же говорить о жаропрочных сплавах, то у них за основу берут такие тугоплавкие металлы, как хром, ни­кель, молибден и т. д.

Крупнозернистость — характерная особенность структуры жаропроч­ных материалов. Чем крупнее зерна, тем меньше протяженность межзерен-ных границ и слабее межзеренное скольжение и диффузионные перемеще­ния. Это идеально выполняется у монокристаллов, у которых одно зерно, но в технике они используются редко.

В целях упрочнения границ зерен и замедления процессов диффузии в сталях и жаропрочных сплавах вводятся в небольших количествах (ОД—0,01%) бор и церий. Эти элементы имеют малый атомный диаметр и распола­гаются по границам зерен (в местах наибольшего скопления дефектов) и более чем в десять раз замедляют процессы диффузии.

Высокими жаропрочными свой­ствами обладают стали, легированные карбидообразующими элементами тугоплавких металлов, такими, как хром, ванадий, вольфрам, и другие, у этих сталей формируется карбидный каркас, который и способствует резкому за­медлению перемещения дислокаций. Кроме легирования гетерофазную структуру можно формировать с помощью термической обработки. Для ни­келевых дисперсионно-стареющих сплавов закалка с последующим старени­ем происходит с выделением интерметаллидов, которые способствуют уве­личению жаропрочности. Эта фаза, состоящая из мелких частиц, располага­ется по всему объему металла и активно тормозит перемещение дислокаций.

При выборе основы материала необходимо учитывать, что уровень жа­ропрочности чистого металла связан с температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость само­диффузии и, как следствие, меньше скорость ползучести. Из этого следует, что температура начала плавления сплавов должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава значительно ниже, чем металла основы, то при высоких температурах чистый металл может быть прочнее самого сплава.

Для получения высокой жаропрочности необходимо иметь в структуре частицы избыточных фаз — упрочнителей. Из сказанного выше можно за­ключить, что многие жаропрочные сплавы термически упрочняются. В них частицы избыточных фаз образуются во время старения после предвари­тельной закалки. Во время эксплуатации при комнатных и повышенных тем­пературах частицы коагулируют, увеличиваются расстояния между ними и существенно снижается эффект упрочнения. При этом можно отметить, что выделения, кристаллографически близкие к матрице, дольше остаются коге­рентными и не коагулируют. В условиях длительной работы при высоких температурах необходимо иметь в виду, что в стареющих сплавах обычно трудно сохранить максимальную дисперсность выделений, которые способ­ствуют уменьшению скорости ползучести и высокой длительной прочности.

Для замедления этого процесса легирующие элементы необходимо вы­бирать таким образом, чтобы избыточная фаза состояла из медленно диф­фундирующих компонентов и не содержала металла — основы. Такие фазы обычно представляют собой металлические соединения со сложной кристалли­ческой решеткой и высокой жаропрочностью. Максимально^ жаропрочностью отличаются дисперсно-упрочняемые сплавы, содержащие в основе практически не взаимодействующие с ней частицы, например карбиды, оксиды и бориды.

Необходимо отметить, что при производстве жаропрочных сплавов ис­пользуются достаточно чистые шихтовые материалы со строго ограничен­ным количеством нежелательных примесей, которые способны образовывать легкоплавкие эвтектики (например, свинец, олово, сурьма и т. д.).

Выше уже отмечалась значимость морфологических характеристик вы­делений избыточных фаз: повышение жаропрочности тем существеннее, чем дисперснее частицы, меньше расстояния между ними, больше частиц на межзеренных границах. Конечно, очень важно помнить, что заметно влияют на характеристики жаропрочности и структурные параметры матрицы в пер­вую очередь размеры зерен и субзерен.

Рассмотренные особенности влияния легирования на сопротивление ползучести и предела длительной прочности определяют основные требова­ния к структуре и фазовому составу жаропрочных сплавов: 1) высокая сте­пень легирования твердого раствора медленно диффундирующими компо­нентами (Сг, Мо, V и т. д.); 2) присутствие дисперсных частиц фаз-упрочни-телей; 3) стабильность структуры; 4) прочность границ зерен.