Основы жаропрочности металлических материалов

Розенберг В.М.

Москва, 1973 г.

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Ранее были рассмотрены кинетика процессов ползучести, разрушения и релаксации напряжении, а также влияние на них температуры и напряжений. При этом не останавливались на различии этих свойств для разных металлов, не учитывали влияния па них легирования, структуры, микроструктуры и других факторов.

С точки зрения возможных механизмов деформации, разупрочнения и разрушения понятие высокая температура является условным. Оно связано с температурой плавления. Так, например, температура 600° С для алюминия, имеющего температуру плавления 660° С весьма высокая, а для молибдена, температура плавления которого равна 2610° С, — низкая. При изучении явлений ползучести или разрушения иногда целесообразен выбор относительно легкоплавких материалов. Важно, чтобы испытания были проведены при относительных высоких температурах. Классическим примером может быть работа Майкельджона и Шкода [149], изучающих влияние дисперсных частиц железа на свойства ртути. Хотя исследование проводили при —196° С, это были испытания жаропрочности.

Однако для техники важен абсолютный температурный уровень, при котором возможно использовать материал для той или иной конструкции. Поэтому при создании жаропрочных сплавов имеется тенденция использовать в качестве их основы металлы с высокой температурой плавления.

Из изложенного в предыдущих главах следует, что, за исключением температур, близких к предплавильным, ползучесть и разрушение обусловлены зарождением и движением дислокаций. Не удивительно, что упрочненное состояние жаропрочных материалов обычно достигают созданием структуры, препятствующей образованию и движению дислокаций. Под структурой в данном  случае следует понимать величину зерен, размеры и распределение частиц упрочняющей фазы, размер субзерен, разориеитировку между ними, а также плотность дислокаций в объеме субзереп.

Основные особенности структуры жаропрочных сплавов, обеспечивающей их высокую прочность, и сплавов, которые используют в условиях обычных температур и скоростей деформации, существенно не различаются. Поэтому жаропрочные сплавы чаще всего выбирают среди сплавов с ограниченной и зависящей от температуры растворимостью, а необходимую для высокой прочности структуру получают с помощью термической обработки, приводящей к дисперсионному твердению.

Упрочняющая обработка жаропрочных сталей также связана с дисперсионным твердением или в случае ферритных сталей — с закалкой и отпуском. Во всех случаях упрочнение обусловлено главным образом образованием равномерно распределенных, весьма дисперсных частиц (интерметаллидов или карбидов) и микроискажениями кристаллической решетки основы сплава, вызванными взаимодействием этих частиц с основой.

Упрочненное состояние, как правило, является термодинамически неустойчивым, метастабильным. В случае продолжительного пребывания упрочненного сплава при высоких температурах структура, обеспечивающая высокую прочность, исчезает. Поэтому для жаропрочных сплавов необходимо сохранение упрочненного состояния длительное время при высоких температурах. Именно в этом специфическая особенность жаропрочных сплавов, отличающая их от других конструкционных высокопрочных сплавов. Для них важно не только создать, но и сохранить высокопрочное состояние.

Разупрочнение сплавов при высокой температуре связано с огрублением структуры, характерной для упрочненного состояния,— с укрупнением частиц упрочняющей фазы, приводящим к увеличению расстояния между ними и к исчезновению микроискаженнй кристаллической решетки матрицы. Скорость процессов разупрочнения в конечном итоге определяется диффузионной подвижностью атомов в сплаве, которая в свою очередь зависит от величины межатомного взаимодействия в кристаллических решетках фаз, составляющих сплав. Силы межатомных связей в жаропрочных сплавах должны быть достаточными для сохранения состояния, обеспечивающего высокое сопротивление пластической деформации при повышенной температуре. Величина межатомного взаимодействия определяет выбор основы сплава и верхний температурный предел, до которого этот сплав можно использовать как жаропрочный.

Таким образом, основными физическими факторами, определяющими жаропрочность, являются прочность межатомных связей в кристаллических решетках фаз, составляющих сплав, и структура. Эти два фактора взаимосвязаны. Соответствующая структура затрудняет образование и движение дислокаций, повышая этим количество связей между атомами, одновременно участвующих в сопротивлении внешним силам. С другой стороны высокое значение величин межатомных связей позволяет продолжительно сохранить необходимую структуру при высоких температурах.

Формулировка этого положения принадлежит Г. В. Курдюмову, который первый отметил роль межатомного взаимодействия в процессах разупрочнения и экспериментально изучил это взаимодействие.

Следует помнить, что жаропрочность сплавов существенно зависит от технологических факторов и условий эксплуатации.

Далее будут рассмотрены только основные физические факторы и их влияние па некоторые характеристики ползучести и длительного разрушения.