книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

ности к хрупким разрушениям при развитии высокотемператур­ ного межзеренного разрушения (гл. I и II).

Аналогично схеме рис. 72, б изменяется с температурой удар­ ная вязкость ферритных сталей [1, 22] и пластический прогиб при изгибе надрезанного образца [1, 89].

Такого же типа зависимости деформационная способность — температура могут быть построены и для аустенитных сталей, но для них склонность к хрупким разрушениям на первом и вто­

ром этапах

проявляется

в несоизме­

римо меньшей степени; в то же время

на третьем этапе, вызванном высоко­

температурным межзеренным разру­

шением,

хрупкость

выявляется

зна­

чительно

более резко, чем у перлит­

ных сталей.

Повторяющееся проявлениесклон-

ности

к хрупким разрушениям с по­

в / (

Е

Ж

вышением температуры

наблюдается

Хладно Синелом­

также

и

у

цветных

металлов: меди

[130], медноникелевых сплавов [186]

<3*

поит ь

кость

\ г

А

\ j

и др.

рассматривать

снижение

\ J

Если

и

деформационной

способности

мате­

Температура

риала как результат перехода к ла­

винному разрушению на более ран­

Рис.

72. Изменение

относитель­

ней стадии деформации, то появле­

ного удлинения перлитной стали

ние или

исчезновение

склонности

с температурой

(схема):

к

хрупким

разрушениям

по

мере

а — предела

упругого сопротивле­

изменения температуры можно объяс­

ния;

б —относительного удлинения

при

разрушении; /

— хладнолом­

нить

возникновением

в

металле,

кость; I I — деформационное старе­

ние

(синеломкость); I I I — высоко­

в

определенных

условиях,

деформа­

температурная хрупкость при меж-

ции,

нормальных

напряжений, по

зеренном разрушении

своему

уровню

приближающихся

к сопротивлению отрыву.

При низких температурах,

при

которых металл имеет макси­

мальный предел упругого сопротивления (рис. 72, а), появление первых дефектов (отрыва по плоскости куба а-решетки) в зернах ферритоперлитных сталей резко повышает уровень локальных нормальных напряжений. В результате разрушение происходит при ничтожно малых деформациях. Повышение температуры обу­ словливает снижение сгт и <тп металла. Для создания уровня нор­ мальныхнапряжений, необходимого для разрушения, степень поврежденности металла в данном случае должна быть больше, и разрушение наступает уже при значительной пластической де­ формации.

На втором этапе склонность к хрупким разрушениям прояв­ ляется в результате повышения предела упругого сопротивления

172

металла вследствие деформационного старения (см. рис. 72, а) для сталей 12Х1МФ, 1Х12В2НМФ (ЭИ802) (см. рис. 15).

Минимумы на кривых изменения пластичности в данных слу­ чаях выражены слабо, так как для создания нормальных напря­ жений, близких к сопротивлению отрыву, необходима значитель­ ная степень повреждения. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению эффекта деформационного старения, а также к интенсификации релаксационных процессов на пере­ напряженных участках; разрушение металла с ростом темпера­ туры осуществляется при большей пластической деформации.

Изменение пластичности на третьем этапе — проявление склон­ ности к хрупким разрушениям, обусловленное интенсивным раз­ витием межзеренных трещин, — подробно описано в гл. I и II. Снижение деформационной способности — нисходящая ветвь V- образной кривой (см. рис. 12) — является следствием возникнове­ ния и быстрого роста неоднородности в величинах нормальных на­ пряжений при проявлении межзеренных трещин. Повышение пластичности с температурой — восходящая ветвь — может быть объяснено понижением местных напряжений в результате ин­ тенсивной релаксации местных напряжений на участках, приле­ гающих к возникшим трещинам.

Четвертый этап — понижение пластичности — связан с на­ чалом процесса плавления.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СМЕЩЕНИЕ КРИВОЙ, ИЗОБРАЖАЮЩЕЙ ИЗМЕНЕНИЕ

ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРОЙ

Скорость деформации

На рис. 73, а схематически показано изменение предела упру­ гого сопротивления материала и относительного удлинения в слу­ чае испытаний при двух различных скоростях деформации. Пони­ жение скорости деформации на всех трех этапах вызывает смещение кривой по температурной шкале в направлении понижения тем­ пературы (рис. 73, б), что обусловливает проявление склонности к хрупким разрушениям в этих условиях при относительно мень­ ших температурах. Подобное влияние скорости деформации для низких температур вытекает из исследований хладноломкости металлов [78, 131]. О влиянии скорости деформации на втором этапе — синеломкости можно судить на основании ряда исследо­ ваний [1, 80, 84], а также на основании результатов, показанных на рис. 15.

Для третьего этапа в гл. II приводятся данные испытаний боль­ шого количества материалов, подтверждающие схему рис. 73, б.

Если предположить, что изменение относительного удлинения в зависимости от скорости деформации может быть выражено

степенной функцией, аналогичной уравнению, приведенному в гл. I и II для третьего этапа изменения пластичности с темпе­ ратурой, то направление и интенсивность изменения пластично­ сти в зависимости от скорости деформации или времени могут быть охарактеризованы коэффициентом k (6) и р (8).

Изменение Ли р для различных этапов схематически показано на рис. 73, б. При понижении относительного удлинения с умень-

Рис. 73. Изменение		относительного	Рис. 74. Изменение коэффициента к
удлинения	стали	с температурой	уравнения	(6)	при проявлении
при различных скоростях деформа­			склонности	к	хрупким разруше­
	ции (схема):		ниям вследствие деформационного
а — изменение предела упругого сопро­				старения:
тивления;	б — изменение относитель­		/-12Х1МФ; 2 — 1X12В2НМФ (ЭИ802).
ного удлинения; в — изменение коэф­			Диапазон скоростей деформации от 0,8
фициентов	k и р в уравнениях (6) и (8)			до 8-10~2 %/ч

некоторых сталей может быть проиллюстрировано графиками рис. 74 для второго этапа (проявление склонности к хрупким разрушениям перлитных сталей) и рис. 17 для третьего этапа.

Если рассматривать изменение деформационной способности стали в зависимости от температуры для более широкого диапа­ зона скоростей деформации, то направления этих изменений и их интенсивность могут быть пояснены с помощью схемы рис. 75. В соответствии с условиями испытания и смещения по шкале тем­ ператур кривых изменения относительного удлинения для разных скоростей деформации возможно получение различных видов за­ висимости пластичность—скорость деформации. В определенном диапазоне скоростей деформации (или времени до разрушения),

для которых экспериментально определяется кинетика изменения пластичности, получаем участки общей кривой изменения отно­ сительного удлинения, которые, так же как и зависимость удли­ нение—температура, имеют несколько минимумов и максимумов. Такого рода изменение (отклонение от степенной функции) можно видеть на многих графиках: логарифм относительного удлинения—

Рис. 75.	Схема, показывающая изме-	Рис. 76.	Влияние	легирования и на-
нение вида зависимости при работе			клепа	(схема),
металла	в широком диапазоне скоро-	в сплаве Б самодиффузия протекает
стей	деформации v x^> v2^> v3	менее	интенсивно, чем в сплаве А

шениям обычно наблюдается в начальной стадии проявления межзеренного разрушения и при снижении эффективности влия­ ния межзеренных трещин в условиях испытаний при максималь­ ных температурах.

Из рис. 75 также следует, что аномалией является не изме­ нение свойств пластичности в зависимости от скорости деформа­ ции или времени до разрушения, а сохранение пластичности на постоянном уровне.

Легирование

Исследование деформационной способности металлов раз­ личного химического состава (см. гл. II и VI) показывает, что ле­ гирование элементами, снижающими интенсивность процессов самодиффузии например молибденом, смещает этап проявления склонности к хрупким разрушениям, обусловленный проявле­ нием высокотемпературного межзеренного разрушения в направ­ лении более высоких температур, например стали 1Х18Н9Т, 1Х16Н13М2Б (ЭИ680) (см. гл. II и VI). Влияние легирования для условий работы металла при двух скоростях деформации может быть показано с помощью схемы рис. 76. Содержащий мо­

либден металл Б в определенном температурном интервале бу­ дет иметь более высокую деформационную способность. Очевидно, что легирование, обусловливающее изменение скорости диффу­ зионных процессов, будет в большей степени определять поведе­ ние металлов во втором и третьем этапах, тогда как для первого этапа — хладноломкости — это влияние будет минимальным.

Наклеп

Из данных, приведенных в гл. IV, следует, что предваритель­ ный наклеп интенсифицирует диффузионные процессы, сдвигает кривые изменения относительного удлинения аустенитной стали в третьем этапе в направлении низких температур. Свойства на­ клепанного металла (см. рис. 76) можно характеризовать кривыми для металла Л, а термически обработанного — кривыми для ме­ талла Б.

Можно полагать, что и другие факторы, способствующие про­ хождению процессов, обусловленных диффузией, изменение типа решеток и т. д., — будут смещать по шкале температур кривые изменения свойств пластичности в направлении снижения темпе­ ратур и, наоборот, факторы, тормозящие диффузионные про­ цессы, — в направлении их повышения.

Факторы, определяющие уровень нормальных напряжений

Несколько иной вид имеет зависимость деформационная спо­ собность — температура при действии другой группы факторов, обусловливающих возникновение в металле повышенных нормаль­ ных напряжений. К таким факторам частично может быть отне­ сено влияние повышения пределов упругого сопротивления (пре­ дела текучести, сопротивления ползучести). В этом случае необ­ ходимая для разрушения степень неравномерности в распределе­ нии напряжений, возникающая в металле при появлении дефек­ тов в процессе его деформирования, может быть меньше, чем у ме­ талла с низким пределом упругого сопротивления; разрушение произойдет при меньшем относительном удлинении (рис. 77, а, б). Такого эффекта можно достигнуть либо воздействием на струк­ туру термической обработкой легированием (гл. V) или накле­ пом (гл. IV), либо повышением жесткости напряженного состоя­ ния г.

Влияние этой группы факторов на зависимость деформацион­ ной способности от температуры выражается в смещении кривой изменения относительного удлинения по ординате в направлении

1 Под жесткостью напряженного состояния понимается отношение напря­ жений, вызывающих отрыв, к напряжениям, вызывающим прохождение дефор­ мации за счет сдвига.

снижения пластичности при одновременном расширении интер­

вала склонности	к хрупким	разрушениям	(рис.	77, б). Как сле­
дует из данных	испытаний	приведенных	в гл.	III, такого рода

эффект вызывается действием кольцевого и спирального надре­ зов (рис. 77, в), создающих в металле зоны с повышенной жест­ костью, в которых и возникают первые трещины. Температура, отвечающая минимуму пластичности, при проявлении высоко­

температурного межзеренного разру­

шения

(Гк. м)

у

образцов

с надре­

зом мало отличается от таковой для

гладких

образцов,

но интервал тем­

ператур,

в

которых

проявляется

склонность к хрупким разрушениям,

у образцов с

надрезом заметно шире

(гл. II

и III). Опыты

на

образцах

со

спиральными

надрезами

различ­

ной глубины (гл. III) показывают,

что до

определенного

предела повы­

шение

коэффициента

концентрации

напряжений

вызывает

прогрессиру­

ющее снижение деформационной спо­

t

собности материала.

кривой

Аналогичное

смещение

изменения относительного удлинения

по

ординате

(рис.

77, в)

вызывает

Температура

—

наличие

в металле дефектов;

это

Рис. 77. Влияние уровня нор­

можно

заключить

из

исследований

мальных

напряжений на дефор­

свойств прокатанного металла в раз­

мационную способность:

личных

направлениях

и результатов

а — изменение

предела

упругого

влияния

масштаба,

приведенных

сопротивления; б — влияние сопро­

тивления деформированию на пла­

в гл. V, и на основании результатов

стичность

(/ — высокий

ат

и ап;

исследования

деформационной

спо­

2 — низкий ст.г и ап); в — влияние

концентратора напряжения на пла­

собности сварных соединений (гл. VI).

стичность

(3 — гладкий

образец;

При увеличении

размера

дефекта

4 — образцы со спиральным

надре­

зом

различной глубины)

минимум кривой

изменение свойств

пластичности

углубляется,

а его температурный

интервал

рас­

ширяется. В том же направлении влияет и величина зерна, определяющая размер межзеренных трещин (гл. V). К этой же группе факторов должно быть отнесено и влияние внутренних напряжений. Понижение деформационной способности в резуль­ тате действия остаточных напряжений, создающих всестороннее растяжение, наблюдается в околошовной зоне сварного соеди­ нения (гл. VI).

Разделение факторов, оказывающих влияние на вид кривых зависимости деформационная способность—температура, на свя­ занные с процессом диффузии и обусловленные уровнем нормаль­ ных напряжений, является в значительной мере условным. Так,

12 А. В. Станюкович

1435

177

легирование или термическая обработка, наклеп, и т. д., вызы­ вая изменения предела упругого сопротивления материала, су­ щественно влияют и на диффузионные процессы, протекающие при его работе. Вид получаемых зависимостей, характеризующих

Рис. 78. Изменение 6р и коэффи­ циента к из уравнения (6) с тем­ пературой на различных этапах проявления склонности к хрупким разрушениям

развитие склонности материала к хрупким разрушениям в связи с появлением межзеренных трещин, указывает на одновременное действие обеих групп факторов, смещающих минимум V-образных кривых, как по шкале температур, так и по уровню деформацион­ ной способности (рис. 78).

Ф А К Т О Р Ы , О Б У С Л О В Л И В А Ю Щ И Е П О Я В Л Е Н И Е Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Х Э Т А П О В с к л о н н о с т и К Х Р У П К И М Р А З Р У Ш Е Н И Я М

Кроме рассмотренных механизмов хрупкого разрушения: хлад­ ноломкости, деформационного старения и высокотемпературной хрупкости, вызванной межзеренным разрушением, — в практике работы металлов в машиностроении встречаются хрупкие разру­ шения, обусловленные иными механизмами разрушения. Так, наблюдаются повреждения в аустенитных и перлитных сталях при умеренных температурах в связи с развитием во времени уже имеющихся дефектов. Данные исследований в области корро­ зионно-механической прочности показывают, что в определенных интервалах температур возможно проявление склонности к хруп­ ким разрушениям вследствие воздействия на металл окружающей среды. Так, резкое понижение деформационной способности пер­ литных сталей, прогрессирующее с понижением скорости дефор­ мации или увеличением времени опыта, наблюдается при действии водорода [187— 189], электролита [3, 190] или жидкой металли­ ческой среды [165, 191].

Не рассматривая в данном случае вопрос о влиянии фактора коррозии на свойства металлов, следует отметить, что коррозия может существенно снизить деформационную способность ме­ талла и вызвать появление дополнительных этапов склонности к хрупким разрушениям.

Для каждого механизма разрушения в условиях определенной скорости деформации существует свой температурный интервал,

178

Рис. 79. Зоны температур, в которых при снижении скорости деформирования металла наблюдается снижение пластич­ ности С и подъема пластичности П

lgv-*~

в котором повреждения, обусловливающие появление хрупких разрушений, происходят с ничтожной скоростью, при этом пла­ стичность сохраняется на высоком уровне. Следующий темпера­ турный интервал, соответствующий оптимальным повреждениям, будет вызывать понижение деформации, предшествующей разру­ шению. В области более высоких температур интенсивность лик­ видации неравномерности распределения напряжений, порожден­ ной возникающими дефектами, выше интенсивности их возникно­ вения; в результате будет наблюдаться повышение пластичности с температурой. Таким образом, каждому механизму, обусловли­ вающему склонность к хруп­ ким разрушениям, на гра­ фике зависимости относитель­ ное удлинение— температура будет соответствовать свой минимум пластичности. Влия­ ние времени или скорости деформации, а также факто­ ров, определяющих уровень нормальных напряжений, действующих в металле, бу­ дет вызывать соответствую­ щее смещение кривой по шкале температуры или отно­ сительных удлинений. Сте­ пень развития склонности

кхрупкому разрушению

при том или другом механизме разрушения определяется температурой и скоростью деформации.

Для определенных условий работы металла в зонах Я (рис. 79) с увеличением времени работы (уменьшением скорости деформа­ ции) будет наблюдаться повышение деформационной способности и, наоборот, на участках С — снижение пластичности.

Для металла, работающего при температуре на участке Я, наиболее опасной будет деформация, осуществляемая с большой скоростью, и наиболее эффективным контролем его качества бу­ дут кратковременные испытания при максимальной, возможной в условиях использования металла, скорости деформации.

Соответственно для зон падения пластичности С (см. рис. 79) наименее благоприятными будут условия длительной работы; применительно к этим условиям и должно быть оценено возмож­ ное снижение пластичности с уменьшением скорости деформации (с увеличением срока работы).

Такой подход к оценке деформационной способности должен соблюдаться во всех случаях, в которых возможна пластическая деформация как в процессе работы металла при эксплуатации агре­ гата, так и при технологических операциях изготовления детали.

Деформация при эксплуатации неизбежна в тех случаях, когда возникает процесс ползучести. Поэтому все металлы, работающие при температурах, при которых возможна ползучесть, должны иметь необходимый запас длительной пластичности.

В связи с последним заключением следует заметить, что во избежание хрупких разрушений при длительной работе для таких металлов, как титановые или алюминиевые сплавы, которые склонны к ползучести при нормальной или умеренно высокой тем­ пературе, также необходима оценка их деформационной способ­ ности применительно к длительным срокам службы. Найденное Л. С. Морозом [192] у малоуглеродистой стали явление ползучести при отрицательных температурах заставляет и для этих условий требовать необходимого минимума длительной пластичности.

Во всех указанных случаях должно быть также учтено и дей­ ствие факторов, вызывающих дополнительное снижение дефор­ мационной способности, например концентраторов напряжения, дефектов повышенной жесткости напряженного состояния и т. д.

Аналогичный подход может быть применен и при исследо­ вании неметаллических материалов, например полимеров, для ко­ торых также наблюдается явление ползучести [193] и снижение прочности во времени.

ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ПРОЯВЛЕНИЯ

СКЛОННОСТИ К ХРУПКИМ РАЗРУШЕНИЯМ

Минимальный уровень пластической деформации, предшествую­ щей разрушению, для различных этапов проявления склонности к хрупким разрушениям различен. При проявлении хладнолом­ кости (первый этап) перлитных сталей характерно резкое пони­ жение ее относительного удлинения почти до нулевого значения.

Для проявления хрупкости на третьем этапе характерно уг­ лубление минимума V-образной кривой с понижением скорости, и, как следует из данных, приведенных в гл. II, минимальная пластическая деформация в зависимости от условий работы для материалов, применяемых в энергомашиностроении, может со­ ставлять от нескольких процентов до долей процента. При раз­ витии высокотемпературного межзеренного разрушения уровень деформации, предшествующей разрыву, в ряде случаев оказывается близким к таковому при хладноломкости.

Понижение относительного удлинения до долей процента на­ блюдается также при разрушении металлов при температурах, близких к плавлению.

Для второго этапа склонности к хрупким разрушениям вслед­ ствие деформационного старения характерна одна особенность, способствующая более надежной работе существующих жаропроч­ ных металлов в данном температурном интервале, чем в интерва­

лах, соответствующих первому и третьему этапам: минимумы пластичности, полученные при испытаниях с различными скоро­ стями деформации, смещаются по температуре, но заметного сни­ жения минимальной деформационной способности при этом не наблюдается. Так, например, для исследованных сталей 12Х1МФ и 1Х12В2МФ (ЭИ802) (см. гл. II) даже при действии спирального надреза относительное удлинение сохранилось порядка одного процента и выше. Отсутствие тенденции к снижению минимальной деформационной способности с температурой позволяет полагать, что и при больших сроках работы свойства пластичности указан­ ных металлов во втором этапе будут находиться на удовлетвори­ тельном уровне.

Данное положение не может, конечно, претендовать на универ­ сальность; в частности, у некоторых цветных сплавов и на втором этапе возможны резкие снижения деформационной способности.

Действие фактора скорости деформации на отдельных ста­ диях изменения пластичности проявляется с различной эффектив­ ностью. Так, из исследований в области хладноломкости следует заметное влияние высоких скоростей деформации [1, 77, 131], тогда как при хрупкости, вызываемой межзеренными разруше­ ниями, действенное влияние оказывают низкие скорости деформа­ ции (см. рис. 79, а и гл. I—III). В области интересующих нас малых скоростей деформации (ниже 1 %1ч) смещение кривой из­ менения относительного удлинения в области высоких темпера­ тур значительно больше, чем при низких (см. рис. 78), следова­ тельно максимальное значение коэффициентов k и р из уравнений

(6) и (8) с повышением температуры возрастает.