13.4. Дефекты материала в изломе

13.4.1. Флокены в изломе

Флокеном называют дефект стали, обнаруживаемый в изломе в виде серебристого пятна круглой или овальной формы с отчетливо выраженным кристаллическим строением. Границы флокена бывают резко очерчены.

Флокены представляют собой очень тонкие трещины, площадь распространения которых по форме приближается к кругу, причем эти трещины, обычно лежат в одной плоскости. Флокены располагаются, как параллельно волокну стали, так и перпендикулярно или под углом к направлению волокна. В последних случаях форма флокенов приближается к эллиптической и даже проявляется на поверхности излома.

Причины возникновения флокенов в стали еще окончательно не установлены. По-видимому, наряду с внутренними напряжениями, возникающими вследствие неодновременности фазовых превращений, одной из основных причин является наличие водорода в стали.

13.4.2. Белые пятна

В изломах стали иногда обнаруживаются пятна, более светлые по окраске, чем остальной излом. Такой дефект принято называть белыми пятнами. Более четко, чем на изломе, этот дефект выявляется на макротемплетах при травлении.

Белые пятна представляют собой зоны малоуглеродистого с преимущественно ферритной структурой металла, что подтверждается результатами химического анализа. Твердость дефектного и «здорового» металла также различна.

Белые пятна приводят к снижению механических характеристик, в частности прочности, при однократных и повторных нагружениях.

13.4.3. Усадочная рыхлость

В продольном изломе усадочная рыхлость выявляется по сои штанги в виде неплотных участков с отдельными полосками некристаллического строения. Иногда при закалке контрольной шайбы в эти участки проникают окисляющие агенты, а в изломе встречаются неметаллические включения, видимые невооруженным глазом.

Наличие усадочной рыхлости в изломе служит основанием для забраковывания подприбыльной штанги. Остальной металл данного слитка контролируют по излому следующих по высоте слитка штанг.

13.4.4. Серебристые полоски

Серебристые полоски в изломе имеют значительную протяженность вдоль волокна при ширине менее 2 мм и выделяются на общем фоне только блестящим оттенком вследствие несколько более крупнокристаллического строения. Встречаются одиночные или группы по несколько полосок, рассредоточенные по сечению излома, преимущественно в центральной зоне штанги. Сравнительно отчетливо серебристые полоски различаются в изломах среднеуглеродистых сталей.

Причиной образования серебристых полосок является резко выраженная полосчатая микроструктурная неоднородность, вызываемая дендритной ликвацией слитка. Серебристые полоски в изломе не считают браковочным признаком.

14. Разрушение при ползучести

Рассмотренные выше случаи подразумевают деформации, возникающие с приложением нагрузки и развивающиеся при ее изменении.

То есть считалось, что в случае неизменности напряжения, дальнейшего деформирования не происходило, а фактор времени действия нагрузки учитывался косвенно, только через скорость нагружения. В реальных условиях это не так.

Изменение деформации под действием постоянной нагрузки с течением времени характеризует явление ползучести, которое проявляется в основном при высоких температурах. При ползучести может наблюдаться два вида деформации:

- внутрикристаллитная с образованием ячеистой полигональной структуры, роль которой не велика, и становится заметной при невысоких температурах;

- межзеренное проскальзывание с последующим межкристаллитным разрушением.

Возникновение трещин на границе при ползучести возможно по следующим механизмам: повышение концентрации напряжений в тройной точке стыка зерен при их проскальзывании (обычно при значительных напряжениях и скоростях деформирования); стока вакансий к границам зерен с образованием пор достаточных размеров и соответствующей формы; образование пустот при выходе дислокаций к границам из кристаллов (особенно когда граница «ослаблена» миграцией примесей, особенно с низкой смачиваемостью). Устранение условий для образования трещин по этим механизмам упрочняет материал при ползучести.

Особенностью явления ползучести является тот случай, что многие материалы, которые при комнатной температуре разрушаются вязко по телу зерна, при повышении температуры и при низких скоростях деформации могут показать межзеренное разрушение. У ряда сплавов с недостаточно устойчивой структурой протекает релаксация, образуются трещины.

Сопротивление материала при ползучести часто называют жаропрочностью. Для повышения жаропрочности обычные методы упрочнения, дающие нестабильные структуры (закалка, отпуск, наклеп) – непригодны, так как эти структуры распадаются при длительных высокотемпературных нагрузках.

В противоположность испытаниям при 20 °С грубые структуры дают большее сопротивление ползучести, чем высокодисперсные, причем оптимальный размер зерна связан как с химическим составом сплава (рис. 71), так и с температурой испытаний, как например, при испытании стали 20, легированной молибденом, хромом, ванадием, марганцем.

Рис. 14.1. Зависимость жаропрочности от размера зерна

Для стали, легированной хромом, молибденом при 450 °С оптимальный размер зерна 0,5 мм, а при 550 °С – 0,1-0,5 мм. Разновидностью проявления ползучести является ранее описанное замедленное разрушение (температура комнатная, время действия нагрузки на несколько порядков выше времени развития упругой деформации, напряжения значительно ниже σ_в). Излом при замедленном разрушении макрохрупкий с четким очагом (у металлов трещины преимущественно по границам).

Склонность к замедленному разрушению проявляют высокопрочные материалы в деталях сложной формы или крупных размеров с неблагоприятно расположенным по отношению к растягивающим напряжением волокном. Обычно в жестких сварных соединениях, в нерелаксирующих системах, в неоднородных системах и при эксплуатации в активных средах (при наводороживании, избирательной коррозии на поверхности).

В общем случае замедленное разрушение происходит за счет двух встречных процессов – падения во времени сопротивления материалов (из-за каких-либо причин, вызванных образованием трещины) и повышения растягивающих напряжений в отдельных объемах материала во времени (например, у материалов из различных зерен).

Поэтому факторы, препятствующие локализации деформации – улучшают сопротивление замедленному разрушению (наличие мягких слоев на поверхности детали, увеличение радиусов надрезов, защита от коррозии и активных сред, уменьшение градиентов, температур, напряжений и т.п.).

Изучение поведения жаропрочных сплавов с испытаниями на ползучесть недостаточно, необходимы испытания с доведением материала до разрушения с последующим фактографическим исследованием. На рис. 14.2 показаны результаты испытания трех сталей, имеющих в исходном состоянии разные прочностные свойства.

Наиболее быстро падает сопротивление разрушению у стали №1 при ползучести, она наиболее хрупкая. Наименьшей хрупкостью обладает сталь №3, она разрушается срезом. Сталь №2 занимает промежуточное положение и вероятно разрушается по квазихрупкому механизму. Однако подтверждение этим предположениям может дать только изучение изломов.

Рис. 14.2. Испытания на длительную прочность

Особенности деформации при ползучести обусловлены ее малыми скоростями, на 5-10 порядков меньше чем при обычных статических испытаниях. Важной ее особенностью является возможность изменения систем скольжения в процессе деформации. Так, например, в алюминии (ГЦК решетка) помимо обычных систем скольжения {111} <110> при высокотемпературной ползучести действуют системы {100} <110> и {211} <110>.

В металлах с ГПУ решеткой развивается небазисное скольжение. В ОЦК металлах при повышенной температуре и деформации, увеличивается вероятность одновременного скольжения в плоскостях {110}, {112}, и {123}. Полосы скольжения, выявляемые на поверхности образцов после ползучести, более грубые, более волнистые, а расстояние между ними меньше, чем при обычном статическом растяжении.

Увеличение числа систем скольжения в совокупности с интенсивным развитием поперечного скольжения и переползания дислокаций облегчает их перемещение по кристаллу. При медленной деформации это создает необходимые условия для формирования стабильных дислокационных конфигураций – сеток и стенок (особенно в металлах и сплавах с высокой энергией дефекта упаковки). Развитие полигонизации является важной особенностью пластической деформации при высокотемпературной ползучести как внутри зерен, так и вблизи их границ. Кроме внутризеренного скольжения, значительный вклад в общее удлинение при ползучести вносит межзеренная деформация – зернограничное проскальзывание. Без межзеренных смещений удлинение вдоль оси растяжения в результате направленного массопереноса обязательно привело бы к образованию несплошностей на границах. Схема, приведенная на рис. 14.3, показывает, как первоначально равноосные шестиугольные зерна удлиняются с образованием пустот в отсутствие зернограничного скольжения. Если же деформация будет идти вдоль границ АВ, то пустот не будет (рис. 14.3 в). Царапина mn, проведенная через такую границу до деформации (рис. 14.3 а), окажется разорванной на толщину приращенного материала в отсутствие зернограничного скольжения (рис. 14.3 б), а если оно проходит в процессе диффузионной ползучести, то половинки царапины смещаются относительно друг друга вдоль границы А´В´ (рис. 14.3 в).

Таким образом, зернограничное скольжение обеспечивает взаимное приспособление (аккомодацию) соседних зерен, сохраняя сплошность материала при диффузионной ползучести. С повышением температуры и напряжения доля зернограничной деформации в общем удлинении падает, а измельчение зерна увеличивает ее вклад.

Во всех случаях общая деформация не равна сумме внутризеренной и зернограничной. Следовательно, существует значительная доля деформации, которая не связана со сдвигом в грубых полосах скольжения и с межзеренными смещениями. Эта «не выявляемая» ползучесть может доходить до 50% от общего удлинения. Она вызвана в первую очередь тонким скольжением, следы которого в виде линий скольжения появляются на поверхности. Часть невыявляемой деформации при достаточно высоких температурах может быть вызвана полигонизацией.

Рис. 14.3. Зерна до деформации (а), после диффузионной ползучести без межзеренных смещений (б), и с зернограничным проскальзыванием (с)

Главной причиной ускорения ползучести на третьей стадии считают образование и постепенное развитие пор и трещин по границам зерен, характерное для большинства металлических материалов. Чем выше температура и скорость ползучести, тем раньше начинается образование пор и трещин.

Трещины обычно появляются в месте стыка трех зерен и растут вдоль тех из них, которые примерно перпендикулярны направлению растяжения. На рис. 14.4 а, б показаны возможные варианты образования клинообразных трещин.

Максимальное растягивающее напряжение в тройном стыке определяется длиной границы L и радиусом ее кривизны r в вершине тройного стыка

(14.1)

где τ – касательное напряжение вдоль границы.

Рис. 14.4. Зарождение межзеренных трещин по Чэнгу, Гранту (а, б) и Джефкинсу (в)

Клинообразные трещины возникают при условии прочного закрепления границ, например, примесями. Если же граница способна мигрировать, то вероятность образования трещин падает. Поэтому клиновидные трещины встречаются при относительно низких температурах и высоких напряжениях. С повышением температуры и снижением напряжения число трещин падает, зато на межзеренных границах образуется все больше мелких пор круглого или эллиптического сечения. Зародышами пор или пустот могут быть микронесплошности на границах зерен, имевшиеся еще до начала ползучести. Поры могут зарождаться и в процессе ползучести.

Для однофазных материалов наиболее вероятными считают два механизма. Первый предполагает межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой (рис. 14.4 в). Такие ступеньки высотой до 40 нм всегда имеются на границах. Кроме того, ступеньки могут появиться там, в результате деформации на концах полос скольжения.

Второй механизм исходит из возможности образования и развития пор в результате слияния вакансий. Рост пор, возникших по первому механизму, по крайней мере, на начальных стадиях, также идет за счет стока туда вакансий. Разрастаются далеко не все возникающие при ползучести микропоры. Некоторые из них, не достигшие достаточного размера, «залечиваются».

Пора становится устойчивой при выполнении условия

(14.2)

где S – растягивающее напряжение, γ – поверхностная энергия.

Из соотношения (14.2) следует, что чем выше напряжение, тем меньше размер устойчивой поры.

В гетерофазных сплавах образование межкристаллитных пустот в значительной мере связано с частицами избыточных фаз на границах. Они могут затруднять межзеренные смещения, но если они все-таки будут происходить, то на межфазной границе возникнет несплошность. Вероятность ее образования больше, если поверхностная энергия на границе матрица-избы-точная фаза велика, и частица имеет компактную форму. Частицы избыточных фаз содержатся даже в относительно чистых металлах, и потому их роль в межзеренном разрушении важна для любых материалов.

Чисто межзеренное разрушение при ползучести происходит обычно после относительно небольшой деформации (δ < 1-5%). Оно облегчено при высоких температурах и низких напряжениях (малой скорости ползучести), когда есть возможности и время для вакансионного развития межкристаллитных пустот. Межзеренное разрушение опасно также в области относительно низких температур, когда еще мала скорость возврата и ограничена миграция границ. При промежуточных температурах пластичность максимальна, так как здесь межзеренное разрушение затруднено, и степень внутризеренной деформации достигает значительной величины.

При постоянной общей деформации происходит самопроизвольное уменьшение напряжений в материале – релаксация. Она вызвана переходом упругой деформации в пластическую.

При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряжений во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болтов, которое создается в результате упругой их деформации. С течением времени натяг (уровень напряжений) ослабевает, так как часть упругой деформации переходит в пластическую.

Особенно быстро и значительно релаксируют напряжения при повышенных температурах, когда пластическая деформация облегчается. Спад напряжений особенно интенсивен в первые часы.

В условиях постоянства общей деформации:

(14.3)

следовательно,

(14.4)

Учитывая, что

(14.5)

можно записать

(14.6)

где е₀ – общая деформация образца, е_упр – упругая деформация, е_п – пластическая деформация, – пластическая деформация в момент начала релаксации, σ – напряжение в образце, σ₀ – напряжение в момент начала релаксации, Е – модуль упругости.

Испытания на релаксацию проводят по схемам растяжения, изгиба и кручения. Широкое распространение получил метод И.А. Одинга, где релаксация оценивается на кольцевых образцах. В качестве характеристики релаксационной стойкости принимают величину падения напряжения Δσ за заданное время (200-3000 час).

Повышение жаропрочности при переходе от чистых металлов к сплавам достигается за счет образования твердых растворов на базе основного металла и частиц избыточных фаз. При выборе основы следует учитывать, что уровень жаропрочности чистого металла связан с его температурой плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести.

Растворенные атомы повышают сопротивление ползучести за счет их упругого взаимодействия с дислокациями, дефектами упаковки и влияния на диффузионные процессы. Они, как правило, снижают энергию дефекта упаковки. В этом случае дислокации оказываются сильно расщепленными, и их поперечное скольжение и переползание затруднено, что способствует повышению сопротивления деформации при ползучести. Наибольшее снижение энергии дефекта упаковки достигается при введении растворимых легирующих элементов с высокой валентностью.

Образование облаков Котрелла, затрудняя движение дислокаций, создает условия для их вязкого скольжения (вязкого течения), что повышает жаропрочность при высоких напряжениях и средних температурах. Повышение напряжений может привести к отрыву дислокаций от облаков Котрелла, которые при высоких температурах рассасываются.

В сильно легированных растворах большое значение имеют облака Сузуки на дефектах упаковки растянутых дислокаций. При перемещении таких дислокаций возникает сила вязкого скольжения, обусловленная разной концентрацией твердого раствора в дефекте упаковки и вне его.

Дальний порядок в твердых растворах повышает сопротивление ползучести, потому что парные (сверхструктурные) дислокации ведут себя аналогично расщепленным. Здесь сила вязкого скольжения обусловлена необходимостью образования антифазной границы при движении сверхдислокаций.

Очень важны морфологические характеристики выделений избыточных фаз. Повышение жаропрочности тем существеннее, чем дисперсные частицы, меньше расстояния между ними, больше частиц на межзеренных границах. Иногда очень влияют на характеристики жаропрочности структурные параметры матрицы, в первую очередь размеры зерна и субзерна. Чем крупнее зерно, тем лучше характеристики жаропрочности. Повышению сопротивления ползучести также способствует создание полигональной структуры.

Основные требования к структуре жаропрочных сплавов:

- высокий уровень легированности твердого раствора медленно диффундирующими компонентами;

- наличие дисперсных частиц фаз-упрочнителей;

- стабильность структуры;

- повышенная прочность приграничных зон.

Типичным примером реализации этих требований могут служить жаропрочные никелевые сплавы типа нимоник. Максимальной жаропрочностью также отличаются дисперсно-упрочненные материалы, содержащие в матрице практически не взаимодействующие с ней частицы, например, оксиды, карбиды или бориды.