» » Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки
11.01.2015

Воздействие жидких металлов на твердые наблюдается не только при кратковременных механических испытаниях, но также и в условиях испытания на длительную прочность.
Испытания монокристаллических образцов на длительную прочность в жидкометаллической среде проведены при относительно небольших длительностях опыта — обычно до нескольких десятков часов. Временная зависимость прочности металлов (в моно- и поликристаллическом состоянии) в неактивной среде в таких условиях хорошо описывается, как показали С. Н. Журков с сотрудниками, следующим эмпирическим уравнением:
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

где τ — время до разрушения; T — абсолютная температура; σ — напряжение; k — постоянная Больцмана. В соответствии с уравнением (150) время до разрушения металлического образца при постоянной температуре увеличивается по экспоненциальному закону с уменьшением приложенного к нему постоянного напряжения. Опыты, проведенные В.И. Лихтманом с сотр. на монокристаллах, подтвердили справедливость уравнения (150), а «структурный фактор» — постоянная γ — оказался зависящим от ориентации монокристалла по отношению к растягивающей силе. В том случае, когда испытанию подвергались монокристаллические образцы с жидкометаллическим покрытием, характер изменения их прочности во времени был иным.
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

На рис. 93, а представлены результаты испытаний на длительную прочность монокристаллов цинка с исходной ориентацией плоскости базиса χ≈50° при температурах 20 и 50° С. Из графика видно, что если в воздушной среде происходит равномерное изменение времени до разрушения образцов с изменением напряжения, то образцы с ртутным покрытием разрушаются почти мгновенно при напряжении, близком к пределу текучести, а незначительное снижение напряжения приводит к резкому возрастанию времени до разрушения. Аналогичные результаты были получены при испытании монокристаллов цинка с тонкой поверхностной пленкой жидкого галлия. В этом случае также было обнаружено резкое изменение прочности в очень узком интервале напряжений. Практически для этого интервала не существует временной зависимости прочности, скорее он является, как показали Е.Д. Щукин и З.М. Занозина, порогом прочности.
Подобно монокристаллам разрушаются и поликристаллические образцы некоторых металлов. Например, порог прочности был обнаружен в опытах на длительную прочность с поликристаллическим цинком, покрытым ртутью (см. рис. 93, б), и с поликристаллическим кадмием, покрытым галлием. Установлено, что амальгамированные образцы поликристаллического цинка разрушаются при комнатной температуре за доли секунды при напряжении 1 кг/мм2; при напряжении, лишь немного меньшем 0,96 кг/мм2, разрушения в ртути не удалось получить (экстраполированное по данным испытаний на воздухе значение времени до разрушения при этом напряжении около 10в11 сек). Следует отметить, что пороговые напряжения приблизительно равны значениям хрупкой прочности, полученным при испытании на растяжение с постоянной скоростью деформации. Например, у поликристаллического цинка с ртутным покрытием пороговое напряжение и сопротивление отрыву приблизительно равны 1 кг/мм2.
При проведении опытов на длительную прочность, которыми было показано существование порога прочности, образцы обычно не испытывали при напряжениях, существенно более низких, чем значение порогового напряжения, так как время до разрушения было при этом очень велико. В тех случаях, когда такая возможность представлялась, обнаружено, что зависимости f (σ) в жидком металле и на воздухе совпадают. Такой результат получен, например, при испытании кадмия в галлии и ст. 50 в жидком сплаве Pb—Sn при температуре 400° С.
Однако совпадение линий длительной прочности в жидком металле и на воздухе может быть только временным, так как при испытании на ползучесть тех же материалов установлено влияние жидкометаллической среды, приводящее к ускорению процесса накопления пластической деформации во времени. В связи с тем, что ползучесть и длительная прочность — это единый процесс, увеличение скорости ползучести неизбежно должно привести к уменьшению времени до разрушения. Поэтому при достаточно длительных испытаниях (сотни, тысячи часов) и низких напряжениях временная зависимость прочности и у материалов, обнаруживших порог прочности, в жидкометаллической среде должна быть, подобной зависимости на воздухе, но значения времени до разрушения будут меньше, чем на воздухе. Таким образом, приходим к выводу о неизбежном снижении длительной прочности материалов под действием жидко металлической среды в области относительно низких напряжений и больших значений времени до разрушения.
Многочисленные исследования прочности конструкционных материалов при статической нагрузке и высокой температуре показали, что для больших длительностей опыта экспериментальные данные хорошо согласуются со степенной зависимостью времени до разрушения от приложенного напряжения
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

где А и n — постоянные материала, не зависящие от напряжения.
На рис. 94 приведены полученные автором диаграммы длительной прочности для различных материалов, испытанных в жидкометаллической среде и на воздухе. Медь марки M-1 испытывали на длительную прочность в жидком висмуте и на воздухе при температуре 350° С. Образцы вытачивали на токарном станке из прутка, они имели трубчатую рабочую часть с внутренним диаметром 10 мм, толщиной стенки 0,5 мм и длиной 50 мм. Жидкий металл заливали во внутреннюю полость образца, затем для устранения контакта его во время испытания с воздухом производили герметизацию внутреннего пространства припайкой к входному отверстию медной пробки. Контрольные образцы, о которых в дальнейшем будет говориться как об испытанных на воздухе, были заполнены аргоном, к входному их отверстию была также припаяна пробка. Испытание на длительную прочность проводили в условиях одноосного растяжения на машинах типа УЙМ-5. В пределах рабочей части образца и соответственно жидкометаллической ванны температура поддерживалась постоянной. Таким образом, условия испытания меди в жидком висмуте были статическими изотермическими. Как будет показано далее, определяющим фактором в воздействии жидкого висмута на медь является адсорбционный.
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

Из рис. 94, а видно, что под действием жидкого металла медь претерпела существенное снижение длительной прочности. Например, предел длительной прочности за 100 ч в жидком висмуте приблизительно в 5 раз ниже, чем на воздухе; с увеличением базы испытания различие в пределах длительной прочности непрерывно увеличивается. Характерно, что степенная зависимость длительной прочности сохраняется и в условиях воздействия жидкого металла.
Нa рис. 94, б приведены результаты испытаний на лительную прочность армко-железа в жидком цинке при температуре 500°С. Использовали такие же трубчатые точеные образцы, как и при испытании меди. После изготовления образцы подвергали отжигу в вакуумной печи (давление около 10в-4 мм рт. ст.) при температуре 600° С в течение двух часов. Жидкий металл находился во внутренней полости образца, герметизированной с помощью приварки железной пробки. Цинк при температуре 500° С чрезвычайно быстро диффундирует в железо. Диффузионный фактор, как будет показано позже (см. гл. 5), несет главную ответственность за снижение длительной прочности армко-железа в цинке; вместе с тем снижение длительной прочности связано также с действием коррозионного и адсорбционного факторов.
Из рис. 94, б следует, что в жидком цинке так же, как и на воздухе, длительная прочность армко-железа характеризуется плавным увеличением времени до разрушения с уменьшением напряжения. Однако уровень длительной прочности значительно ниже в жидком металле, чем на воздухе. Так, предел длительной прочности армко-железа за 100 ч в жидком цинке равен 4,1 кг/мм2, а на воздухе 9,8 кг/мм2. Различие же в значениях времени до разрушения при постоянном напряжении несоизмеримо больше. В этом случае приходится сравнивать в основном экстраполированные величины, так как испытания в жидком металле и на воздухе проведены из-за большого различия длительной прочности в этих средах при разных напряжениях.
На рис. 94, в изображена диаграмма длительной прочности стали ЭИ612 (X15H35B3T) в жидком литии и на воздухе при температуре 1000° С. Сталь испытывали после термической обработки по режиму: аустенитизация при 1180° с охлаждением в воде, старение при 780° в течение 10 ч и при 730° С в течение 25 ч. Образцы изготавливались, точением на токарном станке и имели те же размеры, что и образцы из первых двух материалов. К верхней части образцов приваривали трубочку длиной 400 мм из стали Х18Н10Т с таким же внутренним диаметром, как и у образца (рис. 95). Заполнение внутренней полости такого удлиненного образца жидким литием производилось на специальной фильтрационной установке при температуре, близкой к точке плавления лития. После заполнения образца в верхнюю часть трубочки вставляли термопарный карман и приваривали к ней. Свободное пространство в трубочке над поверхностью лития заполняли аргоном. Таким образом, и в этих опытах была устранена возможность изменения химического состава жидкого металла вследствие взаимодействия с воздухом.
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

Во время испытания на длительную прочность рабочая часть образца и жидкий металл, находящийся с ней в контакте, поддерживались при постоянной заданной температуре; температура трубочки и жидкого металла в ней была ниже температуры рабочей части образца, причем в направлении от образца к верхней части трубочки происходило непрерывное понижение температуры. Благодаря этому во внутренней полости образца происходило во время испытания на длительную прочность конвективное движение жидкого металла, а материал рабочей части подвергался непрерывному растворению вследствие процесса термического переноса массы в таких условиях. Испытания проводили на машинах Краснодарского машиностроительного завода, для которых были наготовлены специальные полые верхние захваты, позволяющие размещать внутри их удлинительную трубочку (см. рис. 95).
Вo всех опытах поддерживалась постоянная разность температур между горячей и холодной зонами (рабочая часть образца и верхняя часть трубочки соответственно), равная 500° С. Подробно методика испытания на длительную прочность в конвективном потоке жидкого металла описана в работах.
В соответствии со сказанным вышe определяющим фактором при поражении твердого металла в конвективном потоке жидкого металла является коррозионный, обусловленный термическим переносом массы. Из рис. 94, в видно, что в таких условиях испытания происходит снижение длительной прочности материала. Сталь ЭИ612 обнаруживает закономерное снижение прочности с увеличением длительности испытания в жидком литии.
Таким образом, в области низких напряжений и больших длительностей опыта в жидком металле, как и в неактивной среде, соблюдается степенная зависимость времени до разрушения от напряжения (см. рис. 94). Этот факт имеет существенное практическое значение, так как дает возможность легко проводить экстраполяцию для определения служебных свойств материалов, предназначенных для долговременной эксплуатации. Степенной закон длительной прочности позволяет записать следующее выражение для коэффициента снижения времени до разрушения в жидком металле Kт, равного отношению времени до разрушения в среде жидкого металла ко времени до разрушения на воздухе при одинаковом напряжении и постоянной температуре:
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

где символы с индексом «ж» относятся к результатам испытаний в жидком металле, символы без индексов — к результатам испытаний на воздухе.
Для характеристики влияния жидкого металла в условиях длительной прочности удобно также использовать другой коэффициент, равный отношению пределов длительной прочности в жидкометаллической среде и на воздухе при одинаковой продолжительности испытания и постоянной температуре. В соответствии со степенной зависимостью прочности (151) выражение для этого коэффициента имеет вид
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

На основании уравнений (152) и (153) зависимость первого коэффициента от напряжения и второго от времени в логарифмических координатах выражается прямой линией. Это представляет большие удобства для сопоставления интенсивности действия в условиях длительной прочности различных жидких металлов на какой-либо твердый металл или для сравнения стойкости различных твердых металлов к воздействию одного и того же расплавленного.
Общие закономерности разрушения при длительном действии статической нагрузки

Разрушение в жидких металлах при статической постоянной нагрузке происходит не только преждевременно, но и с меньшей пластичностью. В табл. 44 приведены значения относительного удлинения при разрушении образцов меди, армко-железа и стали ЭИ612, диаграммы длительной прочности которых представлены на рис. 94. Данные табл. 44 показывают, что для всех трех материалов характерно разрушение в жидком металле при более низком относительном удлинении, чем на воздухе. Например, медные образцы при испытании на воздухе обычно накапливают к моменту разрушения деформацию в несколько процентов, тогда как разрушение в жидком висмуте происходит при относительном удлинении, равном 0,15—0,28%. Следует подчеркнуть, что значения относительного удлинения нужно сравнивать для приблизительно одинаковой длительности испытаний материалов на воздухе и в жидком металле, так как с увеличением времени до разрушения пластичность обычно падает как вследствие специфики самого процесса длительной прочности, так и вследствие усиления влияния жидкого металла при больших выдержках.
Характерной особенностью длительного разрушения твердых металлов в жидкометаллической среде является межкристаллитное распространение трещин. Следует отменить, что по границам зерен распространяется не только та трещина, которая приводит к разделению образца на две части, но и другие, менее развитые трещины. Межкристаллитное разрушение материала в жидкометаллической среде происходит и в том случае, если в неактивной среде материал разрушается только по зерну.
Закономерное снижение прочности материалов с увеличением продолжительности испытания в жидком металле, протекающее с большей интенсивностью, чем на воздухе, наблюдалось многими исследователями. Например, в работе описано снижение длительной прочности сплава на никелевой основе марки ЭИ437А в жидком висмуте и эвтектике Pb—Bi при температуре 700° С; в работах приводятся данные по преждевременному разрушению латуни в жидкой ртути; в работе сообщается о снижении длительной прочности меди и латуней в жидком олове и припоях.
Таким образом, описанное выше влияние жидких металлов на временную зависимость прочности твердых металлов в области низких напряжений и больших значений времени до разрушения имеет общий характер и наблюдается при испытании различных пар твердый — жидкий металлы. Однако не следует считать, что такого рода взаимодействие происходит в любом жидком металле при большой продолжительности опыта. He было отмечено, например, влияния жидкого натрия на длительную прочность хромоникелевых аустенитных сталей типа 18-8 при испытании в статических изотермических условиях при температуре 540/700° С; не изменилась длительная прочность ст. 50 под действием эвтектики Pb—Bi при температуре 400° С и эвтектики Pb—Sn при 500° C. Следовательно, при испытании материалов на длительную прочность, так же как и при кратковременных механических испытаниях, действие жидких металлов является избирательным.
Итак, под действием жидких металлов временная зависимость прочности твердых металлов изменяется, во-первых, в области высоких напряжений и малых значений времени до разрушения, благодаря чему появляется порог прочности и, во-вторых, в области низких напряжений и больших значений времени до разрушения, где характер зависимости между напряжением и временем до разрушения остается степенным, как и в неактивной среде, но разрушение при тех же напряжениях происходит за относительно более короткие промежутки времени. По существу длительной прочностью, в обычном понимании этого эффекта, является вторая область. Поэтому далее, говоря о влиянии жидких металлов на твердые в условиях испытания на длительную прочность, будем иметь в виду именно эту область.