книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

ния в этом температурном диапазоне очень низкие. Удобный метод ограничения инверсии — комбинация 2гОа с другими оки­ слами, такими как СаО и М§0, в результате чего образуется твер­ дый раствор, не испытывающий нежелательных фазовых превра­ щений под действием температуры. Материал становится стабили­ зированным. Хотя полная стабилизация снижает инверсию, она оказывается нежелательной, при действии теплового удара. На рис. 7.2 показаны характеристики двух композиций Са0 + 2 г 0 2- При добавлении 19,8% СаО (рис. 7.2, б) полностью стабилизи­ руется 2 г 0 2, т . е. температурная инверсия не происходит. Однако большое количество СаО отрицательно влияет на сопротивление тепловому удару из-за высокого коэффициента линейного расши-

Рис. 7.2. Кривые теплового расширения для 2гО„, содер­

рения этой композиции. Температурные напряжения, связанные с неравномерностью распределения температуры и высоким коэф-„ фициентом линейного расширения, снижают сопротивление теп­ ловому удару. Одна из лучших композиций показана на рис. 7.2, а. Добавление 8% СаО в некоторой степени стабилизирует материал, хотя возникают в процессе охлаждения заметные структурные эффекты, способные вызвать значительные изменения объема. Но эти изменения — постепенные, и поэтому могут быть допущены довольно большие температурные градиенты без заметного изме­ нения объема. Хорошее сопротивление тепловому удару, таким образом, связано частично с ликвидацией инверсии и частично со снижением коэффициента линейного расширения.

7.1.3. Улучшения, достигаемые при добавлении металла. Окислы циркония, хотя и пригодны для многих промышленных целей, не отвечают требованиям, предъявляемым к материалам, работающим при высоких температурах, например, к материалам для изготовления тиглей для плавки титана. Высокая точка плавления этого элемента (1671 ± 21° С) приводит к тому, что материал тигля во время плавки и при охлаждении должен вы­ держать высокую температуру и значительные температурные градиенты.

Широкие исследования средств стабилизации циркония без использования щелочно-земельных окислов легли в основу раз­

вития удачной композиции, содержащей 15 атомных процентов Т1 в комбинации с 2 г0 2 [7.35]. Точный структурный анализ этой композиции не проводился, но имеются предположения, что титан образует с цирконием твердый раствор замещения, что приводит к недостатку кислорода в решетке циркония. Помимо повышения стабильности структуры добавление металла увеличивает тепло­ проводность (снижая температурные градиенты). Металл может также несколько улучшить характеристики прочности и пластич­ ности. В любом случае характеристики теплового удара 2 г0 2 с добавлением титана значительно лучше характеристик цирко­ ния, стабилизированного другими способами. Тигли сечением 50,8x50,8 мм подвергали циклическим испытаниям с изменением температуры в интервале 20—1898° С в течение 10 мин. При этом трещины не возникали, в то время как в промышленном стабили­ зированном.цирконии в тех же условиях быстро появлялись тре­ щины.

7.1.4. Примеры.анизотронного расширения. Большинство мате­ риалов, используемых в инженерной практике, являются изо­ тропными при тепловом расширении. Однако металлы с некуби­ ческой решеткой, такие как кадмий и цинк, обладают анизотро­ пией. Когда кристалл одного из таких материалов нагревается, то в направлении каждой кристаллографической плоскости про­ исходят различные тепловые расширения. В поликристаллическом материале за счет различной ориентации кристаллов и в связи с неоднородностью термического расширения даже в случае равно­ мерной температуры возникают внутренние напряжения. С инже­ нерной точки зрения в связи с ограниченным применением ме­ таллов с некубической решеткой в конструкционных целях эта проблема не была актуальной. Но, однако, в связи с использова­ нием в ядерной технике урана, также обладающего некубической решеткой, возникли вопросы, так как были отмечены исключитель­ но большие изменения формы при циклическом изменении темпе­ ратуры [7.3, 7.5, 7.20, 7.22,7.39]. Для того чтобы понять поведение материала в этом случае и найти способы уменьшения отмеченного

с процессом термического необратимого увеличения размеров, подобным рассмотренному в гл. 3, с той разницей, что для прогрес­ сирующего формоизменения при циклическом нагружении в этом случае не требуется внешней нагрузки. Объяснения данного про­ цесса не,охватывают полностью все аспекты проблемы. Основными особенностями механизма являются следующие:

1.: Анизотропия теплового расширения. В этом случае зерна поликристаллического образца, каждое из которых имеет не­ сколько отличную ориентацию, расширяются различным образом даже при равномерном нагреве всего образца. При этом возникают температурные напряжения.

2. Анизотропия прочности или сопротивления пластическим деформациям различных зерен. В этом случае зерна, ориентиро­ ванные таким образом, что касательные напряжения достигают больших значений в плоскостях, совпадающих с плоскостями скольжения, испытывают пластические деформации, тогда как более благоприятно ориентированные зерна могут расширяться,

концентрично расположенного относительно зерна В. Ориентация зерен такова, что пластическая деформация может происходить в плоскостях скольжения зерна В, когда приложена осевая на­ грузка (вертикально). Плоскости скольжения зерна А ориентиро­ ваны таким образом, что они сопротивляются скольжению при приложении осевой нагрузки. Допустим, что зерно В имеет более высокий коэффициент линейного расширения в осевом направле­ нии, чем зерно А.

Для простоты примем в качестве первоначального исходного условия, что критическая температура, при которой граница зерен теряет прочность, равна Тс. Теперь рассмотрим напряжения и деформации в зерне В, когда температура снизится от Тс до некоторой величины Т 0. Так как при температурах ниже Тс два зерна могут рассматриваться как единое целое, принимаем, что суммарные деформации (механические и термические) в этих зернах равны. Диаграмма деформирования зерна В показана

на рис. 7.3, в. Первоначально напряжение и деформация равны нулю в точке М. При снижении температуры сжатие кристалла В (больше, чем кристалла А) вызывает растягивающее напряжение в В и после достижения предела текучести — развитие пласти­ ческих деформаций.

Таким образом, при снижении температуры от Тс д р Т 0 нагру­ жение характеризуется линией МЯЯ. При последующем росте температуры напряжения релаксируют и этому процессу соот­ ветствует линия Р(}Я при температуре, приближающейся к Тс, но не равной Тс. Если прочность границ не падает, второй темпе­ ратурный цикл описывается петлей ЯМ'Я'Р(2Я с равными ра­ стягивающими и сжимающими пластическими деформациями за цикл, и прогрессирующее изменение размеров после первого цикла отсутствует. Точка М', в которой напряжения равны нулю, обычно не достигается, если температура не снижается значи­ тельно ниже Тс. Однако поскольку принято, что при темпера­ туре Тс происходит потеря прочности границ зерен, то после достижения этой температуры' сопротивление зерна А изменению размеров зерна В исчезает. Зависимость между напряжением и деформацией зерна В резко изменяется, так что осуществляется резкий переход от Я до М' без снижения температуры. Тогда зерно В принимает форму, показанную на рис. 7.3, б, выходя по краям за пределы зерна А. Приращение длины зерна В (по отношению к длине А) возникает в связи с тем, что растягиваю­ щая пластическая деформация ЯР превосходит сжимающую пла­ стическую деформацию (}Я.

В последующем цикле отсчет деформаций идет от точки М', являющейся аналогом точки М, поскольку в этой точке напря­ жения также равны нулю при той же температуре Т = Тс. Повто­ рение температурного цикла соответствует линии М 'Я'РР', причем деформации между точками Р и Р ’ равны деформациям между точками N и Я ' Поэтому каждое повторение температур­ ного цикла будет вызывать приращение деформации елглг. Увели­ чение длины образца сопровождается появлением разрывов между соседними зернами, и, если зерен достаточно много, поверхность становится текстурированной. Именно такое изменение геометрии при действии температурных циклов наблюдалось при испыта­ ниях урана.

7.1.6. Уменьшение описанных эффектов. Понимание основного механизма температурного роста позволяет предложить пути его снижения. Так как систематическая ориентация зерен способ­ ствует этому механизму, желательно обеспечить случайную их ориентацию, которая легче всего достигается увеличением числа зерен в данном объеме, т. е. обеспечением мелкозернистой струк­ туры. Микроструктурой можно управлять с помощью термообра­ ботки и стабилизации параметров обработки давлением, напри­ мер, температуры прокатки и степени обжатия (7.39]. Понима­ ние роли критической температуры в развитии пластических

деформаций по границам зерен дает возможность объяснить эк­ спериментальные результаты и выбрать соответствующие режимы обработки давлением. Принятое ранее допущение о том, что сопро­ тивление границ сразу становится равным нулю, идеализировано, в действительности уменьшение сопротивления деформации со стороны соседних зерен при критической температуре обусловлено развитием ползучести, так что чем выше температура и больше длительность процесса, тем выше деформация за цикл.

В работе [7.22] установлено, что для данного размаха темпе­ ратурного цикла максимальная скорость роста за цикл имеет место при медленном нагреве и быстром охлаждении. При быстром нагреве и медленном охлаждении получен меньший рост деформа­ ции за счет обратной ползучести при охлаждении. В общем слу­ чае может происходить либо увеличение, либо уменьшение объема, в зависимости от скорости нагрева и охлаждения [7.39]. В связи

свлиянием'ползучести при увеличении температурного диапазона

имаксимальной температуры увеличивается рост деформации [7.22].

7.1.7.Примеры повышенной хрупкости. Металлы и керамика

иногда ведут себя как очень хрупкие материалы, поэтому следует избегать их применения в условиях действия температурных напряжений и больших деформаций, достаточных для наступле­ ния разрушения. Обычно на ранних стадиях разработки нового материала конструктор должен быть особенно осторожен, по­ скольку фактические характеристики не всегда совпадают с пред­ полагаемыми. К материалам, вопрос о хрупкости которых является важным в промышленности, относятся металлокерамические ма­ териалы, легкие металлы— титан и бериллий — и тугоплавкие металлы — хром, молибден и вольфрам. Здесь не проведено под­ робное рассмотрение этих групп материалов, а в качестве примера обсуждается лишь использование вольфрама. Благодаря высокой температуре плавления (3410° С) и прочности при высокой тем­ пературе его применяют как конструкционный материал. Одним из препятствий является хрупкость материала. По этой причине желательно рассмотреть условия, при которых материал ведет себя как хрупкий, а также предпосылки применения его в усло­ виях действия температурных напряжений.

7.1.8. Температура перехода от хрупкого к вязкому состоянию как критерий хрупкого разрушения. Многие материалы, в том числе вольфрам и молибден, часто характеризующиеся как хруп­ кие, более правильно рассматривать как материалы, имеющие температуру перехода от хрупкого к вязкому состоянию, которая выше, чем температура испытания. Поэтому желательно ввести •понятие переходной температуры и указать параметры, от ко­ торых она зависит.

Основная особенность переходной температуры схематически показана на рис. 7.4, где пластичность (поперечное сужение) представлена как функция от температуры. Ниже некоторой тем-

пературы пластичность может быть очень низкой или даже равной нулю, но в окрестности температуры перехода Т 0 пластичность резко возрастает. Испытания материалов при температуре даже немного ниже переходной температуры приводят к хрупкому разрушению, но если температура испытаний чуть выше, мате­ риал может вести себя как пластичный. Таким образом, материал не следует относить к хрупким или пластичным, если не ука-

г

А

т1 о

Рис. 7.4. К определению переходной температуры

зана температура испытаний. Соотношение между пере­ ходной температурой и ком­ натной является очень! важ­ ным. Для стали, например, переходная температура зна­ чительно ниже комнатной. Поэтому в нормальных усло­ виях работы при темпера­ туре не ниже комнатной сталь считается пластичным

ратура молибдена близка к комнатной, поэтому незначитель­ ные эффекты, которые повышают или понижают ее, могут вы­ звать либо хрупкое, либо вязкое разрушение при комнатной температуре. Промышленный вольфрам имеет относительно высокую переходную температуру (порядка 200° С и выше). Повидимому, с помощью соответствующей обработки ее можно за­ метно снизить и даже довести до температуры, ниже комнатной, однако эта цель еще не достигнута. Поэтому нелегированный вольфрам при комнатной температуре обычно относят к хрупким материалам, но он достигает вязкого состояния при температуре выше критической.

Полезное или вредное влияние того или иного процесса на материал может быть определено отчасти его влиянием на пере­ ходную температуру. Любое изменение, которое увеличивает эту 'температуру, является, конечно, нежелательным, так как

означает необходимость достижения более высокой температуры для обеспечения вязкого состояния материала. Наоборот, любой процесс, снижающий переходную температуру, желателен. Дей­ ствительно, если переходная температура может быть снижена до величины, меньшей, чем самая низкая температура эксплуа­ тации, то практически проблему хрупкости можно считать ре­ шенной. Чаще всего самой низкой температурой, представляю­ щей интерес, является комнатная, так как детали машин обычно работают при этой температуре или периодически охлаждаются до нее в ходе работы. Поэтому идеальным является случай, когда переходная температура ни­ же комнатной. Но даже если этого невозможно достиг­ нуть, целесообразно ее сни­ зить на любую возможную величину, так как чем ниже переходная температура, тем легче решить связанные

сэтим задачи.

7.1.9.Влияние скорости деформации. На рис. 7.5. по­ казано, как некоторые со­

рис. 7.6, на котором пластичность дана как функция скорости деформации для вольфрама, отожженного при 249° С [7.2,

формирования материал тоже изменяется, становясь из вязкого хрупким. Следует заметить, что самая высокая скорость деформи­ рования (рис. 7.6), лежащая в пределах практического приме­ нения, достигается в случае теплового удара. Однако при темпе­ ратурах, значительно превышающих переходное значение, вы­ сокая скорость деформации может не влиять отрицательно на вязкость материала.

Сикора и Холл исследовали влияние скорости деформации на механические свойства кованого вольфрама (заготовка получена методом порошковой металлургии), при температуре выше 1371° С, которая превышает температуру перехода материала из хрупкого состояния в вязкое [7.28]. Н<а рис. 7.7 показаны некоторые из этих результатов. Чем выше скорость деформации, тем выше вяз­ кость при всех температурах. Авторы показали, что при испыта­ ниях на высоких скоростях деформации обычно происходит меж-

кристаллитное разрушение в противоположность обычно наблю­ даемому при высокой температуре внутрикристаллитному. Но в любом случае можно видеть, что высокая скорость деформации при тепловом ударе при высокой температуре не всегда сказы­ вается отрицательно на сопротивлении разрушению. При возврате к более низким температурам, близким к переходной, высокая скорость деформации может оказаться нежелательной.

7.1.10. Холодная обработка и рекристаллизация. На рис. 7.5 можно увидеть, что еще один фактор влияет на переходную тем­

зывающей перестройку кристаллической структуры (рекристал­ лизацию), так что структура становится приблизительно равно­ осной, а остаточные напряжения снижаются, то полезное влия­ ние на переходную температуру может исчезнуть. Так как ре­ кристаллизация происходит во времени при температурах выше температуры рекристаллизации, то для того, чтобы материал обладал удовлетворительной пластичностью при более низкой температуре, важно не превысить температуру рекристаллизации. Следует, однако, указать, что рекристаллизация по существу не всегда вредно сказывается на пластичности при высокой темпе­ ратуре. Только при снижении температуры до области переходной температуры влияние рекристаллизации на материал, не подвер­ гавшийся холодной обработке, оказывается существенным. По­ этому, пока поддерживается высокая температура, рекристалли­ зацию можно не учитывать. Данные, представленные на рис. 7.7, получены на материале, полностью рекристаллизованном.

7.1.11. Отсутствие примесей. Чистота материала, как пока­ зано на рис. 7.5, также влияет на переходную температуру; чем чище материал, тем она ниже. Примеси элементов внедрения,

7.1.14. Роль хрупкости в условиях действия температурных напряжений. При оценке применимости номинально хрупких ме­ таллов в условиях действия температурных напряжений, важно иметь в виду, что при температурах выше температуры перехода некоторая пластичность может быть реализована. При тепловом ударе с резким нагревом в области высокой температуры обычно возникают сжимающие напряжения. В этом случае может воз­ никнуть пластическая деформация. Опасность применения хруп­ ких материалов заключается в появлении при снижении темпе­ ратуры остаточных деформаций растяжения, образующихся после пластических деформаций сжатия при высокой температуре. Если эти деформации вызывают пластические деформации' растя­ жения при температуре ниже переходной, то при охлаждении может произойти разрушение. Когда самая низкая температура цикла превышает переходную, однократное хрупкое разрушение можно предотвратить, но следует обратить внимание на опасность разрушения от термической усталости.

В условиях внезапного охлаждения материала с высокой тем­ пературы часто образуются пластические деформации растяжения при температуре, еще не достигшей переходной. Остаточные сжи­ мающие напряжения возникают или при выравнивании темпе­ ратуры по достижении наименьшего ее значения, или при медлен­ ном нагреве детали до равномерной высокой температуры. В этом случае разрушение маловероятно даже если самая низкая темпе­ ратура цикла ниже переходной, поскольку сжимающие остаточ­ ные напряжения менее опасны, чем растягивающие. Кроме того, переходная температура при сжатии ниже, чем при растяжении. Очевидно, наименьшая температура должна быть выше, чем пере­ ходная при действии растягивающего напряжения. Этого можно достигнуть, либо сохранив низкую переходную температуру, либо не допустив полного охлаждения детали, если эта температура выше комнатной. Так как желательно обеспечить низкую переход­ ную температуру, важно знать, что эффективными мерами являются уменьшение количества дефектов, введение холодной обработки, легирование совместимыми элементами и исключение концентрации напряжений. Некоторые из перечисленных факто­ ров контролируются при производстве материала, другие зависят от решений, принимаемых конструктором. Снижение концентра­ ции напряжений, например, полностью зависит от.конструктора и должно быть использовано во всех случаях (подробнее см. гл. 8).

7.2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Возможность использования материала в заданных условиях может быть оценена при сопоставлении действующих и предель­ ных напряжений и деформаций. Целесообразно иметь относитель­ ные характеристики различных материалов в условиях, прибли­ женных к эксплуатационным. При таком подходе низкокачествен­