Ползучесть металлов

Розенберг В.М.

Металлургия, 1967 г.

ИЗМЕНЕНИЯ СУБСТРУКТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ПОЛЗУЧЕСТИ

Рассмотрение изменения субструктуры в процессе ползучести представляет большой интерес.

В результате приложения нагрузки к испытываемому материалу происходит мгновенная пластическая деформация. На рентгенограммах образцов, испытания которых прерывают через незначительное время после нагружения, интерференционные пятна размыты. Величина размытия такая же, как у образцов, которые растягивали бы при такой же температуре с обычными скоростями. Размытие пятен связано с высокой плотностью дислокаций и их хаотическим распределением, т. е. с отсутствием четко развитой субструктуры.

В процессе протекания первой стадии ползучести происходит образование субзерен и увеличение разориентировки между ними. Согласно представлениям Вуда, первая стадия ползучести завершается достижением равновесной субструктуры. На рентгенограммах, снятых к концу этой стадии, на месте бывших, несколько размытых и растянутых пятен видны отдельные четкие пятна, соответствующие образовавшимся субзернам. Вуд и др. не заметили изменения размеров субзерен в течение второй стадии ползучести. Г. Я. Козырьский, В. А. Кононенко и П. Н. Окраинец, которые изучали ползучесть никеля [236], указывают, что и на второй стадии наблюдается дальнейшее измельчение фрагментов и рост разориентировки между самими фрагментами, а также между блоками внутри фрагментов. Эти авторы отмечают, что темп указанных изменений на второй стадии значительно ниже, чем на первой стадии ползучести. Очень интересные сведения об изменении субструктуры в процессе ползучести железа при 600° С (примерно 0,5 jT_nn,⁰K) получены Гарофало и др. [235]. Их данные приведены в табл. 23.

По кривым ползучести, приведенным в работе, видно, что вторая стадия ползучести начинается после 25—30 н. Данные таблицы показывают, что размер субзерен на второй стадии практически остается неизменным, а их угловые характеристики заметно изменяются: растет угол разориентировки между субзернами , а их изгиб заметно уменьшается. Увеличение угла разориентировки между соседними субзернами сопровождается уменьшением плотности дислокаций внутри самих субзерен. Это означает, что в процессе ползучести дислокации из объема субзерен перемещаются в границы субзерен. Процесс перемещения дислокаций приводит к деформации, а застревание в границах субзерен к повышению разориентировки между зернами. Сравнение изменения плотности дислокаций (рг) в границах субзерен и в объеме субзерен (pi) в процессе ползучести показывает, что р2 субграниц меняется в большей степени, чем pi субзерен. Это означает, что процесс ползучести поддерживается не только дислокациями, образовавшимися на начальном этапе ползучести после приложения нагрузки, но и вновь образующимися дислокациями. Другими словами, можно считать, что в процессе ползучести и, в частности, на установившейся ее стадии должны действовать источники новых дислокаций. С другой стороны, по данным, полученным в работе [245], лишь половина движущихся дислокаций, которые обеспечивают деформацию при ползучести, входит в границы субзерен. По-видимому, остальная половина может исчезать ввиду взаимной аннигиляции.

Из данных, приведенных в табл. 23, следует далее, что на установившейся стадии ползучести, т. е. на стадии, когда макроупрочнение не происходит, разориентировка между субзернами продолжает расти. Это обстоятельство позволяет предполагать, что при повышенных температурах величина разориентировки между субзернами (т. е. плотность дислокаций в границах субзерен) не влияет на сопротивление деформированию, показателем чего является постоянство скорости течения. С другой стороны, имеется качественная связь между величиной субзерен и скоростью ползучести: на первой стадии измельчение субзерен сопровождается понижением скорости ползучести, а когда размер субзерен становится постоянным, перестает меняться и ско рость ползучести.

Вывод о том, что скорость ползучести на установившейся стадии определяется главным образом размерами субзерен, а не разориентировкой между ними, противоречит хорошо известным фактам влияния величины субзерен и разориентировки между ними на механические свойства [246], которые определяются при кратковременных испытаниях.

При кратковременных испытаниях деформация происходит благодаря непрерывному росту внешнеприложенных напряжений. Поэтому отдельные дислокации, по-видимому, могут просачиваться через границы субзерен или скопления из дислокаций у границ субзерен могут вызывать активизацию источников по другую сторону от границы. Чем больше разориентировка между субзернами (чем больше плотность дислокаций в границах субзерен), тем более высокие напряжения необходимы для протекания указанных процессов. В случае же ползучести уровень внешних напряжений сохраняется практически постоянным и недостаточным для того, чтобы дислокации прошли через гра ницу субзерен. Поэтому хотя увеличение плотности дислокаций в границах субзерен (т. е. увеличение разориентировки между субзернами) понижает проницаемость границ, но это не меняет положения, так как и до увеличения разориентировки они были практически непроходимыми для дислокаций. Скоплений же дислокаций, которые могли бы быть источником концентрации внутренних напряжений и которые благодаря этому могли бы понизить проницаемость границ, из-за высокой подвижности вакансий, приводящей к переползанию, при высокотемпературной ползучести не наблюдается. Независимость скорости ползучести от разориентировки между субзернами может быть также связана с тем, что поля напряжений границ субзерен являются близкодействующими [247]. Поэтому границы субзерен могут являться только ловушками дислокаций.

ВЛИЯНИЕ СУБСТРУКТУРЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ

Еще в 1914 г. Андраде [252] отметил, что незначительная пластическая деформация свинца, предшествующая испытаниям ползучести, приводит к изменению или полному исчезновению неустановившейся ползучести. Данные о влиянии степени пластической деформации при комнатной температуре на последующее сопротивление ползучести при температурах от 550 до 750° С были получены Чокке и Нигусом на хромоникелевой стали типа 18-8 {253]. Они установили, что для каждой температуры испытаний существует некоторая оптимальная степень предварительной деформации. Подобные данные получены М. В. Приданцевым и К. А. Ланской [254] для хромомолибденованадиевой стали. Ими показано, что растяжение на 10% при комнатной температуре приводит к резкому снижению величины деформации и скорости ползучести при 500° С.

Обширное исследование влияния холодной прокатки на ползучесть и время до разрушения технически чистого алюминия было проведено Шерби и Дорном {255]. В интервале 30—200° С и напряжениях, вызывающих ползучесть со скоростью от 10“² до 10^-7 ч~¹ и приводящих к разрушению за 0,1—10⁴ ч, предварительно деформированные образцы имели преимущество перед отожженными при более низких температурах испытания и более высоких напряжениях.

В названных работах положительное влияние предварительной деформации на последующую ползучесть обнаружено при испытаниях, которые были проведены при температурах, не превышающих температуры рекристаллизации испытываемых материалов. Поэтому приведенные примеры иллюстрируют лишь обычное, хорошо известное влияние наклепа на механические свойства, т. е. влияние структурных изменений, которые связаны с собственно пластической деформацией.

Однако в ряде работ показано, что предварительные пластическая деформация и отжиг приводят к значительному повышению сопротивления последующей ползучести при температурах испытаний, превышающих температуру рекристаллизации. Мак Лин и Тайте {177] установили, что после холодной или горячей прокатки до обжатий 30—50% и отжига в интервале 250—400° С скорость ползучести при 200° С понижается в 60—180 раз по сравнению с образцами, которые не подвергали предварительной пластической деформаций. В 1954—-1955 гг. опубликована серия работ Паркера [246] и его сотрудников [256], которые изучали на никеле и твердых растворах на его основе изменение формы кривых ползучести после незначительной (докритической ) степени деформации и последующего отжига. В этих работах было показано, что повышение степени деформации, предшествующей испытаниям, приводит к понижению скорости ползучести и изменению формы участка кривой, соответствующего стадии неустановившейся ползучести. На рис. 66 приведены кривые ползучести, иллюстрирующие сказанное. Кривые ползучести отожженного и деформированного на 1,83% Образцов имеют обычный вид: стадии установившейся ползучести предшествует стадия, на которой скорость ползучести затухает. Ползучесть образца, деформированного на 2,5%, с самого начала протекает с постоянной скоростью. Повышение степени предварительной деформации до 3,4% приводит к дальнейшему изменению кривизны кривой ползучести; кривая становится вогнутой относительно оси времени. Наблюдаемые изменения скорости ползучести и изменения вида кривых ползучести никеля в зависимости от степени предварительной деформации хорошо согласуются с данными, полученными в работе Хазлета и Хансена (256].