» » Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде
11.01.2015

Жидкометаллическая среда оказывает во многих случаях влияние на процесс ползучести твердых металлов под постоянным напряжением. Это влияние заключается в облегчении процесса деформации, увеличении скорости ползучести в жидком металле по сравнению с неактивной средой при одинаковом в обоих опытах на ползучесть напряжении. Установлено, что твердые металлы испытывают действие жидкометаллической среды в условиях ползучести, находясь и в моно- и поликристаллическом состояниях.
Испытания монокристаллов на ползучесть в жидком металле впервые проведены В.И. Лихтманом, В.А. Лабзиным, Н.В. Перцовым и Ю.В. Горюновым. Производилось одноосное растяжение образцов с цилиндрической рабочей частью диаметром 0,5/1 мм и длиной 10/15 мм. Жидкий металл наносился на поверхность образцов электролитическим или химическим способом. Толщина покрытия обычно составляла 5 мкм. На рис. 105 показаны характерные кривые ползучести монокристаллов цинка, чистых и покрытых жидким оловом, при температуре 350° С и напряжении 19,1 г/мм2. Из рисунка видно, что под действием жидкого металла пластическая деформация цинка протекает со значительно большей скоростью. Рассмотрение взаимного расположения кривых позволяет заключить, что скорость ползучести монокристаллов цинка в жидком олове больше, чем на воздухе, а на первом периоде (затухающая ползучесть), и на втором периоде (стационарная ползучесть). Измерения начальной скорости ползучести цинка показали, что эта характеристика процесса также больше при испытании монокристаллов в жидком металле, чем на воздухе. При увеличении напряжения начальная скорость ползучести монокристаллов цинка в олове закономерно возрастает так же, как и при испытании на воздухе, но всегда имеет большую величину.
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

Следует отметить, что влияние жидкометаллических покрытий на ползучесть монокристаллов наблюдается при температурах и ниже, и выше порога вынужденной хладноломкости.
Испытания на ползучесть монокристаллов цинка в ртути, проведенные при комнатной температуре, дали более сложную картину действия жидкого металла, чем установленная в опытах с цинком, покрытым оловом. В этом случае оказалось, что при высоких напряжениях, близких к пределу текучести, монокристаллы под действием ртути упрочняются, т. е. деформируются с меньшей скоростью, чем при том же напряжении на воздухе. При напряжениях меньшей величины, например 0,7 предела текучести, ртуть так же, как и олово, вызывает облегчение пластической деформации цинка. Такое своеобразное действие ртути связано с влиянием в данном случае ее объемной диффузии в цинке. При высоких напряжениях и соответственно более интенсивной пластической деформации диффузия происходит с большей скоростью. Это приводит, в свою очередь, к блокировке источников сдвигообразования в большей степени, чем при низких напряжениях.
Упрочнение цинка вследствие объемной диффузии ртути подтверждено опытами по растяжению монокристаллов при температуре жидкого азота после их выдержки в контакте с ртутью при комнатной температуре. Оказалось, по нормальные и скалывающие напряжения при разрыве монокристаллов непрерывно увеличиваются при увеличении диффузионной выдержки.
Упрочнение вследствие легирования в условиях ползучести наблюдалось также при испытании монокристаллов кадмия и олова в жидкой ртути. Однако действие диффузионного фактора в этих опытах не характерно. Пo всей вероятности, оно .специфично для испытания пары твердый — жидкий металлы, не слишком различающихся значениями температур их плавления. Если температура плавления металла-покрытия намного ниже температуры плавления деформируемого металла, то диффузионное воздействие так же, как и адсорбционное, приводит к облегчению процесса пластической деформации под постоянным напряжением.
Опыты, проведенные на поликристаллических металлах, показали, что они, подобно монокристаллам, обнаруживают увеличение скорости ползучести под действием жидкометаллической среды. Влияние расплавленного металла в этом случае также наблюдается на первой и второй стадиях процесса. Взаимное расположение кривых ползучести деформация — время у поликристаллических образцов, испытанных в контакте с жидким металлом и на воздухе, такое же, как показано для монокристаллов цинка на рис. 105.
Обычно в широкой области напряжений и величин скоростей ползучести металла зависимость между ними хорошо описывается степенным уравнением
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

где v — скорость установившейся ползучести; с и m — постоянные материала, не зависящие от напряжения.
Испытания на ползучесть в жидкометаллической среде показали, что уравнение (159) соблюдается и в этом случае. В качестве примера на рис. 106, б приведена зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения для меди марки М-1, испытанной при температуре 350° С на воздухе и в жидком висмуте. Опыты проводились на трубчатых точеных образцах с внутренним диаметром рабочей части 10 мм, толщиной стенки 0,5 мм и длиной 50 мм. Условия испытания в жидком металле были статическими изотермическими и соответствовали ранее. До испытания на ползучесть образцы подвергались отжигу в вакууме (около 10в-4 мм рт. ст.) при температуре 600° С в течение 2 ч.
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

Из рис. 106, б видно, что в логарифмических координатах зависимость скорости стационарной ползучести меди в жидком висмуте так же, как и на воздухе, выражается прямой линией, т. е. соответствует уравнению типа (158). Однако линия, отвечающая испытаниям в жидком висмуте, располагается на этом графике ниже линии, отвечающей испытаниям на воздухе. Это означает, что при одинаковых напряжениях скорость установившейся ползучести меди в висмуте больше, чем на воздухе. Из рис. 106, б следует также, что с уменьшением напряжения относительная разница скоростей ползучести в жидком металле и на воздухе увеличивается.
Ввиду того, что при испытании на ползучесть твердого металла в жидком справедливо уравнение типа (159) так же, как и при испытании на воздухе, степень воздействия жидкого металла удобно характеризовать величиной отношения скорости ползучести в жидком металле к скорости ползучести на воздухе при одинаковом напряжении. Это экспериментально полученное отношение можно назвать коэффициентом влияния жидкого металла или коэффициентом увеличения скорости установившейся ползучести в жидком металле. Выражение для него имеет вид
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

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 на скоростей установившейся ползучести твердого металла можно также использовать другой коэффициент, равный отношению пределов ползучести в жидком металле и на воздухе, соответствующих одинаковой величине скорости ползучести. Этот коэффициент удобно использовать при оценке влияния температуры, когда имеется несколько изотерм, подобных представленным на рис. 106. Коэффициент снижения предела ползучести твердого металла в жидком в соответствии с уравнением (159) имеет степенную зависимость от скорости ползучести
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

Вследствие увеличения скорости ползучести в жидкометаллической среде значения первого коэффициента большe единицы, а второго — меньше. Если жидкий металл не влияет на скорость ползучести твердого, то пол коэффициента равны единице.
Под действием жидкого металла пластическая деформация твердого металла протекает с большей скоростью не только на стадии установившейся ползучести, но, как указывалось ранее, и на стадии затухающей ползучести. О влиянии жидкого металла на процесс ползучести на первом периоде можно получить информацию, сопоставляя величины средней скорости ползучести на этом периоде у образцов, испытывающихся в жидкометаллической среде и на воздухе. Среднюю скорость v1 будем подсчитывать как отношение удлинения δ1, накопленного образцом за первый период, к продолжительности периода τ1, т. е. v1=δ1/τ1. На рис. 106, а изображена зависимость средней скорости ползучести на первом периоде от напряжения для отожженной меди марки M-1 при температуре 350° С. Оказывается, между этими величинами хорошо соблюдается степенная связь. Видно, что линии, построенные по результатам испытания меди в жидком металле и на воздухе, разделяются. Величина средней скорости ползучести на первом периоде так же, как и установившейся скорости ползучести при испытании меди в жидком висмуте, больше, чем при испытании на воздухе, и относительная разница между ними возрастает с уменьшением напряжения.
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

Воздействие жидкого металла на твердый, испытывающийся на ползучесть, приводит к сокращению продолжительности всех периодов ползучести. На рис. 107 показаны зависимости продолжительности первого, второго и третьего периодов и относительного удлинения, соответствующею этим периодам, от напряжения для меди марки М-1, испытанной на воздухе и в жидком висмуте. Из графиков видно, что действие жидкого металла сказывается на длительности периодов ползучести и величине относительного удлинения на третьем периоде, но не вызывает изменения относительного удлинения на первом и втором периодах.
Общие закономерности ползучести твердых металлов в жидкометаллической среде

Воздействие жидкого висмута на медь определяется, как будет показано дальше, адсорбционным фактором. Ho закономерности изменения характеристик ползучести, описанные выше, соблюдаются также и в случае определяющего действия других факторов. На рис. 108 приведена зависимость от напряжения скорости стационарной ползучести стали 1Х14Н14МЗБ при температуре 700° С на воздухе и в конвективном потоке натрия. Из графика следует, что в условиях действия термического переноса массы степенная зависимость скорости ползучести от напряжения сохраняется. Жидкий металл, оказывающий коррозионное действие, вызывает увеличение скорости ползучести, причем эффект тем больше, чем ниже напряжение. Испытаниями армко-железа в жидком цинке установлено, что действие диффузионного фактора на скорость ползучести подобно действию адсорбционного и коррозионного факторов.
Влияние жидких металлов на процесс ползучести твердых наблюдается не только в случае одноосного растяжения. В работах описаны опыты по испытанию на ползучесть монокристаллических образцов в условиях кручения. Установлено, что закономерности влияния жидкометаллических покрытий на процесс ползучести монокристаллов при постоянном крутящем моменте такие же, как и при постоянной растягивающей силе.