Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 [ 43 ] 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

1. Явление ползучести

При рассмотрении пластической деформации и деформационного упрочнения подразумевалось, что каждому значению напряжения соответствует определенная деформация. На самом же деле любой материал под действием постоянного напряжения может в определенных условиях деформироваться с течением времени. Явление ненрерыв-

высокотемпературная пвлзучесть

(ползучесть Аидроде)

Низкотемпературная ползучее/ль

{логарифмическая ползучесть)

Неупругая тмзучесть (обратимая IQV ползучесть)

-200 О 200т60080010007200 f Л

ъмоа

0,4 0,6 0,8

Рис. 151. Диаграмма основных видов ползучести (а) и карта механизмов деформации для никеля при cf=i мм (б) (Эшби, Фрост):

I - дислокационное скольжение; 2 - дислокационная ползучесть; 3 - диф-

г/г.

7,8 фузионная ползучесть Кобла; 4 ~ диф фузионная ползучесть Набарро-Хер Л7 ринга

ной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью.

В зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны четыре вида ползучести, области реализации которых в функции температуры и напряжения приведены иа рис. 151, а. Чтобы сделать эту диаграмму применимой для разных металлов и сплавов, но оси абсцисс отложена гомологическая температура, а по оси ординат - отношение приложенного напряжения сдвига к модулю сдвига {i/G).

При напряжениях ниже критического напряжения сдвига /кр протекает неупругая обратимая ползучесть, о которой уже упоминалось в гл. П в связи с упругим последействием. Поскольку неупругая ползучесть обратима, она обычно ие опасна для конструкций, и поэтому специальных

испытаний на ползучесть при напряжениях ниже /кр не проводят.

Прн напряжениях выше /кр в области относительно низких температур идет логарифмическая, а при высоких (>0,4 - 0,6 Тпл)-так назшаемая высокотемпературная ползучесть. Следует подчеркнуть, что низко- и высокотемпературная ползучесть могут протекать при напряжениях, значительно меньших макроскопического предела текучести поликристаллического материала. Для практики наиболее важна высокотемпературная ползучесть. Стандартные испытания проводят именно в этой области. Наконец, нрн высоких температурах (>0,5- 0.8 Тпл) и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть.

Основным первичным результатом испытания на ползучесть при заданной температуре и постоянном кр является кривая ползучести в координатах относительная деформация - время, которую строят по данным систематического измерения деформации (обычно относительного

удлинения б) образца в процессе испытания. Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано иа рис. 152. Кривая типа ОАВ получается при низкотемпературной (логарифмической) ползучести, OABCD и ОА"С - при высокотемпературной.

Зависимость б от времени т при низкотемпературной ползучести хорошо аппроксимируется для многих металлов уравнением

б-а1н(1 +ат) + . (86)

Именно поэтому низкотемпературная ползучесть получила название логарифмической. С течением времени логарифмическая ползучесть быстро затухает.

Считается, что при логарифмической ползучести достаточно полный термический возврат не успевает проходить. Тогда быстро прогрессирующее снижение скорости ползучести с увеличением т

Рис. 152. Кривые ползучести при разных температурах (1</а</з)

Уд = dbldx

можно объяснить моделью «истощения» дислокаций.

(87)

представим себе, что в образце имеется какое-то число дислокационных отрезков и каждый из них может переместиться один раз (до остановки у какого-либо препятствия). После приложения нагрузки и упругого удлинения образца (см. рис. 152, ОЛ) наиболее благоприятно ориентированные дислокации переместятся и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Постепенно термически активируемое скольжение будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения.

Логарифмическая ползучесть слабо зависит от температуры испытания и приложенного напряжения. Ее практическое значение мало, пос1ольку величина удлинения при реальных для конструкций напряжениях обычно мала, быстро стабилизируется во времени и ие может существенно вырасти даже при очень длительных выдержках.

Логарифмическая ползучесть является неустановившейся: ее скорость непрерывно изменяется (уменьшается) со временем. С неустановившейся стадии начинается и высокотемпературная ползучесть (см. рис. 152, отрезок ЛВ на кривой OABCD). Затем начинается стадия установившейся ползучести ВС, при которой Un = const. Заканчивается кривая высокотемпературной ползучести участком разрушения CD, до которого ири испытаниях на ползучесть чаще всего не доходят. Кривые ползучести, подобные OABCD, типичны для условий стандартных испытаний иа ползучесть.

Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается здесь не столько поперечным скольжением, сколько переползанием дислокации. При высокотемпературной ползучести возможны также некоторые рекристаллизационные процессы.

Р1зменение скорости высокотемпературной ползучести на неустановившейся стадии подчиняется уравнению Vn= =Лт", (88), где показатель степени п в большинстве случаев близок к 7з вместо 1 при логарифмической ползучести. Если п = Ъ, то б-рт (89).

Уменьшение п при переходе от логарифмической к не-

установившейся высокотемпературной ползучести можно понять с позиций модели истощения. Действительно, если процессы возврата успевают проходить более полно, то, по крайней мере, часть дислокационных отрезков после первой активации может стать способной к повторному перемещению, что вызовет дополнительную деформацию и прирост Vn-

Одна из дислокационных моделей, дающих кубический закон ползучести (89), сводится к следующему. Рассмотрим небольшую область кристалла. Уровень напряжений в этой области определяется наличием дислокации в соседних участках. Переход одной дислокации в более удаленные области (любым способом) уменьшает уровень напряжения в рассматриваемом объеме иа какую-то величину Наоборот, если подобная же дислокация приходит в соседнюю область н остается там (закрепляется упругим полем скопления у какого-либо барьера), то уровень напряжения в интересующей нас области повысится иа ASi.

Ползучесть (пластическая деформация) в этом объеме будет идти, если обеспечена возможность движения дислокаций. Предполагается, что при неустановившейся высокотемпературной ползучести источники дислокаций могут работать (генерировать новые петли дислокаций) вследствие уменьшения запирающего напряжения из-за непрерывного ухода дислокаций из скопления путем поперечного скольжения и переползания.

Статистический расчет показывает, что с учетом поперечного скольжения и переползания после совершения п беспорядочно чередующихся переходов дислокаций из соседних областей величина напряжений в нашем объеме повысится до п ASi. Эта величина может оказаться достаточной для приведения в действие дислокационных источников. Величина л/2д5 -б, где q - наклон кривой растяжения S-б при данном уровне напряжения. Тогда n(q6/AS,)k

Если уход дислокаций из скоплений происходит с постоянной частотой (О, то для п перемещений требуется время и, следовательно, частота действия дислокационных источников будет са/п. Отсюда Vu = A(ii(AS]/qb) . После интегрирования получаем б = рт.

Принципиально ползучесть на установившейся стадии не отличается от неустановившейся. Установившаяся стадия рассматривается как некое равновесное состояние, подготовленное неустановившейся ползучестью. Элементарные процессы, идущие на обеих стадиях, одинаковы, различна

только полнота их протекания. В металлах скорость установившейся ползучести контролируется обычно наиболее медленным процессом переползания дислокаций.

Пластическая деформация при ползучести вызывает увеличение плотности дислокаций и деформационное упрочнение. В то же время возврат приводит к уменьшению плотности дислокаций и разупрочнению металла. В результате при высокотемпературной ползучести в металле формируется полигонизованная субструктура.

Основные процессы, определяющие возврат, - поперечное скольжение и переползание дислокаций. При относительно малом времени выдержки, когда переползание дислокаций еще не успевает проходить в достаточной степени, возврат идет в основном вследствие поперечного скольжения. В этом случае ползучесть оказывается неустановившейся: скорость ее все время уменьшается из-за прогрессирующего, хотя и замедляющегося деформационного упрочнения (число аннигилирующих дислокаций меньше числа возникающих прн деформации). Затем наступает момент, начиная с которогочисло переползающих краевых дислокаций становится достаточным для полного возврата (равенства образующихся и исчезающих дислокаций). С этого момента и наблюдается стадия установившейся ползучести.

Скорость установившейся ползучести с повышением температуры испытания быстро растет из-за ускорения диффузионного процесса переползания. При постоянном напряжении Vn.YCT = Koexp (-Q/kT), где Ко - постоянная, определяемая уровнем напряжений; Q - энергия активации ползучести, также зависящая от уровня напряжения.

Величина Q для чистых металлов близка к энергии активации самодиффузии, что служит основным доказательством контроля скорости установившейся ползучести процессом переползания дислокаций. Зависимость скорости установившейся ползучести v.ycT от напряжения S подчиняется уравнению 1п.уст = *5", (90), где коэффициент п при разных температурах и напряжениях меняется от 1 до 4, но чаще всего близок к трем.

Большинство физических моделей высокотемпературной ползучести, которые исходят из того, что деформация идет путем скольжения и переползания дислокаций и что в условиях установившейся ползучести имеется равновесие скоростей упрочнения и возврата, приводит к /7 = 3.

Если принять, что скорость возврата при нулевой скорости деформации ((iSj№) rf6/dT-o = г, а коэффициент де-

формациоиного упрочнения при нулевой скорости возврата {dSi/d6)\ds/dx=o = то скорость установившейся ползучести

dmx = у.,,, = r/h = b (Lit) (91)

где рп - плотность подвижных дислокаций; b - вектор Бюргерса; L - средняя длина скольжения между двумя препятствиями; / - среднее расстояние, которое проходит дислокация при переползании; Vm - скорость переползания.

При равномерном распределении дислокаций их плотность p~V. (92), где / - характерный линейный размер конкретной дислокационной структуры.

Поскольку напряжение вокруг дислокации убывает пропорционально расстоянию от нее, зависимость / от напряжения должна быть /-5-, (93).

В уравнении (91) характерными размерами структуры являются L и

При низких напряжениях скорость переползания дислокаций VmS, (94).

Подставляя выражение (93) в (92), получаем р- (95).

Поскольку отношение L/1 в уравнении (91) ие зависит от напряжения, то после подстановки формул (95) и (94)

в (91) получим Vn.ycT-S.

Деформация при высоких температурах и низких напряжениях может быть ие связана с перемещением дислокаций, а явиться результатом направленного диффузионного мас-сопереноса. При отсутствии внешних напряжений преимущественного переноса атомов в определенных направлениях не происходит. Но если металлический кристалл находится в ноле напряжений, где есть растягивающие и сжимающие компоненты, то концентрация вакансий оказывается неодинаковой на растянутых и сжатых поверхностях, что вызывает направленный поток вакансий и противоположно направленный поток атомов, в результате дающий макроскопическое изменение формы кристалла.

Рассмотрим кубическое зерно в поликристалле с ребром rf, находящееся в плосконапряженном состоянии (рис. 153), Допустим, что внутри зерна нет дислокаций, и поэтому местами стока вакансий могут служить только его границы. На горизонтальных границах, находящихся под действием растягивающих напряжений 5, энергия образования вакансий понижена на величину Sb, где Ь - объем одного атома, а иа вертикальных (сжатых) границах эта энергия повышена на ту же величину. Действительно, об-