Зарождение и рост пор
Анализ [24, 25, 27, 28] показывает, что хотя зарождение и развитие не сплошностей на границах зерен в области высокотемпературной ползучести может осуществляться по различным механизмам, в основе проблемы жаропрочности лежит явление межкристаллитного разрушения, т. е. зарождение и накопление повреждений на границах зерен.
Разрушение при ползучести обусловлено, в основном, двумя механизмами накопления межкристаллитных повреждений [26]:
- кавитационным, связанным с возникновением пор по границам зерен, почти перпендикулярных направлению приложенного напряжения, их ростом и коалесценцией;
- растрескиванием, связанным с возникновением клиновидных трещин на стыках трех зерен, их ростом вдоль границ и слиянием трещин, образованных на разных, близко расположенных стыках трех зерен.
Зарождение пор или клиновидных трещин происходит относительно легко [25], а их дальнейший рост определяется диффузией вакансий, продолжающимся проскальзыванием, пластической деформацией зерен, зарождением и ростом пор перед вершиной трещины и их слиянием с трещиной. Форма и размеры пор зависят от того, по какому механизму происходит их рост.
Межкристаллитное кавитационное разрушение начинается с зарождения пор на границах зерен или в приграничной области. В [41] отмечается также зарождение пор на субграницах, причем поры обнаруживались как на клубковых субграницах ячеистой субструктуры, так и на плоских субграницах сетчатого строения.
Диффузионный рост пор происходит в результате миграции вакансий к порам под действием разности химических потенциалов на границе, находящейся под действием растягивающего напряжения, и на поверхности поры. При этом атомы с поверхности пор осаждаются в границах зерен.
На рис. 1.14 показано изменение формы поры в процессе ее роста при различных условиях [26].
Если скорость диффузии на поверхности поры намного выше, чем вдоль границы, поверхностная диффузия сглаживает возмущения по контуру поры, и она в процессе роста приобретает линзообразную форму.
Как только поверхностная диффузия становится медленнее диффузии по границам при относительно низких приложенных напряжениях, пора изменяет свою форму от линзообразной к сплющенной, трещиноподобной (рис. 1.14,а).
При высоких приложенных напряжениях, когда возмущения по контуру поры становятся неустойчивыми, в плоскости границы впереди отставшего основного контура поры образуются пальцеобразные полости, и происходит дендритный рост поры (рис. 1.14,б). Скорость роста пор при этом пропорциональна третьей степени напряжения [26].
Рис. 1.14. Изменение формы поры в процессе роста: (а) изменение формы поры от линзообразной к сплющенной при низких приложенных напряжениях; (б) дендритный рост поры при высоких приложенных напряжениях
Рис. 1.15. Зарождение клиновидной трещины на стыке трех зерен. Стрелками показано направление проскальзывания по границам
Диффузионный рост пор облегчается (а в предельном случае рост пор может определяться) деформационно-дислокационной ползучестью или проскальзыванием по границам зерен [26].
Другой механизм накопления повреждений при ползучести — растрескивание — протекает при относительно высоких приложенных напряжениях и заключается в зарождении трещин на стыке трех зерен и их росте вдоль границ. На рис. 1.15 показаны различные возможности зарождения клиновидной трещины на стыках трех зерен [26].
Образовавшаяся трещина может расти благодаря продолжающимся проскальзываниям, пластической деформации зерен, ведущей к нарушению когезии перед ее вершиной, диффузии вакансий к вершине трещины, зарождению и росту пор перед вершиной трещины, но преобладающим механизмом роста клиновидных трещин при высокотемпературной ползучести, по-видимому, является кавитационный. В обзорной работе [26] в качестве подтверждения этого приводится наличие перетяжек внутри трещины, выявляемое при исследованиях клиновидной трещины в сканирующем электронном микроскопе.
В большинстве случаев одновременно действуют оба механизма накопления повреждений, о чем свидетельствует экспериментально наблюдаемое многообразие форм пор и их расположения [18, 33, 38, 41].
