Механизм разрушения металлов

В проблеме жаропрочности сплавов не меньшее значение, чем ползучесть, имеет длительная прочность. Механизм процесса разрушения при ползучести (длительная прочность) еще недостаточно изучен и по этому вопросу нет единого мнения. Многие из выдвинутых гипотез не нашли экспериментального подтверждения.

В настоящее время большинство исследователей считает, что основным механизмом разрушения металла в условиях ползучести является образование и развитие трещин, ослабляющих металл вследствие уменьшения сечения и концентрации напряжений. Процесс трещинообразования у очень многих сплавов экспериментально установлен в начале второго периода ползучести. Однако сравнительно непродолжительное пребывание металла в условиях ползучести влечет за собой снижение длительной прочности при эксплуатации в условиях высоких темпе-ратур, следовательно, образование трещин начинается уже на первой стадии ползучести и только вследствие несовершенства современных методов исследования нельзя обнаружить имеющиеся в наличии зародыши трещин.

Существуют две точки зрения относительно причин образования и развития трещин: 1) из-за концентрации напряжений на границах зерен при относительном перемещении их; 2) в результате скапливания по границам зерен вакантных мест кристаллической решетки и объединения их в вытянутые колонии.

Наличие межзеренной пластичности на I и II стадиях ползучести в настоящее время не вызывает сомнений. Доля межзеренной пластичности в суммарной деформации увеличивается с уменьшением действующего напряжения. В условиях ползучести при малых напряжениях межзеренная пластичность может играть решающую роль.

Теория механизма образования трещин

в результате концентрации напряжений в стыках зерен была разработана Зинером

Теория механизма образования трещин в результате концентрации напряжений в стыках зерен была разработана Зинером. Согласно этой теории, у стыков трех зерен вследствие релаксации касательных напряжений вдоль границ зерен при их перемещении возникает концентрация напряжений, которая приводит к статическому растяжению. Когда напряжение в месте стыка зерен равно сопротивлению отрыву, образуется зародыш трещины. В случае образования трещины в теле зерна подобная роль отводится концентрации напряжений вдоль линий скольжения. Концентрация напряжений в стыке трех зерен, по подсчету Зинера, может достигать 103 кГ/мм2 при размере зерна ~0,1 мм. В подтверждение этой теории можно отметить, что зарождение трещин, приводящих к разрушению, как правило, наблюдается у стыков трех зерен. Однако, согласно теории Зинера и других авторов, при большей скорости ползучести (межзеренной) образец должен разрушиться i скорее, а это наблюдается не во всех случаях.

Более глубокие физические представления о механизме возникновения и развития трещин при ползучести изложены в работах сторонников гипотезы о решающей роли вакантных мест, имеющихся в решетке, в процессе деформации и разрушения. Они используют для объяснения механизма разрушения при ползучести физические представления и механические факторы (концентрация напряжений).

I Известно, что трещины возникают в одном случае на границах зерен, а в другом — в теле зерна. На основе теории вакансий можно следующим образом объяснить это явление. Межзеренное разрушение в процессе ползучести наблюдается тогда, когда скорость ползучести относительно невелика и требуется значительное время до разрушения. В этом случае деформация накапливается главным образом вследствие межзеренной пластичности. Следовательно, образование и скопление вакансий, а в конечном результате и образование трещин должно происходить по границам зерен.

Транскристаллическое разрушение

объясняется большой скоростью ползучести при высоких напряжениях

Выделение на границах зерен мелкодисперсных вторичных фаз также способствует пересечению дис-локаций при огибании препятствия, что вызывает интенсивное образование вакансий и способствует образованию трещин на границах зерен. Транскристаллическое разрушение (по телу зерна) объясняется большой скоростью ползучести при высоких напряжениях. В этом случае объем межзеренной пластичности в общей величине деформации сокращается, большую эффективность приобретают механизмы, развивающиеся в теле зерна, а линии скольжения играют ту же роль, что и границы зерен в отношении скапливания и образования вакансий.

Согласно гипотезе вакансий, процесс разрушения, хотя и зависит от скорости ползучести (интенсивности образования вакансий), но регулируется скоростью диффузии и способностью вакансий собираться в колонии. Таким образом, интенсивное протекание диффузионных процессов приводит не только к увеличению скорости ползучести, но и к ускоренному разрушению металла во время службы в условиях ползучести.

Имеющиеся сведения о механизмах разупрочнения и разрушения позволяют более глубоко понять многие процессы, происходящие в жаропрочных материалах при испытаниях и работе в условиях высоких температур. Они позволяют также лучше изучить механизм влияния легирующих элементов и более направленно вести изыскание новых жаропрочных материалов. Однако ввиду трудности в каждом конкретном случае оценить роль того или другого механизма пластической деформации все еще сохраняется необходимость исследования влияния легирующих элементов на жаропрочные свойства непосредственными испытаниями на ползучесть и длительную прочность.