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

руют, увеличивается расстояние между ними и снижается эффект упрочнения.

Выделения, кристаллографически близкие к матрице, дольше остаются когерентными и не коагулируют.

В целях хотя бы частичного предотвращения этого процесса легирующие элементы выбирают таким образом, чтобы избыточная фаза состояла из медленно диффундирующих компонентов и не содержала металла-основы. Такие фазы обычно пр.едставляют собой металлические соединения со сложной решеткой и высокой собственной жаропрочностью.

Максимальной жаропрочностью отличаются дисперсно-упрочненные материалы, содержащие в матрице практически не взаимодействующие с ней частицы, например оксиды, карбиды или бориды.

Понятно, что затруднение высокотемпературной ползучести должно быть связано с торможением частицами дислокаций, скользящих и консервативно, и неконсервативно. При низких напряжениях в диапазоне от напряжения активации дислокационных источников Франка - Рида (Si = Gb/L, где L - длина источника) до напряжения S2, необходимого для прохождения дислокаций между частицами (S2=Gb/l, где / - расстояние* между частицами), скорость ползучести

Vj,3Sb/2kTh\ (106)

где h - размер частиц, приравниваемый к расстоянию, которое должна пройти дислокация при переползании; D - коэффициент самодиффузии атомов основного металла.

При высоких напряжениях (>52) дислокации могут обходить частицы, оставляя вокруг них петли (см. рис. 113). В этом случае скорость ползучести контролируется скоростью переползания петель около частиц для взаимной аннигиляции:

(107)

Отсюда следует, что скорость ползучести прямо пропорциональна квадрату расстояния / между частицами и обратно пропорциональна их линейному размеру h.

Из уравнений (106) и (107) видно, что использованные при их выводе модели дают для напряжения показатель степени п, равный единице и четырем соответственно, что ниже экспериментальных значений. Это свидетельствует о несовершенстве принятых моделей, в частности из-за пренебрежения вкладом диффузионной ползучести. Скорость

рис. 169. Кривые диффузионной ползучести чистой меди (У) и меди с I % (объемн.) AUOs (2) при 1173 К (Бар-тон)

последней обычно существенно снижается в присутствии дисперсных частиц избыточных фаз по границам зереи (рис. 169).

Следует отметить, что сплошные оторочки выделений избыточных фаз по границам зерен обычно благотворно сказываются на характеристиках жаропрочности (в противоположность низкотемпературной прочности и пластичности). Например, максимальная жаропрочность литейных сплавов, предназначенных для работы выше 0,6-0,7 Гпл, достигается, как показал А. А. Бочвар, образованием при кристаллизации сетчатых или скелетообразных включений тугоплавкой и не взаимодействующей с матрицей избыточной фазы.

Выделения образуются и в процессе ползучести, затрудняя ее развитие. Особенно эффективно повышают сопротивление ползучести образующиеся на дислокациях частицы.

Рассмотренные особенности влияния легирования на сопротивление ползучести и длительную прочность определяют основные требования к структуре жаропрочных сплавов. Она должна характеризоваться: 1) высокой легирован-ностью твердого раствора медленно диффундирующими компонентами; 2) наличием дисперсных частиц фаз-упроч-нителей; 3) стабильностью; 4) повышенной прочностью приграничных зон. Типичным примером реализации этих требований могут служить жаропрочные никелевые сплавы типа нимоник. Они содержат шесть-семь и более легирующих элементов, большинство которых полиостью или частично входит в 7-твердый раствор на основе никеля (хром, титан, алюминий, молибден, вольфрам, кобальт). При этом некоторые из них, в первую очередь титан и алюминий, расходуются также на образование избыточной фазы Y-Ni3 (Al, Ti), существенно дополнительно повышающей жаропрочность сплавов. Наконец, их легируют малыми добавками таких элементов, как бор, цирконий и др., которые способствуют упрочнению приграничных зон за счет образования там избыточных фаз, препятствующих зерногра-

ничиому скольжению. К этому следует добавить, что при производстве как никелевых, так и других жаропрочных сплавов используются достаточно чистые шихтовые материалы со строго лимитированным количеством примесей, способных образовывать легкоплавкие составляющие (например, свинец, олово, сурьма и др.)-

Ниже приведен диапазон изменения важнейших характеристик жаропрочности - пределов ползучести и ЮО-ч прочности жаропрочных сплавов иа разной основе при температурах, типичных как рабочие для каждой из этих групп сплавов:

Видна четкая корреляция уровней ао.2/1оои сюо, что вполне естественно, так как длительная прочность, несмотря на существенную зависимость от специфики разрушения, в целом определяется все-таки сопротивлением ползучести иа всех ее стадиях. Если приравнять напряжения S из уравнения (90) и а из формулы (101), то получим, что Тр= =Л5"/"сг-"/". Возможность примерного определения долговечности по скорости ползучести была многократно подтверждена экспериментально. Даже у сплавов иа одной основе диапазон характеристик жаропрочности широк. И дело здесь не только в разном составе сплавов, но и в структурных различиях, обусловленных разной технологией их обработки.

Выше уже отмечалась важность морфологических характеристик выделений избыточных фаз: повышение жаропрочности тем существеннее, чем дисперснее частицы, меньше расстояние между ними, больше частиц на межзеренных границах. Иногда очень заметно влияют иа характеристики жаропрочности и структурные параметры матрицы, в первую очередь размеры зериа и субзерна.

Скорость ползучести заметно снижается при .увеличении d только до 100 мкм, дальнейшее укрупнение зерна уже почти не сказывается на Vu (рнс. 170). Уменьшение Уц в области малых d связано с усилением вклада диффузионной ползучести по мере уменьшении размера зерна. Если зерно достаточно крупное и основным механизмом дефор-

мации при ползучести является дислокационное скольжение, то Vn почти не зависит от d. Это следует из полуэмпирического уравнения, связывающего скорость установившейся ползучести с действующим напряжением S, коэффициентом диффузии D и размером зериа :уп = =z(ADGb/kT)(b/d)v(SGy\ где G-модуль сдвига; Ь - вектор Бюргерса; л, р и п- безразмерные константы. При высокотемпературной днслокациониой ползучести /)= =0 и Уп, следовательно, не зависит от d. Если же деформация идет в результате -диф.фузионной ползучести, то J7=2-=-3 и Vn существенно повышается прн уменьшении d.

0,Z 0,4

0,6 a, MM

Рис, 170. Зависимость скорости ползучести меди от размера зерна (Шерби, Буркэ)

Рис. 17). Ускорение ползучести никеЛя при 965 "С в результате динамической рекристаллизации (Ричардсон, Сел-ларз). Цифры у кривых - напряжение. МПа

Одно ИЗ объяснений неизменности скорости дислокаци-оииой ползучести при разном размере зерна может быть связано с протеканием динамической полигонизации внутри достаточно крупных зерен. Образующиеся субзериа, размер которых определяется в чистых металлах и твердых растворах в основном только напряжением, и контролируют скорость высокотемпературной ползучести. Размер субзерен, формирующийся на неустановившейся стадии и уже не меняющийся иа установившейся, следующим образом связан с напряжением: сз = аСй/а", (108), где п\.

В гетерофазных сплавах с дисперсными частицами размер субзерен зависит уже не от напряжения, а от расстояния между частицами избыточных фаз. При этом субструктура, сформировавшаяся в процессе обработки такого материала, обычно стабильна и мало меняется при ползучести. В то же время характер и количественные параметры исходной субструктуры однофазных материалов могут существенно меняться во время первой стадии высокотемпературной ползучести, пока размер субзерен не станет соот-

ветствовать уравнению (108). Следовательно, исходная субструктура металлов и твердых растворов должна слабо сказываться иа характеристиках их жаропрочности.

Если исходная плотность дислокаций достаточно высока и (или) испытания ведут при высоких напряжениях, вызывающих быструю ползучесть, то иа начальных ее стадиях возможно прохождение динамической рекристаллизации. В таких случаях на кривых ползучести наблюдается участок резкого ускорения деформации (в период формирования рекристаллизованных зерен), а затем скорость ползучести уменьшается, и вскоре начинается установившаяся стадия (рис. 171).

Глава IX

усталость и изнашивание

Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в конечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести. Подсчитано, что более 80 % всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещии и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости - выносливостью.

Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается в глубь образца или детали, образуя острый надрез. Распространение усталостной трещины обычно длительно. Оио продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда произойдет быстрое разрушение, как правило хрупкое, из-за наличия острого надреза.

Задача усталостных испытаний - дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

1. Методика проведения усталостных испытаний

Современные методы испытаний на усталость (выносливость) разнообразны. Они отличаются характером изме-

нения напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение - сжатие, кручение), наличием нли отсутствием концентраторов напряжений. Как и другие виды, усталостные испытания проводятся при различных температурах и в разных средах. Основные требования и методика усталостных испытаний обобщены в ГОСТ 25.502 - 79.

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто по знаку. Типичные примеры используемых циклов напряжений показаны на рис. 172. Цикл напряжений - это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. За максимальное напряжение цикла отах принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла - Отш - наименьшее

Рис. 172, Разиовндностн циклов напряжений

Минимальное напряжение ПО алгебраической величине напряжение.

Среднее напряжение цикла От= (атах + Отт)/2. Амплитуда напряжений цикла аа=(атах - aniin)/2. Сложение и вычитание максимальных и минимальных напряжений производят с учетом их знака. Из рнс. 172 ясно, что атах = = <Ут-\-Оа. Цикл характеризустся также коэффициентом

асимметрии a = Omin/Omax-

Если Re= - 1, то такой цикл называют симметричным (см, рис. 172, кривая /). Если же минимальное и максимальное напряжения цикла не равны по величине, то он называется асимметричным (см. рис. 172, кривые 2 и 5). Когда напряжения меняются по величине и знаку, цикл считается знакопеременным (см. рис. 172, кривые 1 и 2), если только но величине - знакопостоянным (см. рис. 172, кривая 3). Для испытаний чаще всего используют симметричные знакопеременные циклы с Ra = - 1.

Наиболее распространенная схема нагружения при усталостных испытаниях - изгиб (рис. 173). Эта схема реализуется по-разному. Особенно проста и чаще всегоприменяется схема чистого изгиба образца при вращении (см. рис. 173,а). Нагрузка здесь прилагается в двух точках, что