Снижение прочности материалов при нагреве

Нагрев материала, сопровождающийся повышением диффузионной под­вижности атомов, приводит к двум принципиально важным последствиям:

· появлению возможности изменения строения материала в твердом со­стоянии и переводу его в термодинамически более устойчивое со­стояние с меньшей свободной энергией;

· понижению прочности материала вследствие "залечивания" дефектов кристаллического строения и уменьшения их плотности - прежде все­го двухмерных и одномерных (см. рис. 2.7 - 2.9).

В качестве исходного рассмотрим материал (рис. 2.22, а), в котором в ре­зультате пластической деформации ярко выражена текстура и повышенный уровень прочностных свойств, полученных в результате прокатки, ковки и других операций обработки материала давлением.

Все процессы, происходящие в материале при нагреве, вызваны стремле­нием системы к минимуму свободной энергии. Их делят на возврат и рекри­сталлизацию, границей является температура рекристаллизации.

Возврат - это изменения тонкой структуры и свойств, при которых раз­меры и форма зерен не меняются (рис. 2.22, "а" и "б"). Во время возврата уменьшается количество вакансий и дислокаций, что приводит к снижению показателей прочности до 10... 15 % и аналогичному повышению пластично­сти.

Температура рекристаллизации Т_рекр – минимальная температура, при которой диффузионная подвижность атомов становится достаточной для за­рождения и роста новых, недеформированных зерен с минимальной свобод­ной энергией и плотностью дефектов.

Рекристаллизация - зарождение и рост новых, равноосных зерен с ми­нимумом дефектов за счет соседних зерен. Движущей силой процесса явля­ется стремление системы уменьшить свободную энергию путем снижения плотности дефектов кристаллического строения. Для этого необходимо выполнить 2 принципиально важных условия:

· обеспечить достаточно высокую диффузионную подвижность атомов за счет повышения температуры – т.е. обеспечить способность не только колебаться относительно положения равновесия в кристаллической решетке, но и перемещаться в ней в другие положения, более отвечающие идеальному кристаллическому строению;

· дать атомам достаточно времени для построения более совершенной решетки.

Зародыши образуются на границах деформированных зерен(рис. 2.22, в, темного цвета), т.к. в этом случае энергия активации процесса будет меньше.

Если рост новых зерен происходит за счет пластически деформирован­ных, то рекристаллизация называется рекристаллизацией обработки. Она завершается после исчезновения следов предшествовавшей пластической деформации - текстуры и наклепа. Показатели прочности и пластичности со­ответствуют аналогичным свойствам для недеформированного отожженного материала (рис. 2.22, г).

При дальнейшем повышении температуры начинается собирательная рекристаллизация - рост крупных, термодинамически более устойчивых равноосных зерен за счет поглощения более мелких, образовавшихся во вре­мя рекристаллизации обработки. Движущей силой собирательной рекристал­лизации также является стремление системы атомов к минимуму свободной энергии (рис. 2.23).

При слиянии (поглощении) зерен объемная энергия остается неизменной - у исходных двух мелких кристаллов и образовавшегося крупного она равна 2E_объемн В то же время поверхностная энергия отличается: 12Е_поверх и 10Е_поверх

соответственно (при условии, что для одной грани она составляет Е_поверх). Та­ким образом, уменьшение свободной энергии составит AG = 1Е_поверх.

Выявленный характер изменения свойств материала при нагреве имеет исключительно важное значение для практики. Вполне очевидно, что макси­мальная температура нагрева деталей во время эксплуатации не должна пре­вышать температуру рекристаллизации. В противном случае произойдет разупрочнение детали и потеря ее конструкционной прочности. Она не сможет выдерживать расчетные нагрузки и, в лучшем случае, получит значительную пластическую деформацию, а в худшем - произойдет разрушение самой де­тали или всего механизма. Поэтому максимальная рабочая температура дета­лей СТС должна определяться с учетом Т_рекр (К):

(2 19)

С другой стороны, повышение пластичности при температурах выше Т_Рекр позволяет с меньшей затратой энергии выполнять различные судовые

работы: гибку труб, ковку, клепку и др. Очень часто указанный эффект судо­вые механики используют и для повышения пластичности медных прокладок в топливной аппаратуре, стальных - в рабочих цилиндрах СДВС. При этом ускорения для ускорения рекристаллизационных процессов температуру вы­бирают намного выше Т_рекр (например, медные прокладки отжигают не при 250 °С, а при 700...800 °С в целях резкой интенсификации диффузии и со­кращения времени - до 5... 10 с).

Сама температура рекристаллизации является физическим свойством ма­териала и тесно связана с температурой его плавления Т_пл (К):

Т_рекр (2.20)

Коэффициент пропорциональности, а зависит от химического состава ма­териала (табл. 2.12).

Таблица 2.12 - Влияние химсостава материала на величину коэффициента пропорциональности при рекристаллизации

Характеристика материала	Значение коэффициента
Химические чистые металлы	0,1…0,2
Технические чистые металлы	0,2…0,4
Низколегированные сплавы	0,4…0,6
Средне и высоколегированные сплавы	0,6…0,8

Анализ приведенной зависимости позволяет наметить генеральные на­правления в повышении конструкционной прочности материалов СТС, осо­бенно тепловых двигателей (с учетом того, что мы имеем дело с произведе­нием 2-х величин):

• в качестве основного материала выбирать металлы с высокой темпе­ратурой плавления (например, вольфрам для ракетных двигателей);

• вместо чистых металлов применять их средне- и высоколегированные сплавы.

В то же время следует отметить, что понижение температуры при сохра­нении высокой прочности может привести к хладноломкости - появлению (или увеличению) склонности материала к хрупкому разрушению при дина­мических и знакопеременных нагрузках. Особо опасно это явление для ме­таллических материалов, имеющих кристаллическую решетку объемно-центрированного куба (железо, молибден, хром и др.), а также полимерных материалов (швартовные концы).

Учитывая, что железо является наиболее распространенным химическим элементом на флоте. Вопрос о хладноломкости корпуса судна и стальных деталей СТС будет, затронут особо (см. п.2.8.2.3.)