Влияние легирования и структуры на характеристики жаропрочности

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

Доцент к.т.н. Фигуровский Д.К.

ТЕМА Жаропрочность.

По дисциплине 4638 «Механические свойства и дефекты

УТВЕРЖДАЮ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ТИ-6 «Материаловедение и технологии новых материалов»

Заведующий кафедрой_ТИ-6

_________ Крашенинников А.И.

«___»_________200__г.

Для студентов 3 курса

факультета ТИ

специальности 150601

ЛЕКЦИЯ № 16

кристаллического строения металлов» для специальности

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции: Характеристики структуры и жаропрочность.Усталость.

Учебные и воспитательные цели:

Освоение теоретических знаний по курсу «Механические свойства и дефекты кристаллического строения металлов» - темы Ползучесть при повышенных температурах.

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

1. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. -М.: Металлургия, 1990. - 336 с.

2. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1998. - 399с.

З. Золоторевский В.С., Портной В.К. Механические свойства металлов. Часть 1.Статические испытания. Лабораторный практикум. М.: МИСиС. 1987. № 534.-143с..

4. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение термообработка и рентгенография. М. МИСиС, 1994, 480с.

5. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ впо УГТУ-УПИ. 2002.329с.

6. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.М. Наука, 1974г., 560с.

7. Фигуровский Д.К. Алиев Р.Т. Механические свойства и теория термической обработки металлов и сплавов. Практикум М.; МГУПИ. 2007г. 186с.

Учебно-материальное обеспечение:

Использование компьютерной техники для электронной призентации наглядных материалов лекции

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Введение – 5 мин. Значение жаропрочности при разработке новых

высокотемпературных сплавов.

Основная часть (учебные вопросы) – до 80 мин.

1-й учебный вопрос. Влияние состава и структуры сплавов на

характеристики жаропрочности твердых растворов.

2-й учебный вопрос. Влияние частиц избыточных фаз, размера зерна

и субструктуры матрицы на жаропрочноcть.

3-й учебный вопрос. Усталость.

Заключение – 5 мин. Выводы по прочитанной лекции. Ответы на

вопросы студентов.

Повышение характеристик жаропрочности (пределов ползучести и длительной прочности, других характеристик поведения материалов при высоких температурах) достигается теми же способами, которые были обсуждены в разделе 2.5 применительно к прочностным свойствам при статических испытаниях. Но влияние легирования и структурных параметров на жаропрочность характеризуется рядом специфических особенностей, которые и будут рассмотрены.

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 температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести. Исходя из этих соображений, температура солидуса сплавов также должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава ниже, чем металла основы, то при высоких температурах чистый металл может оказаться прочнее сплава.

Рисунок 2. 86 - Зависимость относительного прироста сопротивления ползучести ниобия от содержания вольфрама (Кляйн, Меткалф)

Растворенные атомы повышают сопротивление ползучести за счет их упругого взаимодействия с дислокациями и дефектами упаковки, а также в результате их влияния на диффузионные процессы. Эффект влияния растворимых легирующих элементов может быть значительным. На рис. 2.86 показано, как зависит от концентрации вольфрама в твердом растворе на основе ниобия относительный прирост сопротивления ползучести

Δ S = (σ_спл – σ_Nb)/σ_Nb,

где σ_спл и σ_Nb – напряжения, при которых в сплаве и чистом ниобии v _п.уст.= 10^-5 с^-1. Видно, что Δ S растет с повышением легированности твердого раствора и гомологической температуры.

Механизмы затруднения ползучести твердых растворов различны в зависимости от природы сплавов и концентрации растворенных атомов. Если энергия их взаимодействия с дислокациями мала и, следовательно, примесные атмосферы отсутствуют, то можно считать, что механизмы ползучести такого твердого раствора и чистого металла идентичны.

Известно, что растворенные атомы, как правило, снижают энергию дефектов упаковки. В этом случае дислокации оказываются сильно растянутыми, и их поперечное скольжение и переползание затруднено, что способствует повышению сопротивления деформации при ползучести. Как уже отмечалось, наибольшее снижение энергии дефекта упаковки достигается при введении растворимых легирующих элементов с высокой валентностью.

Коэффициент диффузии при образовании твердых растворов может изменяться по-разному. В малолегированных растворах коэффициент самодиффузии атомов растворителя в растворе может и увеличиваться, и уменьшаться в присутствии растворенных атомов. При этом добавка быстро диффундирующего компонента увеличивает коэффициент самодиффузии основного металла. Чем он больше, тем ниже жаропрочность.

Рассмотрим теперь особенности высокотемпературной ползучести твердых растворов с большой энергией взаимодействия растворенных атомов с дислокациями. В таких растворах на дислокациях образуются примесные атмосферы, и механизм ползучести может существенно измениться. Если в чистых металлах при ползучести с возвратом скорость скольжения дислокаций значительно больше скорости переползания, то в твердых растворах наиболее медленным и, следовательно, контролирующим скорость ползучести может стать скольжение дислокаций с примесными атмосферами – вязкое скольжение дислокаций. Если допустить, что скорость ползучести при таком движении дислокаций определяется скоростью движения атмосферы, т.е. скоростью миграции растворенных атомов под действием силы притяжения дислокации, то

v _n = (D _A/ kTC ₀) Sb exp (- W / kT), (2.41)

где D _A – коэффициент диффузии растворенных атомов в твердом растворе концентрации C ₀, W – энергия связи этих атомов с дислокацией; S – действующее напряжение.

Такая модель вязкого скольжения дислокаций при ползучести должна реализоваться при низких скоростях движения дислокаций и достаточно высоких температурах, если внешняя сила, действующая на единицу длины дислокации, меньше силы притяжения атмосферы. В установившемся режиме скорость v прямо пропорциональна коэффициенту диффузии добавки и приложенному напряжению, т.е. происходит ньютоновское вязкое течение.

При больших напряжениях дислокации могут оторваться от своих атмосфер, и тогда скорость ползучести уже не будет подчиняться уравнению (2.41). Вязкое скольжение дислокаций становится невозможным и при достаточно высоких температурах, когда W ≈ kT, и атмосфера рассасывается.

Модель вязкого скольжения дислокаций применима только к разбавленным твердым растворам, ибо при близкой концентрации атомов основы и добавки исчезают стимулы для образования коттрелловских примесных атмосфер вокруг дислокаций. В сильно легированных растворах большое значение могут иметь атмосферы 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.

Для получения высокой жаропрочности необходимо наличие в структуре частиц избыточных фаз-упрочнителей. Большинство жаропрочных сплавов термически упрочняются. В них частицы избыточных фаз образуются во время старения после закалки. В условиях длительной работы при высоких температурах в стареющих сплавах обычно трудно сохранить максимальную дисперсность выделений, обеспечивающих наименьшую скорость ползучести и высокую длительную прочность. Температура старения на максимальную прочность при низкой (комнатной) температуре составляет 0,5 – 0,6 T _пл, и поэтому во время эксплуатации при этих и более высоких температурах частицы коагулируют, увеличивается расстояние между ними и снижается эффект упрочнения.

Выделения, кристаллографически близкие матрице, дольше остаются когерентными и не коагулируют.

В целях хотя бы частичного предотвращения этого процесса легирующие элементы выбирают таким образом, чтобы избыточная фаза состояла из медленно диффундирующих компонентов и не содержала металла-основы. Такие фазы обычно представляют собой металлические соединения со сложной решеткой и высокой собственной жаропрочностью.

Максимальной жаропрочностью отличаются дисперсноупрочненные материалы, содержащие в матрице практически не взаимодействующие с ней частицы, например оксиды, карбиды или бориды. Скорость ползучести прямо пропорциональна квадрату расстояния l между частицами и обратно пропорциональна их линейному размеру h.

Следует отметить, что сплошные оторочки выделений избыточных фаз по границам зерен обычно благотворно сказываются на характеристиках жаропрочности (в противоположность низкотемпературной прочности и пластичности). Например, максимальная жаропрочность литейных сплавов, предназначенных для работы выше 0,6 – 0,7 T _пл, достигается, как показал А.А. Бочвар, образованием при кристаллизации сетчатых или скелетообразных включений тугоплавкой и не взаимодействующей с матрицей избыточной фазы.

Выделения образуются и в процессе ползучести, затрудняя ее развитие. Особенно эффективно повышают сопротивление ползучести образующиеся на дислокациях частицы.

Рассмотренные особенности влияния легирования на сопротивление ползучести и длительную прочность определяют основные требования к структуре жаропрочных сплавов. Она должна характеризоваться: 1) высокой легированностью твердого раствора медленно диффундирующими компонентами; 2) наличием дисперсных частиц фаз-упрочнителей; 3) стабильностью; 4) повышенной прочностью приграничных зон. Типичным примером реализации этих требований могут служить жаропрочные никелевые сплавы типа нимоник. Они содержат шесть-семь и более легирующих элементов, большинство которых полностью или частично входит в γ-твердый раствор на основе никеля (хром, титан, алюминий, молибден, вольфрам, кобальт). При этом некоторые из них, в первую очередь титан и алюминий, расходуются также на образование избыточной фазы γ’-Ni₃(Al,Ti), существенно дополнительно повышающей жаропрочность сплавов. Наконец, их легируют малыми добавками таких элементов, как бор, цирконий и др., которые способствуют упрочнению приграничных зон за счет образования там избыточных фаз, препятствующих зернограничному скольжению. К этому следует добавить, что при производстве как никелевых, так и других жаропрочных сплавов используются достаточно чистые шихтовые материалы со строго лимитированным количеством примесей, способных образовывать легкоплавкие составляющие (например, свинец, олово, сурьма и др.).

Ниже приведен диапазон изменения важнейших характеристик жаропрочности – пределов ползучести и 100-ч прочности жаропрочных сплавов на разной основе при температурах, типичных как рабочие для каждой из этих групп сплавов:

Металл-основа t, ° C σ_0,2/100’ МПа σ_100’ МПа

Молибден 1400 20 – 150 40 - 200

Никель 800 100 – 400 150 - 600

Железо 700 100 – 350 180 - 450

Медь 500 50 – 150 80 - 200

Титан 500 300 – 500 450 - 700

Алюминий 300 25 – 90 40 - 100

Магний 300 20 – 60 60 - 90

Видна четкая корреляция уровней σ_0,2/100’ и σ_100’ что вполне естественно, так как длительная прочность, несмотря на существенную зависимость от специфики разрушения, в целом определяется все-таки сопротивлением ползучести на всех ее стадиях.

Выше уже отмечалась важность морфологических характеристик выделений избыточных фаз: повышение жаропрочности тем существеннее, чем дисперснее частицы, меньше расстояние между ними, больше частиц на межзеренных границах. Иногда очень заметно влияют на характеристики жаропрочности и структурные параметры матрицы, в первую очередь размеры зерна и субзерна.

Рисунок 2. 87 - Зависимость скорости ползучести меди от размера зерна (Шерби, Буркэ)

Скорость ползучести заметно снижается при увеличении d только до ~100 мкм, дальнейшее укрупнение зерна уже почти не сказывается на v _n (рис. 2.87). Уменьшение v _n с увеличением d в области малых d связано с усилением вклада диффузионной ползучести по мере уменьшения размера зерна. Если зерно достаточно крупное и основным механизмом деформации при ползучести является дислокационное скольжение, то v _n почти не зависит от d. Это следует из полуэмпирического уравнения, связывающего скорость установившейся ползучести с действующим напряжением S, коэффициентом диффузии D, и размером зерна d:

v _n = (ADGb / kT) (b / d) ^p (SG)ⁿ,

где G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса; A, p и n – безразмерные константы.

При высокотемпературной дислокационной ползучести p = 0 и v _n, следовательно, не зависит от d. Если же деформация идет в результате диффузионной ползучести, то p = 2÷3 и v _n существенно повышается при уменьшении d.

Одно из объяснений неизменности скорости дислокационной ползучести при разном размере зерна может быть связано с протеканием динамической полигонизации внутри достаточно крупных зерен. Образующиеся субзерна, размер которых определяется в чистых металлах и твердых растворах в основном только напряжением, и контролируют скорость высокотемпературной ползучести. Размер субзерен, формирующийся на неустановившейся стадии и уже не меняющийся на установившейся, следующим образом связан с напряжением:

d _c3 = α Gb /σⁿ, (2.42)

где n ≈ 1.

В гетерофазных сплавах с дисперсными частицами размер субзерен зависит уже не от напряжения, а от расстояния между частицами избыточных фаз. При этом субструктура, сформировавшаяся в процессе обработки такого материала, обычно стабильна и мало меняется при ползучести. В то же время характер и количественные параметры исходной субструктуры однофазных материалов могут существенно меняться во время первой стадии высокотемпературной ползучести, пока размер субзерен не станет соответствовать уравнению (2.42). Следовательно, исходная субструктура металлов и твердых растворов должна слабо сказываться на характеристиках их жаропрочности.

Рисунок 2. 88 - Ускорение ползучести никеля при 965 0С в результате динамической рекристаллизации (Ричардсон, Селларз). Цифры у кривых – напряжение, МПа

Если исходная плотность дислокаций достаточно высока и (или) испытания ведут при высоких напряжениях, вызывающих быструю ползучесть, то на начальных ее стадиях возможно прохождение динамической рекристаллизации. В таких случаях на кривых ползучести наблюдается участок резкого ускорения деформации (в период формирования рекристаллизованных зерен), а затем скорость ползучести уменьшается, и вскоре начинается установившаяся стадия (рис. 2.88).