ГЛАВА ВТОРАЯ
ПОЛЗУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ПОЛЗУЧЕСТИ
Ползучесть — пластическое течение материала под воздействием постоянного напряжения или постоянной нагрузки.
Принято различать следующие стадии деформации при ползучести (рис. 2-1):
- мгновенная деформация;
- стадия с затухающей скоростью ползучести;
- стадия, протекающая с постоянной скоростью ползучести (стадия установившейся ползучести);
- стадия с (возрастающей скоростью ползучести, ведущая к разрушению.
Рис. 2-1. Кривая ползучести (схема).
Для того чтобы предсказать поведение металла в процессе ползучести, предложено несколько эмпирических формул, связывающих скорость ползучести (или остаточную деформацию) с напряжением, температурой и временем.
Константа β характеризует установившуюся ползучесть, которая является результатом процесса скольжения внутри зерен, а константа к характеризует стадию установившейся ползучести — результат проскальзывания по границам зерен, т. е. относительное смещение зерен, происходящее по границам между ними. Следует отметить, что ни одна из предложенных в настоящее время эмпирических формул не может быть справедливой для всех напряжений и температур при ползучести. Авторы рассматривают только применяемые в реальных условиях напряжения и температуры и только формулы, подтвержденные испытаниями теплоустойчивых сталей.
Уравнение (2-1) учитывает только две стадии ползучести, не охватывая стадию с возрастающей скоростью ползучести, предшествующей разрушению, т. е. без учета третьей стадии ползучести. Однако доведение процесса ползучести до третьей стадии за время службы металла не может предусматриваться при проектировании деталей и узлов теплотехнического оборудовании электростанций.
Для каждого металла постоянная β является простой функцией комбинированного параметра, зависящего от напряжения и температуры:
где а — напряжение; Т — температура испытания; εt— скорость деформации при затухающей стадии ползучести; а — коэффициент.
Установившаяся стадия ползучести связана с постоянной к уравнением εк=σп, где n>1.
Сочетание неустановившегося и установившегося течения дает в сумме наблюдаемые в опыте формы начальной части кривых ползучести. При высоких температурах с помощью микроскопа можно наблюдать значительные смещения зерен с одновременным уменьшением числа следов скольжения.
При понижении температуры становятся более заметными внутризеренные следы деформации, в то время как проскальзывание по границам зерен уменьшается. Поэтому зависимость β и к от температуры и напряжения соответствует качественным наблюдениям.
Однако следует иметь в виду, что процесс ползучести связан с действием различных физических факторов и
каждый из них очень чувствителен к химическому составу металла, размеру зерна, режимам предварительной обработки.
Одним из важнейших факторов, влияющих на скорость ползучести, является размер зерна. Увеличение размера зерен при высоких температурах до некоторого оптимального приводит к уменьшению скорости ползучести и тем самым к увеличению времени надежной эксплуатации детали. Однако дальнейшее увеличение размера зерен вызывает увеличение скорости ползучести и уменьшение времени до разрушения. Это объясняется соотношением прочности металла при разрушении по границам зерен и по зерну. Этот вопрос представляет большой практический интерес. Установлено [8], что при постоянной температуре
(2-5)
где σт — предел текучести металла; σзер — сопротивление деформации зерен; σгр — сопротивление деформации граничных слоев зерен; d—средний размер зерен; с— толщина пограничного слоя.
Из соотношения (2-5) видно, что прочность границ зерен может отличаться от прочности тела зерен, а прочность границ зависит от толщины пограничного слоя с и размера зерен. Согласно этому уравнению увеличение размера зерен d может увеличивать или уменьшать прочность в зависимости от знака перед вторым членом уравнения, зависящего от условий эксплуатации металла. Имеется оптимальный размер зерен, после достижения которого дальнейшее увеличение этого размера приведет к снижению жаропрочности, а следовательно, к уменьшению сопротивления ползучести.
Увеличение размера зерен приводит к уменьшению протяженности их границ и к увеличению прочности σгр, которая при некотором оптимальном размере достигает значения σзер. Дальнейшее увеличение размера зерен приводит, как отмечалось, к снижению прочности металла.
Установлено, что скорость ползучести зависит не только от размера зерен, но и от строения самих границ зерен, а также от степени предшествующей пластической деформации стали.
Рис. 2-2. Влияние степени обжатия при холодном деформировании стали аустенитного класса на пределы ползучести при различных температурах.
Экспериментами на аустенитной стали типа 12Х18Н9Т установлено существование оптимальной степени предварительной холодной деформации, дающей наилучшие показатели при последующем испытании на ползучесть.
По [9] после деформации аустенитной стали в холодном состоянии до различных степеней— от 0 до 35% — проводили испытания на ползучесть при температурах от 550 до 750°С с интервалами в 50°С. Результаты работы представлены на рис. 2-2, из которого следует, что для каждой температуры испытания существует свое оптимальное значение степени предварительной деформации, в результате которой отмечается наиболее высокое сопротивление ползучести. При температуре испытания, близкой к температуре возврата, эффект холодной обработки быстро исчезает.
Ползучесть — структурно-чувствительное свойство стали, на которое влияют весьма малые изменения условий металлургического производства металла. При этом характеристики ползучести изменяются значительно сильнее, чем любые другие характеристики прочности.
На рис, 2-3 приведены кривые ползучести 40 углеродистых сталей, испытанных при одинаковых условиях: напряжение 12,5 кгс/мм2, температура 450°С, продолжительность испытания 120 ч. На диаграмме указано так же содержание углерода в стали.
Рис. 2-3. Кривые ползучести углеродистых сталей.
В зависимости от условий службы деталей, в основном в зависимости от рабочего напряжения и температуры, требуются определенные режимы ее термической обработки. Для работы при низких температурах наилучшим структурным состоянием является максимальный предел прочности при растяжении. В случае предъявления к сталям высоких требований по сопротивлению ползучести наилучшее структурное состояние обеспечивается проведением операции нормализации.
Вследствие значительных изменений в ферритно-перлитной структуре сталей в процессе эксплуатации механизм проходящего в них процесса ползучести более сложен, чем в других сталях. Это объясняется тем, что в сталях, находящихся в неравновесном состоянии, при повышенных температурах происходят превращения, способствующие увеличению скорости ползучести.
Имеются многочисленные данные о том, что сталь со сфероидизированной структурой отличается меньшим сопротивлением ползучести, чем сталь с несфероидизированной структурой. Скорость же сфероидизации определяется напряжением и температурой.
Рис. 2-4. Влияние термической обработки на ползучесть молибденовой стали.
1 — сфероидизация; 3 — состояние поставки; 3 — закалка а воде в отпуск; 4 — нормализация; 5 — отжиг; 6 — закалка в масле и отпуск.
Влияние некоторых изменений структуры на свойства молибденовой стали (0,52% Мо, 0,11% С), испытанной под напряжением 14,2 кгс/мм2 при 550°С при различных начальных структурных состояниях стали, показано на рис. 2-4. При высоких температурах постоянная скорость ползучести сохраняется только в течение ограниченного периода времени, после чего наблюдается увеличение скорости ползучести. Этот период отличается от третьей стадии ползучести тем, что темп увеличения скорости очень мал и охватывает относительно большой период времени. На рис. 2-5 приведены типичные кривые ползучести металла паропроводных труб из сталей перлитного класса 15М, 12МХ, 15ХМ и 12Х1МФ. Детальное изучение явлений, происходящих в третьей стадии ползучести, чрезвычайно важно для предупреждения разрушения деталей и узлов энергетического оборудования. Эти явления можно связать с одним из следующих типов разрушения:
Рис. 2-5. Типичные кривые ползучести паропроводных труб.
Тип 1. Характерной особенностью разрушения является большая остаточная деформация. В месте разрушения наблюдается уменьшение поперечного сечения изделия. Например, в трубах—утонение стенки трубы в месте разрыва. Такое поведение металла наблюдается при относительно низких температурах и больших скоростях деформации, а также при кратковременном высоком нагреве металла. Разрушение носит транскристаллический характер.
Тип 2. Разрушение происходит только по границам зерен, т. е. носит чисто интеркристаллический характер. При этом типе разрушений наблюдаются многочисленные трещины ползучести, образующиеся прежде .всего у границ зерен на поверхности металла и распространяющиеся внутрь стенки изделия. Такое разрушение происходит при высоких температурах испытания или эксплуатации детали.
Тип 3. Разрушение одной части излома транскристаллитное, другой—интеркристаллитное. Этот тип разрушения наблюдается при работе деталей в промежуточном районе температур.
Интеркристаллитное разрушение широко распространено в элементах, работающих при высоких температурах. Разрушение в этом случае происходит путем образования и развития трещин, возникающих в ряде случаев еще на ранней стадии ползучести, и является в большинстве случаев хрупким.
Как отмечалось выше, при высоких температурах происходит вязкое течение границ зерен, что при отсутствии заметной деформации зерна не может создать высокую степень деформации при ползучести, так как объем металла границ составляет очень малую долю объема зерен.
В условиях высоких температур и малых скоростей ползучести деформация зерен почти подавлена, а вязкое течение и разрушение происходят у границ зерен. Структурные и фазовые изменения, легирование, термическая обработка и другие технологические факторы изменяют общую картину разрушения постольку, поскольку они изменяют соотношение между сопротивлением деформации зерна и его границ.
При этом большое практическое значение приобретает возможность определения скорости распространения трещин в исследуемом металла,
Скорость роста сквозных трещин, навивающихся от края образцов, подчиняется зависимости
(2-6)
где L—длина трещины; σ — приложенное напряжение; b— ширина образца; υ0 и β — коэффициенты.
Неоднородность поля деформаций, приводящая к неоднородности поля напряжений возле дефектов, может привести к лавинному развитию трещин.
Концентрация напряжений у края трещины по сравнению со средним уровнем напряжений в теле 'изделия может быть оценена соотношением [10]
(2-7)
где К — коэффициент; р — радиус кривизны на конце трещины; L —длина трещины.
Внешний среда также оказывает влияние на процесс разрушения металла в процессе эксплуатация. Естественными каналами, по которым внешняя среда может воздействовать на прочность металлов, являются в первую очередь выходящие на поверхность изделия границы зерен и поверхностные трещины.
Сила воздействия внешней среды связана с общей активностью среды и со временем. Напряжения в изделии в значительной мере усиливают процесс разрушения границ зерен внешней средой. Таким образом, поверхность изделий существенно влияет на жаропрочность.
