Неразрушающий контроль металла теплоэнергетических установок - Механизм разрушения при ползучести

С повышением температуры испытаний наблюдается, как правило, непрерывное повышение пластичности стали, особенно относительного сужения поперечного сеченая образцов. Однако при малых скоростях деформации, характерных для условий работы паропроводов, достаточно пластичные материалы могут разрушаться хрупко, без заметной деформации. В этом случае наблюдается интеркристаллический (межзеренный) характер разрушения.
Металлографические исследования разрушения при ползучести выявляют два типа межзеренного разрушения:
а) разрушение клиновидной трещиной, зарождающееся обычно в точке встречи трех зерен и затем непрерывно распространяющееся вдоль их границ;
б)    разрушение путем образования по границам зерен пор, которые увеличиваются со временем в размерах, сливаются и образуют сплошную трещину.
Клиновидные трещины образуются при более низких температурах, высоких напряжениях и высоких скоростях ползучести, а трещины, образовавшиеся из пор,— при более высоких температурах, низких напряжениях и малых скоростях ползучести.
После разрушения можно установить тип разрушения: клино-видная трещина имеет весьма гладкие поверхности, тогда как трещина, образовавшаяся из пор, имеет неровную поверхность.
В соответствии с теорией Коттрелла высокая концентрация напряжений требуется только при зарождении клиновидной трещины. Рост же трещины может происходить благодаря миграции атомов от вершины образующейся трещины к ее сторонам. Такой процесс роста трещины может протекать непрерывно, даже если вершина трещины притуплена.
Большая часть клиновидной трещины образуется на границах, поперечных относительно оси прилагаемого напряжения. Однако при слиянии трещин они могут появляться и расти и вдоль границ зерен.
В процессе разрушения при ползучести клиновидные трещины распространяются с весьма незначительной скоростью; микротрещины в этом случае могут появляться задолго до разрушения изделия. Развитие клиновидной трещины может прекратиться, если у ее вершины начнется пластическая деформация.
Изучение рельефа поверхности трещины, возникающей в результате слияния клиновидных трещин, показывает, что поверхность разрушения не совпадает с поверхностью зерен до разрушения и проходит через участки зерен, очень близко примыкающих к границам. Было установлено, что под поверхностью излома имеется слой наклепанного или рекристаллизованного металла толщиной до 0,04 мм. Это говорит о том, что разрушение захватывает довольно широкую область, расположенную по обе стороны от границ зерен.
Исследование разрушения вследствие образования пор показало, что размеры пор увеличиваются в процессе развития ползучести; со временем они объединяются и образуют непрерывные трещины по границам зерен. На ранних стадиях ползучести поры имеют сферическую форму. С течением времени они объединяются, что приводит к образованию трещин.
Обязательными условиями образования пор являются проскальзывание по границам зерен, а также взаимная ориентировка зерен: последние никогда не появляются на двойниковых границах. Следовательно, бездеформационное разрушение при ползучести объясняется возможностью локализации пластической деформаций у границ зерен.
Образование зародышей микропор представляется следующим образом. В процессе ползучести около границ образуются субграницы. У стыка границы с субграницей силами поверхностного натяжения образуется остроконечный выступ. Пространственный угол такого выступа зависит от разориентировки между субзернами. При последующем проскальзывании по границе возможно образование субмикрополости, которая и является зародышем будущей микропоры. Мак Лином показано, что малые выступы высотой всего в четыре межатомных расстояния могут являться зародышами микропор. При этом требуется достижение скорости проскальзывания выше критической. В противном случае выступы могут затягиваться благодаря процессам диффузии, протекающим по границам зерен.
Существует также представление о том, что зародышами могут быть включения, пустоты и газовые пузырьки, расположенные по границам зерен.
Предполагается, что рост пор при ползучести происходит вследствие диффузии вакансий к зародышам пор. которые, конденсируясь на них, приводят к их росту до размеров, видимых в оптический микроскоп.
Некоторой разновидностью хрупкого разрушения является разрушение по границам зерен, которое вызывается:
а)     наличием на границе зерен выделений инородной фазы (например, разрушение аустенитных сталей, охрупченных выделениями карбидов по границам зерен);
б)    в результате охрупчивания границ зерен сегрегациями примесей без появления отдельной фазы (отпускная хрупкость легированных сталей).
При ползучести значительно чаще наблюдается вязкое разрушение металла. Экспериментально доказано, что начальной стадией вязкого разрушения является образование пор либр до границам зерен, либо в полосах  деформации. Возникновение пор объясняется присутствием неметаллических включений или частиц выделений. Поры могут возникать также в полосах сильной деформации. При продолжении деформации образовавшиеся мелкие поры разрастаются и сливаются, образуя пустоты, которые ведут к локализации деформации. В области наиболее сильной деформации образуется макроскопическая трещина, которая затем распространяется под действием напряжений.
Обычно считают, что начало процесса разрушения совпадает с наступлением третьей стадии ползучести. Однако в [11] показано, что процесс разрушения начинается на самых ранних стадиях ползучести. Образование микропор, превращающихся позднее в межзеренную трещину, происходит за время, составляющее менее 10% времени до разрушения при 0,1% общего удлинения при разрушении.