9 Ползучесть металлов

К важным свойствам материала относится жаропрочность – способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при повышенных температурах. Жаропрочные материалы находят применение для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах, например, детали автомобилей, самолетов, ракет, атомных реакторов, турбин и т.п..

Под воздействием температуры и длительного нагружения металл непрерывно пластически деформируется, приобретает повышенную пластичность. Это явление получило название ползучесть.

Проведем испытание образца на растяжение при постоянной повышенной температуре (Т=const) и постоянном напряжении (σ=const). В процессе испытания будем измерять пластическую деформацию (l) в зависимости от времени испытания (t). В результате получим кривую ползучести (рис. 9.1). Видно, что с увеличением времени испытания при постоянном напряжении увеличиваются пластическая деформация материала. На кривой ползучести можно выделить три характерные области. Первая область (01) – неустановившаяся логарифмическая ползучесть, сопровождающаяся уменьшением скорости деформации; вторая область (12) – установившаяся ползучесть, т.е. скорость деформации постоянная, определяемая тангенсом угла наклона кривой ползучести к оси абсцисс; третья область (23) – ускоренная ползучесть, приводящая к полному разрушению в точке 3.

В период ползучести проходят два независимых противоборствующих процесса.

1. Упрочнение. Коль скоро идет пластическая деформация, то в результате повышения уровня плотности дислокаций происходит наклеп материала. Кроме того, в процессе деформации возможно выделение твердых частиц в виде окислов, нитридов, карбидов. Они будут заклинивать плоскости скольжения дислокаций, препятствовать их движению и так же совершать упрочнение.

		а
		б
Рис.9.1. Кривая ползучести	Рис.9.2. Схема изменения структуры металлов после ползучести

2. Разупрочнение. Высокие температуры испытания приводят к отжигу наклепанного металла (рекристаллизация), коагуляции твердых частиц.

На рисунке 9.2 показана схема изменения структуры металлов после ползучести. На рисунке 9.2,а мелкодисперсная структура переходит в крупнозернистою в результате собирательной рекристаллизации. На рисунке 9.2,б в материале, упрочненном мелкодисперсными твердыми частицами, при длительном воздействии высоких температур происходит коагуляция второй фазы. В обоих случаях протекают процессы в направлении уменьшения уровня запаса свободной энергии системы, приводящие к разупрочнению материалов. Вместе с тем, как свидетельствуют многочисленные наблюдения в экспериментах, значительная доля пластической деформации при высоких температурах происходит по границам зерен.

Границы, имеющие наибольшее количество искажений, ведут себя подобно аморфному (вязкому) телу за счет перемещения точечных дефектов, сопровождаемому соответствующими частичными перемещениями ближайших дислокаций. Долевое участие точечных дефектов и дислокаций в деформации границ зависит от температуры опыта, времени и реальной структуры металла.

Важное место в процессе ползучести занимает механизм диффузионной пластичности материалов. Этот механизм деформации происходит как по границам зерен, так и по телу зерна. Роль такого механизма деформации увеличивается с повышением температуры и подчиняется закону Аррениуса.

Поскольку разупрочнение происходит за счет рекристаллизации, то повышение температуры рекристаллизации (Т_рекр) материала естественно увеличит жаропрочность. Известно, что . Коэффициент α зависит от чистоты металла. Легирование металлов увеличивает коэффициент α, а, следовательно, повышает их жаропрочность. Так, например, образование насыщенных твердых растворов может увеличить коэффициент α = 0,8 + 0,9, и как результат повышения рабочих температур сплавов. В результате легирования одновременно снижается роль диффузионной пластичности при ползучести, поскольку диффузия атомов легирующих элементов, образующих твердые растворы, происходит медленнее, чем атомов основного металла.

Для уменьшения доли пластической деформации по границам зерен, а, следовательно, повышения жаропрочности, существует несколько путей. Первый заключается в уменьшении суммарной поверхности границ зерен в материале. С этой целью используют материалы с крупнозернистой структурой. Второй путь состоит в укреплении границ зерен путем введения в сплав специальных легирующих элементов, образующих твердые стойкие к нагреву в процессе различных видов термической обработки и температуры эксплуатации материала соединения. Эти мелкодисперсные соединения (карбиды, интерметаллиды), располагаясь как по границам, так и по телу зерен, сдерживают процесс рекристаллизации и течение по границам, одновременно препятствуя движению дислокаций. Примером таких материалов являются нимоники сплава на основе никеля системы Ni-Cr-Ti-Al, в которых после закалки и старения выделяется вторая мелкодисперсная упрочняющая фаза (интерметаллид) типа Ni (Ti, Al), углеродистые стали, легированные тугоплавкими карбидообразующими элементами, например, вольфрамом, хромом, ванадием, которые образуют с углеродом мелкодисперсные стойкие легированные карбиды. Однако при достаточно высоких температурах роль упрочнения мелкодисперсными соединениями резко снижается, поскольку дислокации сравнительно беспрепятственно могут обходить эти включения.

С целью повышения жаропрочности в материалы вводят искусственно упрочняющую фазу в виде мелкодисперсных частиц окислов – дисперсно-упрочненные материалы. Например, для повышения жаропрочности никеля в него вводят частицы окислов тория (Th O₂), размером около 0,1 мкм. Количество частиц выбирается таким по объему, чтобы они эффективно препятствовали переползанию дислокаций, поскольку с увеличением объемной доли частиц уменьшается расстояние между ними, препятствующее продвижению дислокаций. При этом жаропрочность повышается с 1000 до 1400 ºС.

Введение в алюминий частиц окиси алюминия так же резко повышает его жаропрочность.