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

пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Таким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению прн длительном воздействии температуры и напряжения.

6. Испытания на релаксацию напряжений

Релаксацией называют самопроизвольное уменьшение напряжений в материале при неизменном значении величины его общей деформации. Это вызвано переходом упругой деформации в пластическую.

Релаксация нап[1яжения - широкое понятие. Мы уже не раз встречались с ним, рассматривая процессы пластической деформации и разрушения. Но до сих пор речь шла о местных релаксациях напряжений в отдельных участках материала. При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряженнп во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болта, который создается вследствие упругой деформации болта. С течением времени натяг болта (уровень напряжений) ослабевает, так как часть упругой деформации переходит в пластическую.

Особенно быстро и значительно релак-сируют напряжения при повышенных температурах, когда пластическая деформация облегчается. Кривая изменения напряжения во времени (кривая релаксации) в образце, деформированном на постоянную величину, имеет вид, схематично показанный на рис. 165. Спад напряжений особенно нитенсивен в первые часы. С течением времени кривая асимтотически приближается к какому-то определенному значению напряжения.

Итак, испытания на релаксацию необходимо проводить в следующих условиях: rconst, ffconst, yapconst, en¥=QQT\st, eo = eynpH--fi?ti = const. где T - температура; о - напряжение в образце; упр, бп - упругая и пластическая деформация; ео - общая деформация образца.

Условие постоянства общей деформации можно записать как До" = 0. Тогда Aeo = A%iip-f Деп=0 или -Д%ир = Ап. Так как Деупр = Да/£, то -о=ЕАеа илн

Дс = с„-с = £(е„-еО), (102)

где Оо и е° - напряжение и деформация в момент начала релаксации напряжений.

Из формулы (102) следует неизбежность спада напряжений из-за увеличения доли пластической деформации.

Зависимость величины релаксации напряжений Да от времени часто подчиняется логарифмическому закону: Д(7=а Ig(H-iCT), где а н К - коэффициенты, ие зависящие от времени.

Рис. 165. Кривая релаксации напряжений

Этот закон можно вывести из общего уравнения релаксации на-пряжений как термически активируемого процесса:

: da/dx = К ехр [- (Q - Во)/кП (10)

где энергия активации (Q-Bo) зависит от напряжения.

Как видно из формулы (103), скорость релаксации da/dx растет экспоненциально с повышением температуры.

Механизм релаксации связан с постепенным перемещением дислокаций за счет поперечного скольжения и переползания даже в условиях снижающегося внешнего напряжения. Как и при ползучести, при высокотемпературной релаксации напряжений пластическая деформация сопровождается образованием субзеренной структуры и смешениями по границам кристаллитов. Скорость релаксации обычно прямо пропорциональна скорости ползучести: чем выше сопротивление ползучести, тем больше релаксационная стойкость. р-Испытания на релаксацию i

проводят по схемам растяжения, "{---Jl изгиба и кручения. й

Схема установки для испыта- *4- ния на релаксацию прн растяже- НИИ показана на рис. 166. Обра- [ д зец 4 крепится в захватах 2 н 5, 4--tJ

<tD

рис. 166. Схема установки для испытаний на релаксацию напряжений (И. Г. Дондик)

помещается в печь S н нагружа ется рычагом 7 от электродвигателя II через пружину 10. На границах расчетной длины образца устанавливают измеритель деформации 5. При удлинении образца на величину допуска контакт / замыкает цепь регулятора 12, двигатель меняет направление вращения и ослабляет пружину 10. Спад напряжения в

образце приводит к его укорочению, и, когда длина образца вновь станет равной начальной, контакт / размыкается, образец снова начинает удлиняться н т.д. Кривая релаксации записывается иа барабане S, который вращается двигателем 9.

Широкое распространение получил метод И. А. Одинга, где релаксация оценивается на кольцевых образцах, расчетная часть которых ВАВ (рис. 167) имеет равное сопротивление изгибу. Напряжение в образце создается установкой клина К в прорезь СС. Утолщенные части образца ВС vi ВС релаксации не участвуют. Они только передают усилие от клина к расчетной части кольца. Величина создаваемых там напряжений определяется толщиной клина i. Она больше ширины прорези, поэтому общая начальная деформация e - i-a, а начальное напряжение в наружных волокнах расчетной части {5 = ЕАе, где Е - модуль нормальной упругости; Л - коэффициент,, связанный с перемещением утолщенных концов кольца в процессе деформации, равный 0,000583 мм.

После выдержки образца в печи при заданной температуре в течение определенного времени его вынимают, охлаждают, удаляют клин из прорези и измеряют ширину СС, которая теперь меньше а. Величина остаточного напряжения KScT-EAe, где Де-разница между получаемой после испытания деформацией и е. После этого рассчи-

тывают величину релаксации напряжений Дст=сТо-сТост- По результатам измерений До в функции времени выдержки образца в печи строят кривую релаксации. В качестве характеристики релаксационной стойкости принимают величину падения напряжения Да за заданное время (200-3000 ч).

<

Рис. 167. Кольцевой образец для испытания на релаксацию (И. А. Одинг)

7. Влияние легирования и структуры иа характеристики жаропрочиости

Повышение характеристик жаропрочности (пределов ползучести и длительной прочности, релаксационной стойкости при высоких температурах) достигается теми же способами, которые были обсуждены в гл. V применительно к прочностным свойствам при статических испытаниях. Но влияние легирования и структурных параметров на жаропрочность характеризуется рядом специфических особенностей, которые и будут рассмотрены.

Повышение жаропрочности при переходе от чистых металлов к сплавам достигается за счет образования твердых растворов на базе основного металла и частиц избыточных фаз. При выборе основы следует учитывать, что уровень жаропрочности чистого металла связан с температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность, межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести. Исходя из этих соображений, температура солидуса сплавов также должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава значительно ниже, чем ме-

талла-основы, то при высоких температурах чистый металл может оказаться прочнее сплава.

Растворенные атомы повышают сопротивление ползучести за счет их упругого взаимодействия с дислокациями и дефектами упаковки, а также в результате их влияния на диффузионные процессы. Эффект влияния растворимых легирующих элементов может быть значительным. На рис. 168 показано, как зависит от концентрации вольфрама в твердом растворе на основе ниобия относительный прирост сопротивления ползучести Д5=(аспл - акь)/(Тыь , где Оспл и oNb -напряжения, при которых в сплаве и чистом ниобии Уд.уст=10~ с-Ч Видно, что До растет с повышением легированности твердого раствора и гомологической температуры.

Механизмы затруднения ползучести твердых растворов различны в зависимости от природы сплавов и концентрации растворенных атомов. Если энергия их взаимодействия с дислокациями мала и, следовательно, примесные атмосферы отсутствуют, то можно считать, что механизмы ползучести такого твердого раствора и чистого металла идентич- q ны. В этом случае влияние растворенных атомов можно проанализировать по изменению констант уравнений, описывающих ползучесть. Например, скорость высокотемпературной ползучести чистого металла по

Мукерджи и Бэрду Vn = A{DGb/kT) (S/G), где D-коэффициент самодиффузии; G - модуль сдвига; S-действующее напряжение; Л - коэффициент, близкий к единице при nS. Для твердого раствора при том же механизме ползучести

vA {DGb/kT){S/GY. • (104)

В малолегированных растворах ппЗ и поэтому ЛЛ:: Л. Векторы Бюргерса Ь н b обычно отличаются мало (из-за разницы в периодах решетки). Поэтому различие между Va и Уд будет в основном определяться разницей в

5 S /О W, % (ат.}

рис. 168. Зависимость относительного прироста сопротивления ползучести ниобия от содержания вольфрама (Кляйи, Меткалф)

модулях сдвига G чистого металла и С твердого раствора. Если (}>G, что на практике чаще всего и наблюдается, то скорость ползучести твердого раствора будет меньше, чем у металла-основы.

Известно, что растворенные атомы, как правило, снижают энергию дефектов упаковки. В этом случае дислокации оказываются сильно растянутыми, и их поперечное скольжение и переползание затруднено, что способствует повышению сопротивления деформации при ползучести. Как уже отмечалось, наибольшее снижение энергии дефекта упаковки достигается при введении растворимых легирующих элементов с высокой валентностью.

Если п или Л в уравнении (104) зависят от энергии дефектов упаковки, то тогда Л<Л, и это будет вызывать соответствующее уменьшение скорости ползучести.

Коэффициент диффузии при образовании твердых растворов может изменяться по-разному. В малолегированиых растворах D является коэффициентом самодиффузий атомов растворителя в растворе. Ои может и увеличиваться, и уменьшаться в присутствии растворенных атомов. При этом добавка быстро диффундирующего компонента увеличивает коэффициент самодиффузии основного металла.

Более сложно предсказать изменение /) концентрированных твердых растворов. Поскольку в таких растворах количество атомов Л и В близко, следует определять некий средний коэффициент диффузии D, являющийся функцией коэффициентов диффузии компонентов Ли В в твердом растворе ЛВ. Существующие методы расчета D пока несовершенны.

Рассмотрим теперь особенности высокотемпературной ползучести твердых растворов с большой энергией взаимодействия растворенных атомов с дислокациями. В таких растворах на дислокациях образуются примесные атмосферы, и механизм ползучести может существенно измениться. Если в чистых металлах при ползучести с возвратом скорость скольжения дислокаций значительно больше скорости переползания, то в твердых растворах наиболее медленным и, следовательно, контролирующим скорость пол-, зучести может стать скольжение дислокаций с примесными атмосферами - вязкое скольжение дислокаций. Если допустить, что скорость такого движения дислокаций определяется скоростью перемещения атмосферы, т. е. скоростью миграции растворенных атомов под действием силы притяжения дислокации, то

V = (Da /кТС,) ехр (- W/kT) Sb, (105)

где Da - коэффициент диффузии растворенных атомов в твердом растворе концентрации Со; -энергия связи этих атомов с дислокацией; S - действующее напряжение.

Такая модель вязкого скольжения дислокаций при ползучести должна реализоваться прн низких скоростях движения дислокаций и достаточно высоких температурах, если внешняя сила, действующая на единицу длины дислокации, меньше силы притяжения атмосферы. В установившемся режиме скорость v прямо пропорциональна коэффициенту диффузии добавки и приложенному напряжению, т.е. происходит ньютоновское вязкое течение.

При больших напряжениях дислокация может оторваться от своей атмосферы, и тогда скорость ее движения уже не будет подчиняться уравнению (105). Вязкое скольжение дислокаций становится невозможным и при достаточно высоких температурах, когда WkT, и атмосфера рассасывается.

Модель вязкого скольжения дислокаций применима только к разбавленным твердым растворам, ибо при близкой концентрации атомов основы и добавки исчезают стимулы для образования коттрслловских примесных атмосфер вокруг дислокаций. В сильно легированных растворах большое значение могут иметь атмосферы Сузуки иа дефектах упаковки растянутых дислокаций. При перемещении таких дислокаций возникает сила вязкого скольжения, обусловленная разной концентрацией твердого раствора в дефекте упаковки й вне его.

Дальний порядок в твердых растворах также повышает сопротивление ползучести, потому что парные (сверхструктурные) дислокации ведут себя аналогично расщепленным. Здесь сила вязкого скольжения обусловлена необходимостью образования антифазной границы при движении сверхдислокаций.

Для получения высокой жаропрочности необходимо наличие в структуре частиц избыточных фаз-упрочпнтелей. Большинство жаропрочных сплавов термически упрочняются. В них частицы избыточных фаз образуются во время старения после закалки. В условиях длительной работы при высоких температурах в стареющих сплавах обычно трудно сохранить максимальную дисперсность выделений, обеспечивающих наименьшую скорость ползучести и высокую длительную прочность. Температура старения на максимальную прочность при низкой (комнатной) температуре составляет 0.5-0,6 Гпл. и поэтому во время эксплуатации лри этих и более высоких температурах частицы коагули-