Ползучести разрушение

Рис. 15. Характеристика ползучести различных

Проведенные подсчеты [15] показали хорошее совпадение вычисленных величин с экспериментальными значениями энергии активации процессов пластического течения монокристаллов и ползучести различных металлов (в частности, железа), что прямо указывает на связь несовершенств кристаллического строения типа дислокаций с очагами локального плавления.

Проведенные подсчеты [1?] показали хорошее совпадение вычисленных величин с экспериментальными значениями энергии активации процессов пластического течения монокристаллов и ползучести различных металлов (в частности, железа), что прямо указывает на связь несовершенств кристаллического строения типа дислокаций с очагами локального плавления.

Одним из первых исследователей, заметивших влияние поверхности на механические свойства, был Роскоу. Еще в 1934 г. он обнаружил, что критическое значение проекции касательного напряжения на направление скольжения для монокристалла кадмия уменьшается в 2 раза при удалении оксидной пленки с поверхности кристалла. В дальнейшем были проведены многочисленные исследования, в которых изучалось влияние оксидных пленок, керамических и металлических покрытий на напряжение сдвига [118—121], напряжение двойникования [122, 123], форму диаграммы напряжений [119, 121], микроскопические характеристики деформации [121, 122], хрупкое разрушение [124], внутреннее трение [125] и эффекты аномального восстановления деформации [126]. Очень небольшое число работ было посвящено изучению роли поверхности в процессах усталости и ползучести различных моно- и поликристаллов [127, 128].

По данным работы [165], деформация установившейся радиационной ползучести при 550° С и сжимающих нагрузках до 210 кгс/см2 изменяется линейно с флюенсом вплоть до ~ 1022 нейтр./см2. Скорость установившейся ползучести анизотропна. Она выше в направлении перпендикулярном к плоскости (000 • Обобщение данных по скорости установившейся радиационной ползучести различных графитовых материалов, в том числе высокоанизотропных (табл. 3.17), показало, что при учете анизотропии свойств и приложенной нагрузки «приведен-

Рис. 35. Кривые ползучести различных сталей:

В работе [172] для получения достаточно устойчивой полигональной структуры и увеличения сопротивления ползучести различных металлов была предложена низкотемпературная механико-термическая обработка (НМТО). Сначала производилась небольшая деформация при 77—4,2° К, а затем отжиг при 20— 200° С. В результате возникала весьма диспергированная, однородная и достаточно устойчивая полигональная структура, что приводило к замедлению ползучести и увеличению длительной прочности.

Для сопоставления сопротивления ползучести различных материалов введена условная характеристика - предел ползучести.

И в том и другом случаях поведения отдельных структурных элементов модели в целом дает единую зависимость для неустановившейся и установившейся стадий ползучести пр" а, T=CODSt. В начале процесса скорость ползучести различных структурных элементов различна. Это вызывает перераспределение а , до тех пор,

Таблица 143 Сопротивление ползучести различных жаростойких сталей

И в том и другом случаях поведения отдельных структурных элементов модель в целом описывает единую зависимость для неустановившейся и установившейся стадий ползучести при сг, Т '— ~ const. В начале процесса скорость ползучести различных струк-

тывает диапазон напряжений от ств до ак (ломаная линия АБВ). В области малоцикловой усталости можно выделить два характерных участка. На участке I, который иногда называют участком циклической ползучести, разрушение пластичных металлических материалов носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. Для этого участка характерно непрерывно возрастающее с числом циклов нагружения накопление пластической деформации. При этом петля механического гистерезиса вплоть до разрушения образцов всегда остается открытой. На участке II на поверхности разрушения уже отчетливо можно выделить зону усталостного излома. На этом участке циклического деформирования петля механического гистерезиса становится замкнутой. Напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой усталости обозначено как an. Переход от циклической ползучести к собственно малоцикловой усталости сопровождается изменением механизма макропластического деформирования материала.

Развитие разрушения в условиях агрессивного воздействия окружающей среды приводит к подавлению процессов пластической деформации и при достижении определенной интенсивности дест-руктирующей среды вызывает реакцию материала, совершенно меняющую способность материала реализовывать механизмы разрушения по отношению к умеренным условиям воздействия. При возрастании температуры материал разупрочняется и теряет свою межзеренную прочность, что приводит к межзеренной ползучести — разрушение от внутризеренного становится межзеренным.

Все три вида разрушений встречаются в практике эксплуатации энергетических установок, и по морфологическим особенностям разрушения можно судить об условиях их работы. Так, вязкое разрушение часто имеет место при повышении температуры при работе труб поверхностей нагрева в условиях ползучести. Разрушение путем образования клиновидных трещин вызвано повышенным уровнем неучтенных расчетом напряжений в условиях стесненной деформации в зонах концентрации напряжений, а также может быть связано с охрупченным состоянием металла. Разрушение порообразованием обычно происходит в результате длительной эксплуатации.

Вязкое разрушение при ползучести по структурным признакам аналогично вязкому разрушению пластичных материалов при непрерывно возрастающих нагрузках (кратковременные испытания). Так же как и при непрерывно возрастающей нагрузке, вязкому разрушению при ползучести всегда предшествует большая макроскопическая пластическая деформация с образованием шейки на образце или выпучивания на трубе.

Вязкое разрушение при ползучести происходит при высоких уровнях нагрузок. Снижение нагрузок приводит к развитию меж-зеренного разрушения. В зависимости от уровня температур и напряжений разрушение происходит преимущественно по одному из двух типов —образование клиновидных трещин или образование пор.

Разрушения в условиях эксплуатации, соответствующих области в карты механизмов ползучести наблюдаются при перегревах металла труб пароперегревателей. Как видно из картограммы (рис. 1.2), при нагреве до температур, превышающих 620 °С, в металле развиваются процессы рекристаллизации. Это приводит к возрастанию деформационной способности металла, полной трансформации структуры стали в феррито-карбид-ную структуру, интенсификации процессов перехода легирующих элементов в карбидные фазы. Долговечность труб в условиях такого перегрева не превышает 10—15 тыс. ч. Для труб, разрушившихся в условиях ползучести, характерно наличие значительного слоя окалины и присутствие на наружной поверхности труб продольных трешин, сопутствующих основному разрыву. В случае перегрева до указанных температур разрушение происходит с относительно большим увеличением периметра трубы, заметным утонением стенки за счет повышенной деформационной способности в этих условиях. Характерно широкое раскрытие трубы в месте сквозной трещины. Микромеханизм разрушения соответствует порообразованию. Структура металла разрушенной трубы становится ферритной с крупными карбидными частицами по границам зерен. Вблизи разрушения имеет место некоторый рост зерна. Присутствие всех перечисленных признаков 'свидетельствует о том, что разрушение исследуемой трубы произошло в результате длительного перегрева.

При отсутствии перегрева в расчетных температурных условиях пароперегревательные трубы работают также в области ползучести и при длительной эксплуатации (свыше 105 ч) происходит их разрушение в результате отработки ресурса. Темпе-ратурно-силовые условия эксплуатации пароперегревателей соответствуют условиям области б карты механизмов ползучести. Разрушение развивается по механизму порообразования. Однако

Опыт эксплуатации различных конструкций показывает, что их долговечность при циклическом упругопластическом деформировании в условиях мягкого знакопостоянного, а в некоторых случаях и знакопеременного нагружеяия определяется процессол! циклической ползучести. Разрушение в таких условиях деформирования имеет квазистатический или усталостный характер, наступает после небольшого, характерного для области малоцикловой усталости числа циклов,и сопровождается исчерпанием пластичности или образовала

Максимальное повышение долговечности в условиях ползучести происходит лишь при числе предварительных циклов, составляющем примерно 10% числа циклов до разрушения. С дальнейшим увеличением числа предварительных циклических деформаций время до разрушения приближается к исходному, при этом происходит значительное непрерывное уменьшение длительной пластичности. Вследствие активизации процесса меж-зеренной ползучести разрушение носит интеркристаллитный характер.

В режимах с кратковременной термической усталостью и незначительной долей зернограничной ползучести разрушение происходит путем распространения транскристаллитной трещины с поверхности образца. Следовательно, в объеме металла не образуются множественные очаги разрушения, приводящие к заметному снижению относительной плотности вплоть до стадии разрушения. Подтверждают это результаты микроисследований, а также отсутствие разности как по изменению плотности, так и по числу циклов до разрушения мелкозернистой и крупнозернистой стали с различной поверхностью границ зерен.

Влияние вакансий на свойства при высоких температурах прежде всего связано с той ролью, какую они играют в диффузионных процессах (см. гл. III). Отметим здесь, что вакансии могут облегчать преодоление препятствий при движении дислокаций в плоскости скольжения. При этом уменьшается сопротивление ползучести. Этот эффект проявляется при достаточно большой плотности вакансий. Вакансии играют значительную роль в разрушении металла в процессе ползучести. Разрушение при высокой температуре металлов, пластичных при комнатной температуре, часто происходит при небольшой пластической деформации. При этом в процессе деформации возникают и постепенно развиваются мельчайшие трещинки и полости. Высказывалось предположение, что такие поры образуются вследствие коагуляции вакансий, избыточную концентрацию которых вызывает пластическая деформация (подробнее см. гл. IX).

Трещины ползучести. Разрушение деталей после пластического течения их материала под воздействием постоянного напряжения при относительно высоких температурах называется разрушением от ползучести. Для ползучести характерным является множественное тре ценообразование.