В результате многочисленных исследований установлено, что зародышевые несплошности имеют порообразную или клиновидную форму с соотношением габаритных размеров от 1:1 до 1:2, средний размер их равен 0,1-0,15 мкм при разбросе от 0,05 до 0,3 мкм, а возникают они практически равновероятно в границах зерен, субзерен, у карбидных включений [33, 41, 46, 52]. Первые зародышевые поры выявляются при деформации ползучести на паропроводе равной 0,1-0,5% [29, 46]. К началу третьей стадии ползучести размер пор увеличивается до 1 мкм и более, причем поры таких размеров наблюдаются только на границах зерен.
В [41] определялась форма пор в стали 12Х1МФ при исследовании изломов в сканирующем электронном микроскопе. Оказалось, что поверхность пор имеет ступенчатый рельеф, который авторы объясняют испарением вещества с поверхности поры. На поверхности пор отмечено выделение дисперсных карбидов. Неправильная форма пор свидетельствует о том, что наблюдаемые металлографически единичные поры на самом деле являются конгломератом пор, образовавшемся при их слиянии [41, 46]. В зоне разгружения микропоры сливаются, образуя цепочки, а затем разветвленную сетку трещин.
Объемная доля пор f определяется их относительной долей площади.
При f < 0,1% поры выявляются только на электронном микроскопе.
При f > 0,1% на границах зерен выявляются отдельные поры размером 0,01-0,1 мкм.
При f > 0,2% по границам зерен образуются отдельные цепочки пор.
При f > 0,35% образуются первые микротрещины [53].
На рис. 1.16 приведены основные виды микропор, наблюдаемые авторами [41] в стали 12Х1МФ при исследовании ее разрушения в условиях высокотемпературной ползучести.
Рис. 1.16. Схема основных видов микропор по [41]
Рис. 1.17. Вид поверхности шлифа образца №52 из коллекции ОС «Живучесть ТЭС» при увеличении х2000 (сканирующий электронный микроскоп). Сталь
12Х1МФ. Размеры кадра — 55 х 55 мкм
Различные механизмы порообразования и роста пор демонстрируются на рис. 1.17, на котором приведены снимки поверхности шлифа образца №52 из коллекции ОС «Живучесть ТЭС». Образец был вырезан из растянутой зоны гиба паропровода свежего пара, изготовленного из стали 12Х1МФ, после наработки 40000 ч при температуре Т = 565 °C и давлении пара р = 24,5 МПа (типоразмер 0273 х 27 мм, Конаковская ГРЭС). Снимки получены в сканирующем электронном микроскопе Camebax при увеличении х2000.
Поры, зародившиеся около карбидных частиц на границе двух зерен и растущие за счет притока вакансий, имеют преимущественно округлую форму 1 (рис. 1.17,а). Несплошности треугольной формы, расположенные на границе двух зерен 2 (рис. 1.17,а) или на стыке трех зерен 3 (рис. 1.17,а), зарождаются по одному из дислокационных механизмов. Если при дальнейшем росте не сплошностей преобладает диффузионный механизм, углы и грани пор первоначально треугольной формы в значительной степени скругляются, и они приобретают форму, близкую к эллиптической 4 (рис. 1.17,а,б), а рост и коалесценция пор первоначально округлой формы приводят к образованию не сплошностей неправильной формы 5 (рис. 1.17,б-г). Если при зарождении и дальнейшем росте не сплошностей преобладает дислокационный механизм, их форма остается близкой к треугольной 6 (рис. 1.17,г).
В стали 15Х1М1Ф образуются, как правило, единичные клиновидные трещины, которые превращаются в ограненные поры. В зоне разрушения микропоры сливаются и образуют разветвленную сетку трещин. Количество микропор около карбидных частиц невелико [38]. Аналогичным образом происходит накопление повреждений в стали 15Х1М1ФЛ [54].
Анализ закономерностей распределения повреждения
Результаты исследования изломов и шлифов образцов, испытанных на ползучесть в лабораторных условиях, показывают, что первые трещины зарождаются всегда с наружной поверхности [5, 33]. При этом характер распределения микроповреждений металла зависит от величины растягивающего напряжения: при больших напряжениях микроповреждения локализуются вблизи поверхности разрыва, при малых напряжениях — распределяются равномерно по длине образца [33].
При однородном напряженном состоянии образование микропор и микротрещин охватывает обширные области материала. При этом возникает несколько параллельных первоначальных трещин, которые развиваются внутрь поперечного сечения до тех пор, пока дальнейшее повреждение не сконцентрируется на одной магистральной трещине [55].
Аналогичные результаты получены при изучении развития повреждений и характера разрушения при ползучести труб из стали 12Х1МФ в процессе стендовых испытаний [11]. Зарождение микроповреждения происходит вблизи поверхностей, причем вблизи внутренней поверхности концентрация пор оказывается выше, чем у наружной, а в средней части стенки трубы поры отсутствуют. При дальнейшем увеличении деформации наступает локальное утонение стенки, и в этом месте появляется большое количество микропор и микротрещин, ориентированных перпендикулярно максимальным приложенным напряжениям, по всей толщине стенки преимущественно вблизи внутренней и наружной поверхностей. К моменту разрушения деформация достигает 3,1%, а количество пор возрастает до 350 шт/мм2.
Гибы паропроводов повреждаются при ползучести гораздо интенсивнее прямых участков труб, работающих в тех же температурных условиях [18, 47, 55]. Опыт исследования гибов паропроводов, эксплуатируемых в условиях ползучести, свидетельствует о том, что повреждения развиваются, в основном, от наружной поверхности растянутой зоны [11, 18, 29, 47, 48, 55, 56], однако нередки случаи разрушения гибов со стороны внутренней поверхности нейтральной зоны [11, 18, 48].
Анализ экспериментальных данных, полученных разными авторами при исследовании находящихся в эксплуатации гибов, позволяет выявить следующие особенности в характере их повреждения.
Гибы с феррито-карбидной структурой повреждаются к концу расчетного срока эксплуатации в большей степени, чем с феррито-бейнитной [46-48, 56]. Повреждение гибов находится в прямой зависимости от толщины стенки в растянутой зоне [48].
Распределение микропор по периметру гиба неравномерное. На растянутых волокнах концентрация микропор максимальна, на сжатых и нейтральных волокнах — несколько ниже [46,47]. По наблюдениям авторов работы [56] максимальное количество пор и трещины образуются по линии внешнего обвода в районе вершины гиба и вблизи границ изогнутого и прямых участков. При этом в окружном направлении повреждение порами и трещинами уменьшается достаточно быстро и становится незначительным на расстоянии, равном 20-30% номинального диаметра трубы от линии внешнего обвода. В [56] приводится пример развития повреждения со стороны сжатой зоны при отсутствии пор в растянутой зоне.
Многие исследователи отмечают, что наибольшие повреждения в ряде случаев оказываются смещенными от вершины гиба в сторону прямого участка и в сторону нейтральной зоны [11, 18, 48, 56], и связывают это с изгибом стенки трубы овального сечения под действием внутреннего давления и появлением дополнительных напряжений.
Если форма сечения гиба соответствует техническим условиям, максимальное повреждение наблюдается на наружной поверхности растянутых волокон [46, 47]. При неправильной форме сечения гиба повреждение может развиваться от внутренней поверхности вглубь металла в радиальном направлении, и наибольшее скопление микропор наблюдается вблизи внутренней поверхности [48].
В разрушенных гибах максимальное повреждение наблюдается на растянутых волокнах, минимальное — на прямом участке. Концентрация пор на сжатых волокна обычно выше, чем на нейтральных, хотя встречаются гибы, у которых концентрация пор на нейтральных волокнах соизмерима (или выше) с их концентрацией на сжатых волокнах [47]. По наблюдению авторов работ [11, 18] количество пор быстро убывает при удалении от места разрушения.
Исследования поврежденных гибов показывают, что при повреждении вследствие ползучести 90% толщины стенки дальнейшее разрушение происходит как сдвиговый долом [55].
Области разрушения обычно очень расщеплены, около магистральной трещины наблюдаются растрескивания межкристаллитного характера, а в трещинах имеется большое количество как отдельных пор, так и их цепочек [48]. Авторы [57] отмечают, что в разрушенных гибах со сдаточной структурой глубина распространения цепочек пор составляет 55-100% толщины стенки, а пор — 80-100%, с браковочной — 80-100 и 100%, соответственно.
