» » Три фактора, определяющие воздействие жидких металлов
11.01.2015

Ранее уже указывалось, что воздействие жидких металлов на твердые в процессе деформации может быть вызвано тремя факторами: адсорбционным, диффузионным и коррозионным. Некоторые эффекты, обусловленные влиянием каждого из них, были описаны ранее. При этом проявление каждого фактора обычно было связано с особыми условиями эксперимента, которые выбирали таким образом, чтобы продемонстрировать действие именно этого фактора. Следует ожидать, что во многих случаях, особенно при длительной работе материала, воздействие жидкометаллической среды может явиться результатом влияния всех трех факторов. Поэтому представляет интерес поставить опыт таким образом, чтобы, не отдавая заранее предпочтения ни одному из вышеуказанных факторов и устраняя последовательно действие каждого из них, выяснить, каковы характер и относительная доля влияния их в отдельности.
Было решено провести испытание на длительную прочность армко-железа в жидком цинке. Известно, что цинк диффундирует в железо уже при сравнительно низких температурах, причем диффузия цинка пропекает с достаточно высокой скоростью. Например, по данным работы, при температуре 500° С всего лишь зa 10 мин цинк проникает в железо на глубину 75 мкм. Известно также, что железо подвергается коррозии в жидком цинке, которая связана прежде всего с растворением. Экспериментально установлено, что цинк смачивает железо, следовательно, он является адсорбционно-активной средой. Таким образом, принципиально возможно проявление действия всех трех факторов — адсорбционного, коррозионного и диффузионного — при деформации железа в жидком цинке.
Испытания армко-железа на длительную прочность проводили при температуре 500° С. Использовали трубчатые точеные образцы; наружный диаметр их расчетной части составлял 11 мм, толщина стенки 0,5 мм. После изготовления образцы подвергали отжигу в вакууме (около 10в-4 мм рт. ст.) при температуре 600° С в течение 5 ч. Жидкий металл во время испытания находился во внутренней полости образца. Герметичность внутреннего объема создавалась приваркой пробки, изготовленной так же, как и образец, из армко-железа. Перед сваркой свободное пространство под пробкой продувалось аргоном. Образцы испытывали на длительную прочность при одноосном растяжении в машинах типа УИМ-5.
Для выяснения роли адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов в эффекте снижения длительной прочности железа в цинке проведены четыре серии испытаний. На образцах первой серии испытывали свойства армко-железа в отсутствие влияния жидкого металла. Эти образцы не были заполнены жидким металлом, но внутренняя полость их была герметизирована пробкой. Образцы второй серии были заполнены цинком (применялся цинк марки ЦВ). Испытание этих образцов должно было показать изменение длительной прочности железа в случае, когда адсорбционный, коррозионный и диффузионный факторы действуют одновременно. Третья серия образцов заполнялась цинком, насыщенным железом. Насыщение цинка производилось путем выдержки его при температуре 600° С в течение 50 ч в бачке из армко-железа, содержащем железную стружку. Таким образом, при испытании образцов третьей серии коррозионное воздействие жидкого металла было исключено и, следовательно, изменение длительной прочности могло быть вызвано только адсорбционными эффектами и диффузией цинка в железо.
Следует отметить, что железо образует с цинком интерметаллические соединения, так что, строго говоря, коррозионное воздействие цинка на железо связано с растворением и с образованием интерметаллидов. Однако ввиду того, что образование слоя интерметаллических соединений может привести только к увеличению времени до разрушения образца в случае хорошего сцепления с поверхностью, как это было установлено, например, при испытании материалов на усталость, при рассмотрении эффекта снижения длительной прочности под коррозионным фактором следует подразумевать лишь процесс растворения железа в жидком металле. В дальнейшем будет показано, что сцепление слоя железоцинковых интерметаллидов с поверхностью образца в рассматриваемых опытах было, плохое. Это дает возможность в данном случае ограничиться учетом влияния только процесса растворения.
Образцы четвертой серии заполняли порошком железоцинкового сплава, который не плавился при температуре испытания на длительную прочность 500° С. Сплав был приготовлен таким образом (содержание железа около 1,5 вес.%), чтобы температура его плавления составляла 600—650° С. Следовательно, в контакте со стенкой образца в этом случае находился не жидкий металл, а мелкодисперсный порошок. Так как температура его плавления лишь немного превышает температуру опыта и при засыпании в образец он хорошо уплотнялся, то уже за сравнительно короткое время этот порошок спекается и внутренняя поверхность образца представляет собой границу двух твердых фаз. Очевидно, свободная поверхностная энергия такой границы выше, чем энергия границы твердое железо — жидкий цинк. Поэтому образцы четвертой серии должны обладать большей длительной прочностью, чем образцы третьей серии. Повышение длительной прочности в данном случае связано с ослаблением влияния адсорбционного фактора.
Диффузионный фактор при испытании образцов четвертой серии действовал в той же мере, как и при испытании образцов третьей серии. Некоторое различие возможно лишь при кратковременных испытаниях; что же касается образцов, испытывавшихся десятки и сотни часов, то, безусловно, диффузионное воздействие среды на них было одинаковым.
Три фактора, определяющие воздействие жидких металлов

Результаты испытаний на длительную прочность в виде зависимости времени до разрушения от напряжения приведены на рис. 121. Как видно из графика, цинк является весьма агрессивной средой по отношению к железу. Если предел длительной прочности армко-железа за 1000 ч в отсутствие влияния жидкого металла составляет 8,5 кг/мм2, то в цинке — всего лишь 2,2 кг/мм2. Действие цинка на армко-железо ослабляется в результате насыщения жидкого металла железом, т. е. вследствие устранения влияния коррозионного фактора. В этом случае предел длительной прочности равен 3,0 кг/мм2. Ослабление действия адсорбционного фактора приводит к дальнейшему повышению длительной прочности армко-железа: предел длительной прочности, по данным испытаний образцов четвертой серии, равен 3,6 кг/мм2.
Влияние среды во всех случаях увеличивается с увеличением продолжительности испытания и соответственно с понижением приложенного к образцу напряжения. Степенная зависимость между напряжением и временем до разрушения соблюдается при испытании образцов всех серий.
Три фактора, определяющие воздействие жидких металлов

Воздействие цинка приводит не только к сокращению общего времени жизни образцов, но также и отдельных периодов ползучести (рис. 122). Причем наибольшее сокращение продолжительности второго и третьего периодов ползучести вызывает чистый цинк.
Относительное удлинение, накапливаемое образцами в течение ползучести за время до разрушения, также сокращается в результате действия цинка. Так, если удлинение образцов, испытанных без цинка, колеблется в интервале от 10 до 18%, то у находившихся в контакте с цинком — в интервале от 2 до 10%.
Три фактора, определяющие воздействие жидких металлов

Воздействие цинка проявляется и в увеличении скорости ползучести армко-железа. Из рис. 123 видно, что в наибольшей степени увеличивается скорость стационарной ползучести в жидком цинке, причем результаты для чистой среды и среды, насыщенной железом, совпадают. Следовательно, в данном случае устранение коррозионного фактора не сказалось на величине скорости ползучести железа. Диффузионное влияние цинка, как показывают результаты испытаний образцов четвертой серии, тоже способствует возрастанию скорости ползучести армко-железа. Разница в величинах скорости ползучести на воздухе и в контакте с цинком увеличивается при понижении напряжения. Степенная зависимость между приложенным напряжением и скоростью установившейся ползучести соблюдается при испытании образцов на воздухе и в контакте с цинком. Закономерности изменения скорости стационарной ползучести аналогичны закономерностям изменения средних скоростей ползучести на первом и третьем периодах.
Исследование микроструктуры образцов длительной прочности после их разрушения показало, что воздействие цинка во всех случаях приводит к увеличению количества межкристаллитных трещин. У образцов, испытывавшихся длительное время, разобщены трещинами почти все зерна, расположенные в поверхностном слое (рис. 124).
Три фактора, определяющие воздействие жидких металлов

Рассмотрение микроструктуры границы железо — цинк показало, что хорошего сцепления интерметаллидной пленки с поверхностью образца нет. Отмечено появление новой фазы по границам зерен у образцов, длительное время испытывавших воздействие цинка. Эта фаза представляет собой, по-видимому, железо-цинковый сплав с высокой концентрацией цинка, выделяющийся при охлаждении образца.
Описанные выше изменения процессов ползучести и длительной прочности являются следствием действия коррозионного, адсорбционного и диффузионного факторов. Роль коррозии видна из сопоставления результатов испытаний на длительную прочность в чистом и насыщенном цинке (см. рис. 121). Сравнивая пределы длительной прочности за 1000 ч, видим, что воздействие чистого цинка приводит к снижению предела относительно исходного значения на 74%, тогда как в отсутствие влияния коррозионного фактора материал испытывает снижение этого же предела на 65%. Коррозионное воздействие цинка на армко-железо проявляется в данном случае в общем растворении и особенно в разрушении межкристаллитных зон, которые находятся в энергетически менее выгодных условиях, чем участки металла внутри кристаллитов.
О влиянии адсорбционного фактора при деформации железа в жидком цинке свидетельствуют временная зависимость прочности (см. рис. 121) и зависимость скорости ползучести от напряжения (рис. 123). Сравнение результатов испытания образцов третьей и четвертой серий показывает, что понижение свободной поверхностной энергии границы деформируемый металл — среда приводит к уменьшению времени до разрушения и увеличению скорости ползучести при одинаковом значении напряжения.
Диффузионное влияние жидкого цинка на армко-железо подтверждается уменьшением времени до разрушения и увеличением скорости ползучести образцов, находившихся в контакте с твердым железо-цинковым сплавом, по сравнению с образцами, внутреннее пространство которых было заполнено аргоном (см. рис. 121 и 123). Диффузионное проникновение цинка в стенку образцов было определено непосредственно химическим спектральным анализом. Оказалось, что цинк появляется вблизи наружной поверхности у тех образцов, которые испытывались более 100 ч. Если исходить при определении коэффициента диффузии из зависимости D≈l2/t, где l — расстояние, t — время, то порядок величины эффективного коэффициента диффузии цинка в железе получаем равным 1*10в-8 см2/сев. Присутствие цинка в материале образцов было обнаружено и металлографическим анализом (рис. 124).
Влияние диффузионного фактора на ползучесть и длительную прочность армко-железа в цинке подтверждается также следующим опытом. Два образца, заполненные цинком, насыщенным железом, были выдержаны в печи в ненагруженном состоянии при температуре 500° С один в течение 38, другой — в течение 200 ч. Время их издержки соответствовало времени до разрушения образцов четвертой серии, испытанных при напряжениях 7 и 5 кг/мм2 соответственно. Таким образом, количество цинка, продиффундировавшего в материал образцов, у них было приблизительно одинаковым (если не учитывать влияния на диффузию напряжений и пластической деформации). После выдержки и очистки внутренней поверхности от цинка (выплавление жидкого металла с последующим травлением в 20%-ном растворе NaOH) образцы были испытаны на длительную прочность при напряжении 7 и 5 кг/мм2. Хотя во время испытания они так же, как и соответствующие образцы четвертой серии, испытывали действие только диффузионного фактора, однако их время до разрушения оказалось меньше — 26 и 68ч соответственно.
Этот результат объясняется тем, что образцы после выдержки в печи уже в начале испытания на длительную прочность содержали примерно то же количество цинка, что и образцы четвертой серии лишь в конце испытания. Скорость установившейся ползучести образцов, прошедших диффузионную выдержку, была равна 8,8*10в-2 и 2,8*10в-2%/ч соответственно. Сопоставляя эти величины с данными рис. 123, видим, что они близки к значениям скорости ползучести образцов четвертой серии, причем у образца, испытанного под напряжением 5 кг/мм2, скорость даже несколько выше, что также связано с указанной выше особенностью его испытания.
Сопоставляя расположение линий длительной прочности и ползучести армко-железа на рис. 121 и 123, построенных по результатам испытаний четырех серий образцов, приходим к заключению, что коррозионный, адсорбционный и диффузионный факторы действуют одновременно при испытании армко-железа в чистом жидком цинке. Из факта одновременности и одинаковой направленности действия коррозии, адсорбции и диффузии следует, что эти три фактора должны быть взаимосвязаны и оказывать влияние один на другой. Это, в свою очередь, означает, что результирующий эффект — не просто сумма влияний, получающаяся вследствие наложения действия различных факторов, а итог взаимодействия коррозионного, адсорбционного и диффузионного факторов.
Следует указать на качественно одинаковый характер влияния всех трех факторов на длительную прочность и ползучесть материала. Однако степень влияния каждого фактора различна. Очевидно, интенсивность проявления действия коррозии, адсорбции и диффузии зависит от природы твердого и жидкого металлов и условий эксперимента (температуры, скорости деформации, количества жидкого металла и т. д.). Поэтому следует ожидать, что в определенных условиях испытания влияние какого-либо из этих факторов будет определяющим, а в других — его действие может даже отсутствовать.
Таким образом, приведенные выше результаты экспериментов указывают на сложный характер влияния жидкометаллической среды на деформируемый твердый металл. Oни также указывают на необходимость индивидуального подхода к каждой системе твердый металл — жидкий металл.