книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

нения с температурой при испытаниях с постоянными скоро­ стями деформации на поперечных (в отношении направления прокатки) образцах показано на рис. 55. Пунктирными линиями нанесены аналогичные зависимости, полученные при испытании продольных образцов. С повышением температуры до 700° С от­ носительное удлинение поперечных образцов снижается более ин­ тенсивно, чем продольных. При 800° С различия почти не наблю­ дается.

Рис. 55. Изменение относительного удлинения стали 1Х18Н9Т с температурой. Скорость деформации, %!ч:

1 — 180; 2 — 3,6; 3 — 0,6; 4 — 8-10-2; сплошные линии — поперечные образцы; пунк­ тирные — продольные образцы

Соотношение относительного удлинения продольных и попереч­ ных образцов при изменении скорости деформации показано на рис. 56. При температурах 500, 600, 700° С деформационная спо­ собность прокатанного металла в поперечном направлении на 20—30% ниже. С понижением скорости деформации это соотно­ шение сохраняется.

Таким образом, для исследованной стали 1Х18Н9Т примени­ тельно к длительной работе в условиях высоких температур (до 700° С) коэффициент анизотропии по относительному удлинению

1,3 -1,4 .

В принципе причины анизотропии пластичности как при крат­ ковременных испытаниях и нормальной температуре, так и в усло­ виях длительной работы при высоких температурах являются общими. В обоих случаях при деформации металла интенсивность

132

повреждаемости у поперечных образцов выше [24, 153], а сопро­ тивляемость развитию уже имеющимся или вновь возникающим дефектам ниже [24, 90, 153].

Однако имеются и специфические особенности высокотемпера­ турного разрушения. Характер излома в значительной степени определяется направлением вырезки образцов. Для продольных образцов типичен волокнисто-кристаллический излом. Доля кри-

ьо

к %Л

Рис. 56. Изменение относительного удлинения стали 1Х18Н9Т с понижением скорости дефор­ мации:

а — 400; б — 500; в — 600; г — 700; д — 800° С; сплошные линии — поперечные образцы; пунктир­ ные — продольные образцы

сталлического излома растет с увеличением температуры и времени испытания. Для поперечных образцов характерен слоистый излом, который сохраняется и в условиях длительных .испытаний при высокой температуре.

Продольные образцы из стали 1Х18Н9Т разрушаются с обра­ зованием большого числа единичных межзеренных надрывов дли­ ной, близкой к диаметру зерна (рис. 57, а). При тех же условиях деформации на поперечных образцах возникают микротрещины, длина которых значительно больше (рис. 57, б). В последнем случае местами зарождения и развития трещин являлись участки ослабленной спаянности волокон зоны неоднородности, обусло-

Значительный рост местных напряжений в случае работы в по­ перечном направлении будет способствовать переходу к лавинному разрушению на более ранней стадии деформации и, следовательно, к снижению деформационной способности металла.

Как уже упоминалось, местом возникновения первичных тре­ щин в поперечных образцах являлись ослабленные участки, на которых связь соседних зерен нарушается остатками усадочной рыхлости, газовыми, шлаковыми выделениями, ликватами, вы­ тянутыми при прокатке в продольном направлении. При микроструктурном анализе эти участки выявляются по ярко выражен­

ной «строчечности». Коагуляция
вакансий	на участках границ	Т А Б Л И Ц А	28
с несплошностями интенсифици­		Пластичность	прокатанной (наклеп
рует рост микротрещины и спо­		18%) стали 1Х18Н9Т после испытания
собствует	развитию хрупкого	при различных температурах на

	разрушения. Распространение	поперечных		образцах
	трещин на этих участках требует	V			бр. %
	значительно меньших энергети­		о о о
		%/ч			О
	ческих затрат, их рост осуще­		со	и	о о О	500° С
	ствляется при меньшей пласти­	313	7,3—8,7		2,9—8,5	1,3—10,2
	ческой деформации и с большей
		3,6		—	1,3—7,8	5,3—9,1
	скоростью.	8-10"2		—	3,2—6,5	3,7—4,6
	Локальная концентрация на­

пряжений, возникающих у отно­ сительно крупных дефектов, более опасна для металлов с высоким

пределом упругого сопротивления, в которых релаксация напря­ жений протекает с малой интенсивностью. В наклепанном металле в зонах с ослабленными межзеренными связями трещины на гра­ ницах развиваются более активно. Этому способствует более вы­ сокая в наклепанном металле концентрация вакансий и повышен­ ный уровень напряжений при деформировании. В результате от­ носительное удлинение поперечных образцов стали 1Х18Н9Т, на­ клепанной на 18%, в два раза ниже, чем продольных. Значение а 6 составляет соответственно 1,3; 1,4 для термически обработанного и 2 для наклепанного металла.

Интересно, что в данном случае значение коэффициента ани­ зотропии по пластичности, полученное на основании кратковре­ менных механических испытаний при нормальной температуре и высокотемпературных испытаниях с постоянной скоростью дефор­ мации, практически имеет ту же величину. Однако это не может быть распространено на другие материалы.

При испытаниях Поперечных образцов наклепанной аустенит­ ной стали отдельные образцы разрушаются при относительном удлинении, значительно меньшем (табл. 28). Такие выпады, по пластичности характерны для температур 400—500° С и относи­ тельно высоких скоростей деформации, т. е. условий, когда межзеренное разрушение практически еще не оказывает эффективного

влияния на пластичность. Это понижение деформационной спо­ собности следует объяснить наличием в отдельных образцах от­ носительно более крупных участков с ослабленными межзеренными связями, раскрытие которых в наклепанном, богатом ва­ кансиями металле возможно уже при умеренных температурах. Появление первых трещин, расположенных нормально к растяги­ вающему усилию, вызывает мгновенное разрушение путем среза под углом 45°. Появление чувствительности к дефекту в наклепан­ ной аустенитной стали 1Х18Н9Т зависит от температуры и ско­ рости деформации или времени работы металла, так как время, в течение которого участки с ослабленными межзеренными свя­ зями превращаются в микротрещины, определяется диффузион­ ными процессами. При скорости деформации 313%/ч оптимальной температурой развития трещины является 500° С, а для скорости 3,6%1ч температура 400° С. Можно полагать, что развитие такого рода дефекта возможно и при более низких температурах, но при длительных сроках работы металла или малых скоростях дефор­ мации.

Из сказанного следует, что появление склонности к хрупким разрушениям при работе металла с поперечным направлением волокна возможно в более широком диапазоне температур, чем при межзеренном разрушении.

Аналогично стали 1Х18Н9Т анизотропия пластичности на­ блюдается при длительной работе в условиях высоких температур как у аустенитных, так и у перлитных сталей. Значительная ани­ зотропия пластичности возможна также в литых материалах, в ко­ торых уровень относительного удлинения в большой степени за­ висит от характера кристаллизации и направления роста столбча­ тых кристаллов [34].

Вполне естественно, что дополнительное снижение пластич­ ности за счет анизотропии свойств катаного, кованого или литого металла особенно нежелательно в случае малой деформационной способности стали или сплава. Для таких металлов необходимо применять технологию производства металла, позволяющую резко снизить анизотропию пластичности (например, вакуумная плавка, электрошлаковый переплав).

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ОБРАЗЦА

О влиянии масштаба на склонность жаропрочных металлов

Кхрупким разрушениям имеются весьма ограниченные сведения.

В.Н. Гуляев [155, 156] исследовал длительную прочность трубных металлов при 600° С на образцах диаметром от 3 до 20 мм для стали 12Х1МФ и не обнаружил какого-либо влияния размера образца. Для стали 1Х18Н12Т при испытаниях образцов наимень­ ших размеров (диаметром 3 мм) им было выявлено некоторое сни­ жение времени до разрушения и пластичности. В работе А. С. Те-

решкович [157] при испытании сталей 1Х18Н9Т (при 610° С), 12Х1М1Ф (или 630° С), на образцах диаметрами от 4 до 10 мм не было выявлено влияние размеров образцов.

И. А. Одинг и 3. Г. Фридман [158, 159], исследуя длительную прочность малоуглеродистой стали при 450° С на образцах тол­ щиной 0,15—2 мм, обнаружили с уменьшением толщины образца заметное снижение прочности и пластичности (табл. 29). Сниже-

Т А Б Л И Ц А 29

Влияние размера образца из малоуглеродистой стали (0,15% С) на время до разрушения (т, ч), относительное удлинение (6Р, %) и скорость ползучести (vCD, %/ч) при 450° С [159]

О, М н / м *

(кГ /ммг)

265 (27,0)

245 (25,0)

230 (23,5)

215 (22,0)

Характе­ристикиметалла Т

^ср

X

бр

уср

Т

бр

^ср

Т

бр

уср

		Толщина образца, мм
2,0	1,0	0,5	0,3	0,2	0,15
74	77	40	23	16	22
16,6	14	12,5	11,5	9,5	8,0
0,184	0,182	0,312	0,500	0,593	0,600
139	170	115	42	32	26
16	14,5	12	9,5	6,5	7.1
0,115	0,085	0,104	0,285	0,234	0,273
392	350	234	234	654	60
14,5	13,5	13	6,0	5.0	7,0
0,037	0,038	0,057	0,097	0,093	0,092
572	800	678	140	—	98
15	14,5	11,0	5,0	—	4,0
0,026	0,018	0,016	0,035	—	0,04

ние толщины образца с 1 до 0,15 мм уменьшает время до разруше­ ния и снижает относительное удлинение с 16 до 4%. Наблюдаемый эффект можно объяснить значительным влиянием, в случае образ­ цов малого сечения, ослабленных поверхностных слоев [160]. Про­ тяженность ослабленного слоя, по данным Л. А. Гликмана [160], соответствует 2—3 диаметрам среднего зерна. При крупнозерни­ стой аустенитной или ферритной структуре влияние поверхност­ ного слоя более ощутимо.

Понижение прочности и пластичности образцов малого сече­ ния во многих случаях является результатом влияния наклепан­ ного поверхностного слоя [129, 133, с. 7, 161]. Одновременная деформация пластичного металла внутренней части сечения и на­ ружного слоя с низкой деформационной способностью приводит к возникновению поверхностных трещин. Глубина их примерно соответствует диаметру зерна. В случае образца малого диаметра с грубозернистой структурой трещины занимают значительную часть сечения и быстро развиваются; в образцах большого диа­ метра влияние таких трещин значительно меньше. Влияние на­ клепанного поверхностного слоя на межзеренное разрушение на­ блюдается в аустенитных сталях и сплавах 1Х18Н12Т [141, 162], ХН80Т (ЭИ437) [129, 161] и др.

Необходимо отметить, что общая тенденция к преимуществен­ ному развитию межзеренных поверхностных трещин у аустенит­ ных сталей из-за повышенной концентрации вакансий в наружном слое [47, с. 2] способствует в случае малого сечения и крупнозер­ нистой структуры металла снижению длительной прочности и пластичности.

При дополнительном активном воздействии окружающей среды прочность и пластичность металла с уменьшением сечения сни­ жается интенсивнее. Особенно резко проявляется влияние мас­ штабного фактора при воздействии водорода [91] и жидкого ме­ талла [165], т. е. в случаях, когда среда влияет на межзеренную прочность.

Для большинства металлов влияние поверхностного слоя на прочность и пластичность (конечно, в случае отсутствия активного воздействия среды) практически прекращается при толщинах 6—8 мм [156, 161]. Исключением являются литые аустенитные стали, у которых размеры зерен составляют несколько милли­ метров [27].

При исследовании длительной прочности на образце диаметром более 10 мм в некоторых случаях наблюдается проявление обыч­ ного масштабного эффекта, широко изученного для хрупких ме­ таллов, — уменьшение прочности и пластичности с увеличением деформируемого объема. Так, например, уменьшение времени до разрушения стали с увеличением диаметра от 10 до 15 мм наблю­ дал В. Н. Гуляев на стали 1Х18Н12Т [156]. С. В. Серенсен [155, с. 193] при исследовании длительной прочности пластичного алю­ миниевого сплава обнаружил некоторое уменьшение времени до разрушения и сужение сечения с увеличением диаметра образца от 2 до 16 мм.

Влияние масштабного фактора на деформационную способность становится более ощутимым, если металл склонен к хрупким раз­ рушениям. Такое заключение может быть сделано из рассмотре­ ния рис. 58. Сплошными линиями показано изменение относитель­ ного удлинения стали ХН35ВТ (ЭИ612) с температурой, опреде-

ленного при испытаниях с постоянной скоростью деформации на образцах диаметром 8 мм. Пунктирные кривые построены по дан­ ным, полученным при испытаниях образцов диаметром 22 мм. В обоих случаях расчетная длина была 100 мм. Деформация, предшествующая разрушению (в условиях равных скоростей де­ формации), у образцов диаметром 8 мм всегда несколько выше, чем у образцов диаметром 22 мм. Это особенно заметно при темпе­ ратурах 550 и 650° С, когда у стали ХН35ВТ (ЭИ612) склонность к хрупким разрушениям проявляется сильнее (см. гл. II). При

Рис. 58. Изменение отно­ сительного удлинения ста­ ли ХН35ВТ (ЭИ612) с температурой для образ­

цов различного размера:
скорость	деформации %/ ч:
/ — 0,33;	2 — 3,3-10“2;

сплошные линии — образцы

диаметром 8 мм\	пунктир­
ные — образцы	диаметром
22 мм

750° С на восходящей ветви V-образной кривой, когда пластич­ ность стали восстанавливается, влияние масштабного фактора практически не ощущается.

Из рассмотрения зависимости относительное удлинение — ско­ рость деформации видно, что полученное в опытах понижение пластичности из-за увеличения диаметра образца при 650° С мало изменяется с увеличением срока работы металла. В то же вре­ мя данные по пределу прочности, полученные при испытании образцов различного сечения для идентичных условий, прак­ тически совпадают.

Из вышеприведенных данных следует, что аустенитная сталь, проявляющая в определенных условиях (высокой температуры, скорости деформации или времени работы) тенденцию к снижению деформационной способности, реагирует на масштабный фактор так же, как и хрупкие материалы при умеренных температурах: увеличение размера образца усиливает склонность к хрупкому разрушению. С увеличением объема металла, участвующего в де­ формации, повышается вероятность существования или возник­ новения более крупного дефекта, по размерам резко отличного

от средней величины [166, 167]. О более раннем переходе к ла­ винному разрушению с увеличением размера сечения можно су­ дить по данным микроструктурного анализа (по М. А. Крамарову) металла образцов диаметром 8 и 22 мм из стали ХН35ВТ (ЭИ612) после испытаний их при температурах 550, 650 и 750° С. Коли­ чество и суммарную протяженность межзеренных трещин опре­ деляли на площади 0,14 мм2:

	550° С	650° С	750° С
Количество трещин при диаметре
образца, мм:	6	8
8			8
22	2	5	6
Суммарная	протяженность тре­
щин, мм, при	диаметре образца,
мм:	36	61
8			77
22	20	27	58

При температурах 550 и 650° С, при которых проявляется масштабный эффект, степень повреждения металла тем больше, чем меньше диаметр образца. Меньшая поврежденность межзеренными трещинами образцов большего диаметра свидетельствует о решающем влиянии отдельных более крупных межзеренных трещин (см. выше).

В области температур, при которых склонность стали к хруп­ ким разрушениям исчезает, из-за интенсивной релаксации мест­ ных напряжений масштабный эффект также отсутствует.

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В практике работы энергетического оборудования наблюда­ лись хрупкие разрушения сварных соединений из жаропрочных сталей. Специфическая особенность условий работы металла в свар­ ных соединениях не позволяет судить о их качестве только на ос­ новании данных о свойствах основного и наплавленного металла; необходимо, кроме того, учитывать неравномерность как по проч­ ности, так и по пластичности смежных зон в соединении те изме­ нения, которые претерпевает основной металл в процессе сварки и т. д. Для предупреждения внезапных хрупких разрушений при длительной эксплуатации в условиях высоких температур осо­ бого внимания требуют сварные соединения из аустенитных сталей. Поэтому в настоящей главе в основном освещены'исследования сталей аустенитного класса.

ПЕРЛИТНЫЕ СТАЛИ

Практически во всех случаях сварное соединение из перлитной стали не является однородным, оно состоит из нескольких зон разной ширины с различными свойствами. Существование этих зон связано с условиями образования соединения и прежде всего с режимом нагрева при сварке. В зависимости от состава сваривае­ мых сталей, применяемых электродов, вида термической обработки до и после сварки и некоторых других факторов, свойства металла в разных зонах сварного соединения существенно изменяются.

Как правило, разница в свойствах отдельных зон тем больше, чем больше степень легирования свариваемой стали. Так, в свар­ ных соединениях из перлитных сталей, широко применяемых в энергомашиностроении, например хромомолибденованадиевых 12Х1МФ или 15Х1М1Ф, хромомолибденовольфрамованадиевых