2. Жаропрочность

Жаропрочность — это способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки. Оно может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало, если нагрузка действует длительное время.

Вместе с тем чем выше температура металла, тем ниже и разрушающие напряжения при данной продолжительности воздействия

(кликните для просмотра скана)

нагрузки. Следовательно, в общем случае при повышенных температурах прочность металла определяется двумя факторами — температурой и временем.

На рис. 327 приведена зависимость прочности от продолжительности приложения нагрузки при разных температурах. Такого вида диаграммы справедливы для многих металлов и сплавов, так что представленную зависимость следует рассматривать в принципе как общую для металлов. Как видно из диаграммы, при пониженной температуре прочность металлов мало зависит от продолжительности воздействия нагрузки и при напряжении ниже разрушение практически никогда не произойдет.

Рис. 327. Зависимость прочности от продолжительности испытания

Рис. 328. Предел прочности железа в зависимости от температурь» испытаний (заштрихована область напряжений, вызывающих ползучесть)

При более высоких температурах зависимость прочности от времени воздействия нагрузки становится сильнее (что видно по возрастанию угла наклона прямых).

Выше некоторых температур прочность так быстро снижается с увеличением продолжительности испытания, что указание одного значения прочности без одновременного указания продолжительности воздействия нагрузки уже лишено технического смысла. Действительно, при (см. рис. 327) напряжение о, вызовет разрушение через 10 с, а напряжение вызовет разрушение уже через 10 с, т. е. в 10 000 раз быстрее.

Из изложенного следует, что при низких температурах влиянием фактора времени можно пренебречь, а при высоких — он имеет решающее значение.

При высоких температурах для оценки прочности металла надо учитывать фактор времени. В этом случае прочность характеризуют длительной прочностью.

Длительная прочность — это предел прочности для данной температуры, разрушение будет иметь место после определенного времени воздействия.

Длительная прочность обозначается греческой буквой а (сигма) с индексом, показывающим продолжительность воздействия напряжений в часах (например, — напряжение, вызывающее разрушение металла за

На рис. 328 приведена температурная зависимость прочности для железа,

Для железа и его сплавов прочность при выше прочности при комнатной температуре, а пластичность и вязкость ниже (на рис. 328 не показано). Явление это носит название синеломкости, так как одновременно с повышением прочности при этих температурах наблюдается и. снижение вязкости.

Рис. 329. Кривая ползучести

Нижняя кривая, которая начинается от показывает прочность железа при чрезвычайно малой скорости испытания; верхняя кривая приведена для скоростей, обычных при испытании на разрыв металлических образцов (скорости деформирования 3-5 мм/мин). Следовательно, температура для железа является температурой, выше которой металл приобретает заметную чувствительность к скорости испытания.

Если нагрузка может превзойти величины, указанные верхней кривой, то разрушение произойдет в процессе возрастания нагрузки.

Если величина напряжения будет мёньше величины указанной нижней кривой, то разрушение при данном напряжении не произойдет. Наконец, если напряжения лежат внутри заштрихованной области, то разрушение произойдет через промежуток времени тем меньший, чем ближе значение напряжения находится у верхней кривой.

Напряжение, величина которого находится в заштрихованном интервале, деформирует металл во времени. Это явление, т. е. деформация металла во времени под действием напряжения, постоянного по величине, называется ползучестью.

Процесс ползучести исследуют на специальных установках, на которых автоматически записывается так называемая кривая ползучести, характеризующая деформацию образца во времени под действием постоянного напряжения. Типичная кривая ползучести представлена на рис. 329. На кривой ползучести отметим несколько участков.

Участок ОА — упругая и пластическая деформации, возникшие в момент приложения нагрузки.

Участок — так называемый неустановившийся участок на кривой ползучести. Металл деформируется с неравномерной (замедляющейся) скоростью.

Участок — так называемый участок установившегося режима ползучести. Металл деформируется с постоянной скоростью. Тангенс угла наклона прямой характеризует скорость ползучести.

Участок — последний этап ползучести, которая происходит при непрерывном ускорении процесса и заканчивается разрушением в точке

Явления, происходящие в металле и связанные с процессами ползучести, можно кратко описать так.

Пластическая деформация (наклеп) вызывает упрочнение металла. При высокой температуре, когда подвижность атомов достаточно велика, происходит снятие упрочнения (наклепа), вызванного пластической деформацией, т. е. динамическая рекристаллизация. Таким образом, в процессе ползучести происходят два конкурирующих процесса: упрочнение металла пластической деформацией и снятие упрочнения под воздействием повышенной температуры.

Ниже температуры, при которой с заметной скоростью протекает процесс разупрочнения (для железа явление ползучести практически не наблюдается. Следовательно, температура разупрочнения определяет температурную границу, выше которой металл «ползет».

Если при данной температуре (может быть, и лежащей выше температуры рекристаллизации) значение напряжения ниже предела упругости металла при данной температуре, то очевидно, что напряжение вызовет только упругие деформации. Если нет пластической деформации, то нет упрочнения, разупрочнения и ползучести.

Следовательно, явление ползучести будет обнаруживаться в следующих случаях; а) при температурах выше температуры рекристаллизации; б) при напряжениях выше предела упругости.

Из этого следует, что скорость ползучести будет тем больше, чем быстрее разупрочняется металл под действием рекристаллизационных процессов (определяемых силой межатомных связей) и чем ниже прочность при кратковременных испытаниях.

Чтобы полностью устранить явления ползучести, необходимо температуру рекристаллизации металла поднять выше рабочей температуры или увеличить предел упругости выше рабочего напряжения при данной температуре.

Однако осуществить эти условия не всегда возможно, и часто в конструкциях не удается полностью устранить ползучесть, и поэтому ее только замедляют. Поскольку скорость ползучести зависит от состава и строения металла, стремятся уменьшить ее соответствующим легированием или термической обработкой. При этом уменьшается скорость процессов разупрочнения при заданных

температурах, что достигается тогда, когда возрастают атомные связи в металле и уменьшается величина пластической деформации, вызванной данным напряжением, путем повышения прочности сплава при данной температуре.

Ранее уже отмечали, что чем выше температура плавления металла, тем выше и температура его рекристаллизации. Поэтому для изготовления жаропрочных деталей применяют металлы с высокой температурой плавления.

Рис. 330. Зависимость длительной прочности от температуры сплавов: 1 — молибдена; 2 — никеля; 3 — кобальта; 4 — сплава типа ХНЗб; 5 — аустенятные стали; 6 — теплоустойчивые стали; 7 — титана; 8 — алюминия

Так как даже кратковременная прочность быстро падаел при приближении к температуре плавления, то практически максимальная абсолютная рабочая температура не может превосходить значений, равных от абсолютной температуры плавления. В связи с этим жаропрочные алюминиевые сплавы предназначаются для рабочих температур не выше (для алюминия сплава на основе железа — не выше (для железа ), а сплавы на основе молибдена (для молибдена — не выше

На рис. 330 приведены жаропрочные свойства сплавов, основой которых являются различные металлы. Наиболее жаропрочными являются сплавы молибдена, что обусловлено в первую очередь высокой температурой плавления основного металла этих сплавов (молибдена), наименее жаропрочными — сплавы алюминия, имеющие низкую температуру плавления.

Однако температура плавления не дает точного указания на предельную рабочую температуру. Для одних сплавов эта температура

составляет 0,7-0,8 от абсолютной температуры плавления, для других она меньше 0,5.

Жаропрочность сплавов каждой группы можно варьировать в известных пределах, что характеризуется полосами разброса, определяемыми легированием сплава и его структурным состоянием (см. рис. 331, в).

Итак, жаропрочные свойства в первую очередь определяются природой основного компонента сплава, затем его легированием и, наконец, режимами предшествовавшей термической обработки, приводящей сплав в то или иное структурное состояние. Как видно из рис. 330, полосы жаропрочности сужаются с повышением температуры: это значит, что влияние легирования и термической обработки (структурного состояния) уменьшается с повышением температуры.

Рассматривая в историческом аспекте развитие жаропрочных сплавов, можно прийти к заключению, что для каждой группы сплавов уже достигнут предел и, тем не менее, все же есть пути совершенствования жаропрочных сплавов.

1. Освоен ряд новых процессов, обеспечивающих получение металла не только повышенной чистоты в отношении вредных примесей, но и повышенной плотности путем формирования направленного фронта кристаллизации.

2. Появились и осваиваются новые процессы деформирования; и некоторые сплавы весьма высокой степени легирования и жаропрочности, считавшиеся ранее непригодными для применения в деформированном состоянии, теперь могут использоваться.

3. Элементы, которые ранее считались «экзотическими» и недопустимыми для применения, теперь могут, разумеется, в ограниченном масштабе, использоваться и как легирующие компоненты, и как основа сплавов (тантал, рений, гафний, ниобий и др.).

4. Появились принципиально новые идеи создания изделий из жаропрочных сплавов (из композиционных, монокристальных, порошковых материалов и др.).

5. Значительно расширились и углубились представления о природе металлических материалов, о природе прочности и жаропрочности; совершенствуется методика испытаний.

Не следует думать, что одно только изменение технологии само по себе приведет к повышению жаропрочности. Применение новых технологических процессов производства и обработки сплавов дает повышение жаропрочности лишь при одновременном изменении химического состава.

Так, например, при одинаковом составе по основным легирующим компонентам жаропрочность более чистого, вакуумного металла не повышается, а даже несколько понижается, но большая пластичность более чистого металла позволяет увеличить объем упрочняющей дисперсной фазы и тем самым достичь большей жаропрочности. То же надо сказать и об изготовлении сплавов методом порошковой металлургии. Надо полагать, что это обстоятельство обусловлено более высокой растворимостью упрочняющей фазы в чистом металле и образованием большого объема дисперсных включений, повышающих жаропрочность.