Современные представления о механизмах пластической деформации и разрушения в условиях ползучести

В связи с непрерывным повышением параметров пара, используемого в паровых турбинах, и развитием газовых турбин и реактивных двигателей проблема создания сплавов с заданными свойствами, способных длительно работать при высоких температурах, стала одной из наиболее важных проблем металловедения и металлургии. Поэтому за последнее десятилетие проблема жаропрочности получила большое развитие. Выполнено много работ по изучению ползучести, релаксации и длительной прочности различных сталей и сплавов. В меньшей степени изучена физическая природа и механизм процессов, сопровождающих ползучесть, которые приводят к значительному изменению начальных свойств металла.

На основании проведенных работ созданы теоретические основы жаропрочности, которые значительно облегчили и ускорили разработку новых жаропрочных материалов с повышенными свойствами. Большая заслуга в этом принадлежит советским ученым. Не ставя перед собой задачу освещения всех вопросов теории жаропрочности и отсылая читателя к специальным изданиям, кратко рассмотрим современные представления о механизме пластической деформации и процессе разрушения в условиях ползучести.

Ползучесть представляет собой пластическую деформацию металла, накапливающуюся во времени. Сопротивление ползучести является важной расчетной характеристикой жаропрочности материала. Критериями ползучести обычно служат скорость ползучести, реже — суммарная накопленная деформация.

Скорость ползучести определяется во втором периоде ползучести, когда она является относительно постоянной величиной.

Предел ползучести, характеризующийся напряжением, под действием которого возникает ползучесть, идущая со скоростью, обычно определяют с помощью экстраполяции (или интерполяции) на графике lga— lgVr, (а — напряжение; Va — скорость ползучести). При этом необходимо, чтобы опытные точки, полученные непосредственным вычислением скорости ползучести по первичным кривым в координатах деформация— время при различных напряжениях, достаточно строго располагались в логарифмических координатах на прямой. В противном случае даже обычные субъективные факторы значительно влияют на результат определения, и ошибка может доходить до 50%.

Величина напряжения металла

приводящая к разрушению металла по границам зерен, в основном зависит от прочности границ зерен

Время до разрушения при данном напряжении определяет длительную прочность металла. Предел длительной прочности получают методом прямолинейной экстраполяции в логарифмических координатах lga— lgt (т — время до разрушения, час.). Такой предел длительной прочности называется условным. Определение правильной величины предела длительной прочности крайне трудно, так как все методы экстраполяции ненадежны вследствие отсутствия точных математических формул, описывающих кривую ползучести в координатах относительное удлинение— время и учитывающих все физические факторы, действующие при ползучести. Так, например, структурные изменения, получающиеся при длительном старении испытуемых образцов под напряжением, приводят к изменению характера разрушения — вместо транскристаллического оно становится м е ж к р и с т а л л и т н ы м.

Величина напряжения, приводящая к разрушению металла по границам зерен, в основном зависит от прочности границ зерен, которая может меняться в результате дисперсионного выделения частиц и их коагуляции, изменения скорости диффузии (в связи с изменением состава твердого раствора) и т. д. Жаропрочность при этом понижается: на прямой длительной прочности, построенной в логарифмических координатах lga — lgt, наблюдается один, а иногда и два перелома. Прямые эксперименты на ряде сталей длительностью до 100 000 час. и более свидетельствуют о том, что, как правило, прямолинейная зависимость на такие длительные сроки службы не сохраняется. Однако отсутствие других, более точных, методов заставляет использовать прямолинейную экстраполяцию; при этом рекомендуется, чтобы последняя экспериментальная точка отстояла (по шкале времени) не более, чем на один порядок от точки экстраполированного предела длительной прочности. Поскольку в конструкцию закладываются расчетные напряжения, не превышающие 0,6 величины предела длительной прочности, прямая линейная экстраполяция считается допустимой. 6

В настоящее время выдвинут ряд гипотез для объяснения явлений, наблюдаемых при ползучести, которые основаны на определенных представлениях о механизме пластической деформации, происходящей при ползучести.