Жароміцність та жароміцні металеві матеріали

Визначення і загальна характеристика

ЖАРОМІ́ЦНІСТЬ ТА ЖАРОМІЦНІ́ МЕТАЛЕ́ВІ МАТЕРІА́ЛИ Твердим тілам властиве зміцнювання під час процесу пластич. деформації. Існує твердження, що при постій. т-рі прикладеному напруженню відповідає певна величина пластич. деформації, яка незмінна з часом. Насправді це закономірно лише при малих відрізках часу. Триваліше витримування при постій. т-рі та напруженні призводить до зростання пластич. деформації. Такий процес пластич. деформації названо повзучістю. Доведено, що руйнування конструкції відбувається навіть при підтриманні тривалий час напруження значно меншого, ніж звичайна межа міцності. Особливо цей ефект помітний при підвищених т-рах. Хоча явище повзучості властиве всім твердим матеріалам, однак найбільший інтерес становить вивчення його закономірностей саме у металів і сплавів у зв’язку з широким використанням їх в механізмах і конструкціях, які працють при підвищених т-рах. Оскільки повзучість є небажаною для безпеч. роботи метал. конструкцій, для працездатності металів і сплавів при підвищених т-рах введено поняття «жароміцність» (Ж.) — здатність конструкц. матеріалів витримувати напруження при підвищених т-рах без руйнування. Напр., σ⁷⁰⁰₁₀₀ = 400 МПа означає, що матеріал під дією навантаження 400 МПа не зруйнується протягом 100 год. експлуатації при т-рі 700 °С. Зазначену характеристику часто називають границею тривалої міцності. Для деяких конструкцій, зокрема лопаток газових турбін, досить важливо, щоб протягом експлуатації не відбулася значна пластична деформація. Для опису цього ефекту введено поняття умов. тех. границі повзучості. σ_о,2/100 = 300 МПа показує, що видовження матеріалу під дією навантаження 300 МПа за 100 год. експлуатації не перевищить 0,2 %. За законами фізики, границі повзучості не існує, оскільки повзучість можлива при досить малих s протягом тривалого часу. Всі конструкційні жароміцні метал. матеріали (ЖММ) повинні мати малу швидкість повзучості. Під час прикладання навантаження до метал. матеріалу (при постій. напруженні та т-рі) відбувається миттєва деформація, як і при звичай. розтягненні. Згодом деформація буде розвиватися за законам повзучості. На першій стадії кривої повзучості приріст деформації в часі, або швидкість повзучості, зменшується, на другій стадії швидкість повзучості залишається постійною, на третій — зростає. Швидкість повзучості на усталеній стадії ε і час до руйнування D, або довгочасність, — важливі характеристики повзучості. Загалом, чим менша , тим більший час до руйнування. Виняток складають складнолеговані сплави. У деяких пром. конструкціях правилами експлуатації закладено обмеження в швидкості повзучості. Напр., для канал. труб реакторів РБМК швидкість усталеної повзучості за час експлуатації не повинна перевищувати 10^-10с^-1, що забезпечує безаварій. 30-річ. термін служби. Швидкість повзучості матеріалів обумовлена т-рою, напруженням (або навантаженням) і структурою. Залежність швидкості повзучості від температури може бути сформульована рівнянням Больцмана , де Q_n — енергія активації повзучості, k — стала Больцмана, Т — т-ра. Для опису існує декілька рівнянь. Матеріалознавці здійснюють пошуки єдиного рівняння, яким можна було б описувати залежність від σ у широкому інтервалі напружень. Одне з них — рівняння гіперболіч. синуса . При серед. і високих напруженнях залежність від σ описують рівнянням ехр(ασ/ kT). Ці рівняння доречні в тому випадку, якщо в напівлогарифміч. координатах залежність ε від σ виражена прямою лінією. Експериментально цього не завжди вдається досягти. Як правило, експериментал. дані отримують в обмеженому інтервалі напруження, для якого залежність від σ зручно характеризувати у вигляді степеневої залежності . Показник ступеня n відображає чутливість швидкості повзучості до напруження. Степенева залежність розкриває також дію різних механізмів, які контролюють швидкість повзучості, та дозволяє визначити ділянки т-р і напруження, в яких матеріал буде мати високі жароміцні властивості. Експериментал. залежність від σ і Т відображають формулою де А — коефіцієнт, який враховує в неяв. вигляді вплив структури на величину . Рівняння повзучості можна окреслити й теоретично. Певне поєднання значень енергії активації повзучості Qn і показника ступеня n у рівнянні повзучості відповідає певному механізму знеміцнювання (повернення), яке контролює швидкість повзучості. Повзучість на ділянці т-р, де Qn < Qс, називають низькотемператур. повзучістю. Показник ступеня n у чистих металів там становить 7–9, а у складнолегованих сплавів може досягати 30–40. Припускають, що механізмом, який контролює e›, на ділянці т-р є обхід перешкод шляхом попереч. ковзання гвинт. дислокацій. Ділянку т-р, де Qn ≥ Qс, вважають ділянкою високотемператур. повзучості. На ній показник ступеня n змінюється від 3 до 5, а механізмом, який контролює величину , є переповзання крайових дислокацій (механізм Віртмана). У більшості металів і сплавів температура, при якій починається високотемпературна повзучість (Qn = Qс), приблизно дорівнює 0,5Тпл. Ця температура є температур. порогом, вище якого матеріал втрачає Ж. Однак вона може коливатися залежно від дифуз. рухливості атомів у кристаліч. решітці матеріалу. Тому ділянку робочих т-р жароміц. сплавів визначають за рівнем дифуз. рухливості атомів або коефіцієнтом дифузії. У ЖММ при робочих т-рах коефіцієнт дифузії не перевищує 10^-13 см²/с. Якщо Qn = Qс, а n = 1, відбувається дифуз. повзучість, обумовлена направленим переміщенням вакансій під дією прикладеного напруження. Вона починається приблизно з 0,7 Тпл. Для точнішої класифікації необхідно враховувати структурні зміни, оскільки дифуз. повзучість з параметрами Qn = Qс, n = 1 може відбуватися за механізмами Набарро–Геррінґа (дифузія об’ємом зерна), Кобла (дифузія вздовж границь зерен) і Гарпера–Дорна (переповзання крайових дислокацій в умовах низьких напружень). Існує значна кількість фіз. теорій повзучості у певних температурно-силових умовах. Найбільше визнання отримала теорія повзучості з поверненням. Згідно з нею для пояснення стадійності кривої повзучості потрібно допустити, що поряд з процесами деформац. зміцнення повинні одночасно відбуватися процеси знеміцнення (повернення). На усталеній стадії повзучості настає рівновага між процесами деформац. зміцнення та знеміцнення (, де r — швидкість повернення, h — швидкість деформац. зміцнення, або ; через густину дислокації — = (dρ/dt)/(dr/dε), де ρ — густина дислокації). Взаємозв’язок між величиною і дислокац. структурою використовують для субструктур. зміцнення матеріалів. Для цього методом поперед. деформування та наступ. відпалу при високих т-рах створюють дислокац. структуру з певним розміром субзерен і кутів дезорієнтації між ними, яка надає підвищений опір повзучості при низьких т-рах. Залежність від мікроструктури S є дуже склад. функцією, оскільки сама мікроструктура залежить від багатьох параметрів. Загалом , де δ0 — первин. розмір субзерна, ρ0 — початк. густина дислокації,  — серед. кут дезорієнтації між субзернами, F(w) — функція розподілу кутів дезорієнтації. Створення полігонал. або комірк. структури підвищує опір повзучості при низьких т-рах, проте мало зсовує температурну ділянку Ж. матеріалів у напрямі вищих т-р. Значно впливає на зміщення температур. ділянки Ж. матеріалів енергія дефектів пакування. Оскільки розщепленим дислокаціям властиве переповзання без поперед. локал. рекомбінації часткових дислокацій, кількість вакансій, необхідна для проходження процесу переповзання, повинна бути пропорційна ширині розщеплення. Тому для металів з низькою енергією дефектів пакування для того, щоб термічно рівновагова концентрація вакансій змогла забезпечити експериментально вимірну швидкість переповзання, необхідна вища т-ра. Зменшення енергії дефектів пакування зміщує температуру, при якій починається високотемпературна повзучість. Ефект впливу енергії дефектів пакування використовують під час створення нових жароміц. конструкц. сплавів. Оскільки величина e› здебільшого залежить від швидкості повернення, підвищення опору повзучості матеріалів і, відповідно, покращення Ж. забезпечують методами зниження дифуз. рухливості атомів і посилення міжатом. зв’язків. Найбільшу Ж. мають матеріали з ковалент. типом зв’язку, а при метал. типові зв’язку — матеріали з щільним пакуванням атомів. Підвищенню Ж. також сприяє висока температура плавлення, висока валентність металу, великий модуль пружності. Найбільша робоча температура — у тугоплав. металів Мо, W, Nb, Та. Проте, як і всі чисті метали, вони не мають достат. рівня довготривалої міцності при високих т-рах, і для підвищення міцності їх необхідно легувати. Серед осн. принципів підвищення Ж. сплавів — твердорозчинне зміцнювання та створення оптимал. двофаз. структури. Сучасні сплави на основі тугоплав. металів можуть працювати при т-рі до 2000 °С. Однак застосування їх у реал. пром. установках обмежене швидким окиснюванням на повітрі та підвищеною схильністю до крихкого руйнування при кімнат. т-рі. У сучас. високотемператур. пром. установках переважно використовують сплави на основі заліза та нікелю. Складнолеговані перлітні, мартенситні й аустенітні сталі зміцнюють в основному утворенням у них карбід. та інтерметалід. фаз. Макс. температура застосування таких жароміц. сплавів заліза обмежена швидкістю дифузії компонентів, які входять в зміцнювал. фазу. Ж. існуючих жароміц. сплавів істотно підвищують введенням плавил.-металург. методами дисперс. частин (нітридів, карбідів, боридів, оксидів ін. металів). У перших жароміц. нікелевих сплавах типу Німонік зміцнення створювали внаслідок когерентної з матрицею інтерметалід. фази Ni₃(Ti, AI). Подальше підвищення гранич. температури Ж. досягнуто шляхом оптимізації розмірів когерент. частинок, збільшення їх вмісту в сплаві, а також легуванням такими хім. елементами, як W, Мо, В. Унаслідок створення литих сплавів з направленою кристалізацією (марки DS Маr М002, DS Mar М200, IN 100) робочу температуру сплавів підвищено до 950 °С. Оскільки в полікристаліч. матеріалах при високих т-рах розвивається прискорена деформація шляхом проковзуванням по межі зерен, створення монокристаліч. сплавів (марки SRR 99) призвело до усунення цього явища та підвищення температури Ж. до 1000–1100 °С. Застосування сплавів, зміцнених дисперс. виділеннями типу оксиду Y₂О₃ (ODS-сплави), обумовило подальше підвищення температури Ж.

Завантажити статтю