книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов
..pdfА. В. СТАНЮКОВИЧ
ХРУПКОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
ЖАРОПРОЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « М Е Т А Л Л У Р Г И Я * МОСКВА 1967
АННОТАЦИЯ
В книге рассмотрены причины, вызы вающие хрупкие разрушения в деталях, работающих при высоких температурах, а также некоторые факторы, влияющие на их возникновение и развитие (напри мер, термическая обработка и структура, наклеп, направление волокна в прокатан ном металле, технология сварки, концен траторы напряжений). Описаны методы оценки склонности сталей и сплавов к вы сокотемпературной хрупкости. Приведены данные о деформационной способности в различных условиях (по температуре, скорости ползучести и времени) основных жаропрочных сталей и сплавов, приме няемых в энергомашиностроении. *'
Книга предназначена для инженернотехнических и научных работников ме таллургической, машиностроительной, энергетической и химической промыш ленности, связанных с производством, применением и исследованием жаропроч ных сталей и сплавов.
3-11
120—67
|
|
Стр. |
Введение |
|
5 |
Глава |
I. |
|
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ПРЕДШЕСТВУЮЩАЯ РАЗРУШЕНИЮ, |
9 |
|
И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ |
||
|
Особенности высокотемпературного разрушения |
9 |
|
Изменение относительного удлинения в зависимости от средней |
|
|
скорости ползучести |
14 |
|
Изменение относительного удлинения с увеличением времени |
|
|
до разрушения |
19 |
|
Влияние изменения относительного удлинения на зависимость |
|
|
напряжение—время до разрушения |
23 |
Г л а в а |
II. |
|
ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ИСПЫ |
29 |
|
ТАНИЯХ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ ДЕФОРМАЦИИ |
||
|
Методика испытаний |
30 |
|
Изменение относительного удлинения с температурой |
34 |
|
Влияние скорости деформации |
41 |
|
Характер разрушения и его влияние на пластичность |
43 |
|
Диаграммы деформационной способности |
52 |
|
Деформационная способность жаропрочных металлов |
58 |
Г л а в а |
III. |
|
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДЕФОРМАЦИОННУЮ |
69 |
|
СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ |
||
|
Кольцевой надрез |
71 |
|
Поверхностные дефекты |
75 |
|
Чувствительность к спиральному надрезу |
78 |
|
Форма спирального надреза |
80 |
|
Влияние спирального надреза на пластичность и прочность |
85 |
Г л а в а |
IV. |
|
ВЛИЯНИЕ НАКЛЕПА НА ДЕФОРМАЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ МАТЕ |
100 |
|
РИАЛОВ |
||
|
Аустенитные стали |
100 |
|
Влияние поверхностного наклепа |
107 |
|
Разрушение пароперегревателей из стали 1Х18Н12Т |
109 |
|||||
Перлитные стали |
|
|
|
114 |
|||
Г л а в а |
V. |
|
|
|
|
|
|
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ДЕФОРМАЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ МАТЕ |
117 |
||||||
РИАЛОВ |
|
|
|
|
|
||
Режим термической обработки |
. . |
|
117 |
||||
Длительное воздействие высоких температур |
121 |
||||||
Величина зерна |
|
|
|
123 |
|||
Анизотропия |
пластичности |
|
|
131 |
|||
Влияние |
размера образца |
|
|
136 |
|||
Г л а в а |
VI. |
|
|
|
|
|
|
СВАРНЫЕ |
СОЕДИНЕНИЯ |
|
|
|
141 |
||
Перлитные стали |
|
|
|
141 |
|||
Аустенитные стали |
|
|
|
147 |
|||
Сварные соединения из разнородных материалов |
168 |
||||||
Г л а в а |
VII. |
|
|
|
|
|
|
ЭТАПЫ ПРОЯВЛЕНИЯ СКЛОННОСТИ СТАЛИ К ХРУПКИМ РАЗРУШЕ |
171 |
||||||
НИЯМ |
|
|
|
|
|
|
|
Изменение пластичности |
с температурой |
|
171 |
||||
Влияние различных факторов на смещение кривой, изображаю |
173 |
||||||
|
щей изменение относительного удлинения с температурой |
||||||
Факторы, обусловливающие появление дополнительных этапов |
178 |
||||||
|
склонности |
к хрупким |
разрушениям |
|
|||
Пластичность |
металлов |
на |
различных |
этапах проявления |
180 |
||
|
склонности |
к хрупким |
разрушениям |
|
|||
Г л а в а |
VIII. |
|
|
|
|
|
|
ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА, ОПРЕДЕ |
|
||||||
ЛЯЮЩАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМ |
182 |
||||||
ПЕРАТУРАХ |
|
|
|
|
|
||
Влияние |
на деформационную |
способность |
материала одновре |
182 |
|||
|
менно |
нескольких факторов |
|
|
|||
Оценка деформационной способности жаропрочных сталей |
183 |
||||||
Необходимый |
уровень деформационной способности металлов |
189 |
За последние годы в Советском Союзе разработано и подробно исследовано много новых жаропрочных материалов [14, 16, 17, 18, 20, 25, 68]. Решен ряд методических проблем, связанных с изуче нием служебных свойств материалов, предназначенных для дли тельной работы при высоких температурах [6, 11, 15, 9, 21, 68].
О качестве и работоспособности новых жаропрочных материа лов судят по результатам определенного комплекса исследований, который обычно охватывает следующие виды испытаний:
а) кратковременные испытания на растяжение и удар, включая и данные исследования стабильности свойств материала при дли тельном старении;
б) испытание на ползучесть и длительную прочность примени тельно к сроку службы материала; в ряде случаев, кроме того, оценивают чувствительность материала к надрезу путем сравни тельных испытаний на длительную прочность гладких образцов и образцов с кольцевым надрезом;
в) на жаростойкость в рабочей среде; г) на усталость в условиях циклических нагрузок, при кото
рых работает материал.
Однако из практики работы ряда материалов следует, что при нятый комплекс исследований недостаточно полно характеризует их работоспособность. Были случаи, когда стальные детали, удов летворяющие всем требованиям технических условий, подвержен ные действию статических нагрузок, разрушались.
Исследование аварийных деталей показало, что во многих слу чаях повреждения не сопровождались пластической деформацией, например, хрупкие разрушения труб пароперегревателей из стали. 1Х14Н14ВЗМи 1Х18Н9Т [28, 151, 176], разрушение паропроводов из аустенитных сплавов в околошовной зоне [121, 176, 177, 182],
литых деталей [27, 34], дисков и лопаток газовых турбин, шпилек болтовых соединений [29]. Следует отметить, что в основном раз рушения возникали на участках деталей с конструктивными кон центраторами напряжений.
Хрупкие разрушения металлов на протяжении последних тридцати лет подвергались тщательному исследованию. Н. Н. Давиденковым и его учениками создана стройная теория динамиче ской прочности материалов и установлены основные закономерно сти и изменения склонности металлов к проявлению хладнолом кости [1, 4].
Теория хрупких разрушений получила свое последующее раз витие в работах Я. Б. Фридмана [2], Л. А. Гликмана [3], Е. М. Шевандина [4], Ф. Ф. Витмана, Г В. Ужика [5], П. О. Пашкова [12],
Я.М. Потака [7] и др.
Основное внимание в указанных работах уделялось изучению
склонности материалов к хрупким разрушениям при низких или умеренных температурах, при которых склонность к хрупким разрушениям очень важна для общего машиностроения, строи тельной механики, судостроения, авиации, железнодорожного транспорта и т. п. В то же время хрупкие разрушения при высоких температурах изучены недостаточно. Как будет показано ниже, хрупкие разрушения как при высоких, так и при низких темпера турах имеют много общего: три основных фактора, определяющие склонность материала к хрупким разрушениям при проявлении хладноломкости — температура, скорость деформации и форма детали [1, 2, 41 — являются основными и для высоких температур.
Однако, несмотря на общие элементы в теории хрупких разру шений, имеются и специфические особенности поведения материа лов в,условиях работы при высоких температурах. Действительно при повышении температуры металла увеличивается подвижность атомов в его кристаллической решетке, значительное развитие получают диффузионные процессы, а следовательно, и связанные с ними процессы динамического и статического отдыха, полигонизации и миграции вакансий, коагуляции микродефектов. Интен сифицируются процессы релаксации напряжения, старения, появ ляется межзеренное разрушение. В условиях работы при высоких температурах фактор времени (или скорости деформации) стано вится доминирующим.
Изучение хрупких разрушений жаропрочных материалов в процессе их длительной работы при высоких температурах по казало, что необходимо разработать новые методы испытаний и расширить существующие критерии оценки работоспособности.
Анализ данных, полученных при испытании жаропрочных ста лей и сплавов на длительную прочность [35], показал, что во мно гих случаях при температурах выше 450° С деформация при раз рушении с увеличением времени снижается до уровня, измеряемого процентами, а иногда и долями процента. Значительное падение
б
пластичности во времени выдвинуло насущную необходимость учета для всего срока работы материалов не только характеристик их прочности, но и деформационной способности.
В этой книге приведены данные исследований деформационной способности жаропрочных сталей и сплавов главным образом при температурах и скоростях деформации, обусловливающих прояв ление у них склонности к хрупким разрушениям вследствие появ ления мсжзеренного разрушения.
На основании приведенных данных делается заключение о необ ходимости: учета деформационной способности жаропрочного ма териала как при его выборе, так и при назначении для него допу стимых напряжений, увязки расчетного предела длительной проч ности с изменением деформационной способности и оценки эффек тивности действия некоторых других факторов, снижающих пла стичность стали.
ГЛАВА I
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ПРЕДШЕСТВУЮЩАЯ РАЗРУШЕНИЮ, И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
ОСОБЕННОСТИ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРУШЕНИЯ
Работоспособность жаропрочных сталей уже более двадцати лет [6, 9, 11, 15, 21—23] оценивают по их длительной прочности. Длительная прочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение металла за заданный срок (100; 1000; 100 000 ч). Предел длительной проч ности является основным критерием оценки прочности сталей и сплавов, предназначенных для работы при высоких темпера турах.
При температурах выше 0,3 Тпл металл под действием растя гивающего напряжения претерпевает деформацию ползучести и по истечении определенного времени разрушается; время до раз рушения тем больше, чем ниже нагрузка.
При испытании на длительную прочность серию образцов исследуемого металла подвергают действию постоянных растяги вающих нагрузок вплоть до разрушения. На основании экспери ментальных данных строят зависимость между действующим на пряжением и временем до разрушения и определяют величину рас тягивающих напряжений, вызывающих разрушение за определен ный срок (предел длительной прочности).
В условиях низких и средних температур деформация поликристаллического металла происходит в основном в результате скольжения и локализуется внутри зерен, при этом разрушение имеет внутризеренный характер. При температурах более 0,4ГПЛ наблюдается разрушение по границам зерен.
Уже на основании результатов первых опытов по определению длительной прочности, осуществленных в 1936— 1938 гг. в СССР
Д. И. Грековым [24] и в США Кларком, Уайтом и Вильсоном [26], было выявлено, что на предел длительной прочности существенно эдияет характер разрушения; у низколегированных сталей с появ
лением межзеренного разрушения уменьшалось относительное удлинение при разрыве. В зависимости от свойств металла и усло вий его работы межзеренное разрушение может быть от мелких, едва выявляемых микроструктурным анализом дефектов на гра нице зерна до сетки трещин, разделяющей большинство зерен.
Особенности высокотемпературного разрушения металлов впер вые были отмечены в 1912 г. Розенгейном и Эвеном [30]; они считали, что характер разрушения является функцией темпера туры; причину перемены характера разрушения — перехода от внутризеренного к межзеренному разрушению — они видели в из менении с температурой соотношения прочности зерен и их границ, на которых они предполагали наличие аморфного слоя. Джефрис и Арчер [31 ] объясняли переход от одного вида разрушения к дру гому наличием «эквикогезивной» температуры, температуры «равнопрочности» кристаллов и их границ. Как показали опыты Розенгейна, эквикогезивная температура с уменьшением скорости де формации понижается. Несмотря на то, что понятие о температуре равнопрочности зерен и их границ основано на неверном представ лении о строении пограничного (аморфного) слоя, наглядную схему Джефриса применяют и в настоящее время для разграничения двух различных механизмов разрушения металла. Исследования, про веденные Кэ-Тин-Суй [32], С. С. Шураковым [37] и Розерхемом [33], показали, что в процессе деформации границы зерен в метал лических материалах больше следуют законам для вязкой среды, чем для кристаллических тел. Объяснение этого явления следует искать в значительном количестве нарушений порядка расположе ния атомов в решетке на границах, приближающих их по строению
к аморфным телам. |
|
|
|
|
Существовавшее |
мнение |
о влиянии процессов |
коррозии на |
|
характер разрушения [26], |
выдвинутое в начальной стадии изу |
|||
чения жаропрочных |
материалов, |
в дальнейшем, |
применительно |
|
к малоагрессивным |
средам — воздуху, пару, продуктам сгорания |
|||
топлива — было отвергнуто |
[38, |
41]. |
|
|
Высокотемпературное разрушение металлов освещено во мно |
||||
гих теоретических |
и экспериментальных исследованиях [8— 10, |
с. 593, 46]. Механизм межзеренного разрушения изучают в настоя щее время в следующих трех направлениях:
1.Оценивают влияние структуры пограничных зон на межзеренные связи [13, 10, С. 593]. Особое внимание уделяется сегре гации примесей на границах зерен (в частности кислорода), нали чию дисперсных частиц вторых фаз.
2.Изучают механизм возникновения несплошностей при меж-
зеренном проскальзывании в процессе деформации [39, 40, 43
идр.]
3.Исследуют кинетику развития субмикроскопических не
сплошностей в межзеренные трещины и влияние на этот процесс деформации и диффузии [44, 47, с. 2, 61 и др.].
В условиях высоких температур деформация поликристаллического металла в значительной части осуществляется вследствие проскальзывания по границам зерен [8, 10, 45]. При повышении температуры и снижении скорости ползучести деформации по этому механизму у конструкционных жаропрочных металлов достигают 10—30% от общей деформации [49, 52]. В процессе межзеренного сдвига на некоторых участках приграничных зон возникает высо кая концентрация напряжений, обусловливающих образование несплошностей. Такими участками являются стыки трех смежных зерен [39] и уступы ступеньки, имеющие место на границах [40, 42, 43, 59]. Эти ступеньки возникают в процессе деформации при пересечении полос скольжения зерна границы. Препятствием для межзеренного скольжения и причиной местной концентрации на пряжений могут явиться, кроме того, дисперсные частицы вторых фаз в приграничных участках [57] и субзерна [58].
Гринвуд [61] предполагал, что вакансии, перемещающиеся в зоны высоких напряжений, конденсируясь на границах зерен, расположенных нормально к действующему усилию, образуют поры; проведенные позднее расчеты не подтвердили этого. Однако следует учитывать, что значительное количество субмикроскопи ческих пор уже имеется на границах зерен металла. Кроме того, поры и мелкие трещины возникают в процессе деформации ползу чести благодаря скольжению по границам зерен [40, 43]. Поры, образующиеся в результате конденсации вакансий, могут получить дальнейшее развитие. Рост пор и превращение цепочки их в межзеренную трещину в процессе ползучести подтверждено экспери ментально [19]. Развитие субмикроскопических пор в трещины и дальнейший рост трещин могут явиться результатом продол жающегося во времени межзеренного скольжения. Из эксперимен тальных данных известно, что скорость роста трещин прямо пропорциональна скорости процесса межзеренного проскальзы вания [36, 46].
Рассматривая разрушение поликристаллических металлов при высоких температурах как результат возникновения и развития в пограничном слое повреждений, следует отметить влияние на этот процесс диффузии. Интенсивность межзеренного проскальзыва ния, определяющего зарождение несплошностей, в условиях пол зучести определяется степенью развития диффузии. Как известно, величины энергии активации проскальзывания по границам пол зучести и самодиффузии дают близкие значения [55]. Конденсация вакансий у несплошностей и трещин также осуществляется путем диффузии. Возникновение избыточных вакансий возможно из-за различной диффузионной подвижности компонентов сплава [48].
С. 3. Бокштейн [47, с. 2] показал, что на поверхности раздела фаз, вследствие наличия зон с повышенной активностью также существуют благоприятные условия для развития пор. Значи тельное влияние на процесс диффузии в этом случае оказывает