Явление ползучести

При рассмотрении пластической деформации и деформационного упрочнения подразумевалось, что каждому значению напряжения соответствует определенная деформация. На самом же деле любой материал под действием постоянного напряжения может в определенных условиях деформироваться с течением времени. Явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью.

В зависимости от температуры и уровня заданного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны четыре вида ползучести, области реализации которых в функции температуры и напряжения приведены на рис. 2.79. Чтобы сделать эту диаграмму применимой для разных металлов и сплавов, по оси абсцисс отложена гомологическая температура, а по оси ординат – отношение приложенного напряжения сдвига к модулю сдвига (t / G).

При напряжениях ниже критического напряжения сдвига t _кр протекает неупругая обратимая ползучесть, о которой уже упоминалось в разделе 2.2 в связи с упругим последействием. Поскольку неупругая ползучесть обратима, она обычно не опасна для конструкций, и поэтому специальных испытаний на ползучесть при напряжениях ниже t _кр не проводят.

При напряжениях выше t _кр в области относительно низких температур идет логарифмическая, а при высоких (>0,4 – 0,6 T _пл) – так называемая высокотемпературная ползучесть. Следует подчеркнуть, что низко- и высокотемпературная ползучесть могут протекать при напряжениях, значительно меньших макроскопического предела текучести поликристаллического материала. Для практики наиболее важна высокотемпературная ползучесть. Стандартные испытания проводят именно в этой области. Наконец, при высоких температурах (>0,5 – 0,8 T _пл) и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть.

Основным первичным результатом испытания на ползучесть при заданной температуре и постоянном t > t _кр является кривая ползучести в координатах относительная деформация – время, которую строят по данным систематического измерения деформации (обычно относительного удлинения δ) образца в процессе испытания. Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано на рис. 2.80. Криая типа OAB получается при низкотемпературной (логарифмической) ползучести, OA’BCD – при высокотемпературной.

Зависимость δ от времени τ при низкотемпературной ползучести хорошо аппроксимируется для многих металлов уравнением

δ = a ln (l + ατ) + b. (2.31)

Именно поэтому низкотемпературная ползучесть получила название логарифмической. С течением времени логарифмическая ползучесть быстро затухает.

Считается, что при логарифмической ползучести достаточно полный термический возврат не успевает проходить. Тогда быстро прогрессирующее снижение скорости ползучести с увеличением τ можно объяснить моделью «истощения» дислокаций:

v _π = d δ/ d τ (2.32)

Представим себе, что в образце имеется какое-то число дислокационных отрезков и каждый из них может переместиться один раз (до остановки у какого-либо препятствия). После приложения нагрузки и упругого удлинения образца (см. рис. 2.80, OA) наиболее благоприятно ориентированные дислокации переместятся и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Постепенно термически активируемое скольжение будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения.

Рисунок 2. 80 - Кривые ползучести при разных температурах (t₁< t₂ <t₃)

Логарифмическая ползучесть слабо зависит от температуры испытания и приложенного напряжения. Ее практическое значение мало, поскольку величина удлинения при реальных для конструкций напряжениях обычно невелика, быстро стабилизируется во времени и не может существенно вырасти даже при очень длительных выдержках.

Логарифмическая ползучесть является неустановившейся: ее скорость непрерывно изменяется (уменьшается) со временем. С неустановившейся стадии начинается и высокотемпературная ползучесть (см. рис. 2.80, отрезок A’B на кривой OA’BCD). Затем начинается стадия установившейся ползучести BC, при которой v = const. Заканчивается кривая высокотемпературной ползучести участком разрушения CD, до которого при испытаниях на ползучесть чаще всего не доходят. Кривые ползучести, подобные OA’BCD, типичны для условий стандартных испытаний на ползучесть.

Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается здесь не столько поперечным скольжением, сколько переползанием дислокаций. При высокотемпературной ползучести возможны также некоторые рекристаллизационные процессы.

Изменение скорости высокотемпературной ползучести на неустановившейся стадии подчиняется уравнению

v_n = A τⁿ, (2.33)

где показатель степени n в большинстве случаев близок к ⅔ вместо l при логарифмической ползучести. Если n = ⅔, то

δ = βτ^⅓.. (2.34)

Уменьшение n при переходе от логарифмической к неустановившейся высокотемпературной ползучести можно понять с позиций модели истощения. Действительно, если процессы возврата успевают проходить более полно, то, по крайней мере, часть дислокационных отрезков после первой активации может стать способной к повторному перемещению, что вызовет дополнительную деформацию и прирост v_n.

Принципиально ползучесть на установившейся стадии не отличается от неустановившейся. Установившаяся стадия рассматривается как некое равновесное состояние, подготовленное неустановившейся ползучестью. Элементарные процессы, идущие на обеих стадиях, одинаковы, различна только полнота их протекания. В металлах скорость установившейся ползучести контролируется обычно наиболее медленным процессом переползания дислокаций.

Пластическая деформация при ползучести вызывает увеличение плотности дислокаций и деформационное упрочнение. В то же время возврат приводит к уменьшению плотности дислокаций и разупрочнению металла. В результате при высокотемпературной ползучести в металле формируется полигонизованная субструктура.

Основные процессы, определяющие возврат, - поперечное скольжение и переползание дислокаций. При относительно малом времени выдержки, когда переползание дислокаций еще не успевает проходить в достаточной степени, возврат идет в основном вследствие поперечного скольжения. В этом случае ползучесть оказывается неустановившейся: скорость ее все время уменьшается из-за прогрессирующего, хотя и замедляющегося деформационного упрочнения (число аннигилирующих дислокаций меньше числа возникающих при деформации). Затем наступает момент, начиная с которого число переползающих краевых дислокаций становится достаточным для полного возврата (равенства образующихся и исчезающих дислокаций). С этого момента и наблюдается стадия установившейся ползучести.

Скорость установившейся ползучести с повышением температуры испытания быстро растет из-за ускорения диффузионного процесса переползания. При постоянном напряжении

v _п.уст. = K ₀ exp(- Q / kT), (2.35)

где K ₀ – постоянная, определяемая уровнем напряжений; Q – энергия активации ползучести, также зависящая от уровня напряжения.

Величина Q для чистых металлов близка к энергии активации самодиффузии, что служит основным доказательством контроля скорости установившейся ползучести процессом переползания дислокаций. Зависимость скорости установившейся ползучести v _п.уст от напряжения S подчиняется уравнению

v _п.уст = AS ⁿ, (2.36)

где коэффициент n при разных температурах и напряжениях меняется от 1 до ~4, на чаще всего близок к трем.

Деформация при высоких температурах и низких напряжениях может быть не связана с перемещением дислокаций, а явиться результатом направленного диффузионного массопереноса. При отсутствии внешних напряжений преимущественного переноса атомов в определенных направлениях не происходит. Но если металлический кристалл находится в поле напряжений, где есть растягивающие и сжимающие компоненты, то растягивающие и сжимающие компоненты, то концентрация вакансий оказывается неодинаковой на растянутых и сжатых поверхностях, что вызывает направленный поток вакансий и противоположно направленный поток атомов, в результате дающий макроскопическое изменение формы кристалла.

Рассмотрим кубическое зерно в поликристалле с ребром d, находящееся в плосконапряженном состоянии (рис. 2.81). Допустим, что внутри зерна нет дислокаций, и поэтому местами стока вакансий могут служить только его границы. На горизонтальных границах, находящихся под действием растягивающих напряжений S, энергия образования вакансий понижена на величину Sb ³, где b ³ – объем одного атома, а на вертикальных (сжатых) границах эта энергия повышена на ту же величину. Действительно, образование вакансии на сжатой границе равнозначно выходу на нее одного атома из кристалла. Если атом – куб с ребром b, то для его выхода на поверхность границы потребуется затратить работу против внешнего напряжения S, равную Sb ² х b = Sb ³.

В результате концентрация вакансий на растянутых границах окажется выше, чем на сжатых – возникнет градиент концентрации вакансий, который приведет к их направленному перемещению от горизонтальных к вертикальным границам вдоль сплошных стрелок на рис. 2.81. Встречный поток атомов (вдоль пунктирных стрелок на рис. 2.81) вызовет удлинение и соответствующее сужение зерна.

При низких напряжениях скорость ползучести чистого металла из-за направленного диффузионного массопереноса будет

v _n ~ D ’ Sb³ / d²kT, (2.37)

где D ’ – коэффициент самодиффузии.

Рассмотренная модель диффузионной ползучести носит имя ее авторов – Набарро и Херринга. В дальнейшем она была усовершенствована с учетом геометрии зерен. Однако вид уравнения (2.37) остался практически неизменным (в него только введен коэффициент, зависящий от формы зерна).

Помимо ползучести Набарро – Херринга, которая учитывает перенос вещества через объем кристаллов, большое значение в последние годы придается диффузионной ползучести Кобла, который предположил, что диффузионные потоки идут не по объему, а вдоль границ зерна.

Скорость ползучести по Коблу

v _n = B ’(Sb ³/ kT)(wD _гр/ d ³), (2.38)

где D _гр – коэффициент зернограничной диффузии; w – ширина границы зерна, через которую проходит диффузионный поток; B ’ – коэффициент, зависящий от формы зерна.

Направленный массоперенос по объему и границам зерен проходит одновременно, а их вклад в деформацию будет различным в зависимости от температуры, напряжения и размера зерна, что следует из сопоставления формул (2.37) и (2.38).

Зернограничная диффузия идет значительно быстрее, чем объемная, ее энергия активации составляет всего 0,35 – 0,7 от энергии активации объемной диффузии. Поэтому D _гр не так сильно уменьшается при понижении температуры, как коэффициент объемной диффузии, и ползучесть Кобла должна вносить тем больший относительный вклад в общую диффузионную ползучесть, чем ниже температура. Если раньше считали, что диффузионная ползучесть существенна только при очень высоких температурах (выше 0,8 – 0,9 Т _пл, то теперь установлено ее большое практическое значение (в первую очередь ползучести Кобла) во всем температурном интервале высокотемпературной ползучести, т.е. выше 0,4 – 0,6 Т _пл. Из диаграммы на рис 2.81 видно, что температурно-силовые области проявления диффузионной и высокотемпературной ползучести с возвратом сильно перекрываются. Вклад диффузионной ползучести в общее удлинение в этих условиях тем значительнее, чем выше температура, ниже напряжение и меньше размер зерна.

Важной особенностью высокотемпературной дислокационной и диффузионной ползучести является интенсивное развитие межзеренной деформации (зернограничного проскальзывания). Ее вклад в общую деформацию при высокотемпературной ползучести с возвратом соизмерим с вкладом внутризеренного скольжения дислокаций. При диффузионной ползучести межзеренные сдвиги рассматриваются как механизм взаимного приспособления (аккомодации) соседних зерен, предотвращающий образование несплошностей на границах смещающихся друг относительно друга зерен.