» » Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции
11.01.2015

Закономерности влияния адсорбционно-активного жидкого металла на твердый в процессе ползучести могут быть рассмотрены на основании экспериментальных данных для никелевого сплава марки ЭИ437Б. Этот сплав был испытан на ползучесть с доведением образца до разрушения, т. е. это было испытание и на длительную прочность. Исследовалось влияние на сплав жидкого натрия. Испытания проводились на точеных трубчатых образцах с наружным диаметром 11 мм и толщиной стенки 0,5 мм.
Образцы заполнялись жидким натрием, отфильтрованным при 120—130° С, что обеспечивало содержание кислорода в нем около 0,01 вес.%. После заполнения производилась приварка пробки из материала образца для герметизации во время испытаний объема с жидким натрием. Таким образом, в отличие от часто применяющихся методик испытания образцов с поверхностным покрытием или в открытой жидкометаллической ванне в этом случае изменение физико-химических свойств жидкого металла вследствие взаимодействия с компонентами воздуха полностью исключается. Кроме образцов, заполненных натрием, испытывались также контрольные образцы, заполненные аргоном. (В дальнейшем эти образцы будем условно называть испытанными на воздухе, а образцы, содержащие натрий, — испытанными в натрии.)
Испытания сплава ЭИ437Б на длительную прочность в жидком натрии и на воздухе проводили при одноосном растяжении по общепринятой методике. Деформацию образцов в процессе ползучести регистрировали с помощью индикаторов часового типа. Все испытания проведены при температуре 800° С.
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

На рис. 129 представлены зависимости времени до разрушения образцов на воздухе и в жидком натрии от приложенного напряжения. Из графика следует, что жидкометаллическая среда вызывает значительное понижение длительной прочности сплава, причем эффект ее влияния увеличивается с понижением напряжения. Ввиду того что в обоих случаях соблюдается степенная зависимость между временем до разрушения и напряжением, то эффект адсорбционного воздействия жидкого металла можно характеризовать уравнением KσD=A*τ1/n-1/nж, где KσD — коэффициент воздействия жидкого металла на длительную прочность твердого.
Значительным изменениям при испытании сплава в жидком металле подверглись и характеристики ползучести. Эти изменения отчетливо видны, например, из графиков зависимости продолжительности первого τ1, второго τ2 и третьего τ3 периодов ползучести, а также относительного удлинения на каждом периоде δ1, δ2, δ3 от напряжения (рис. 130). Из рисунка видно, что продолжительность всех периодов ползучести сокращается в среде жидкого натрия; относительное удлинение, накопленное образцом в течение первого и второго периодов, оказалось одинаковым и в натрии, и на воздухе; однако на третьем периоде относительное удлинение в жидком металле резко упало. Все указанные изменения увеличиваются с понижением напряжения. Зависимости, изображенные на рис. 130, позволяют представить схематически кривые ползучести твердого металла в инертной среде и в поверхностноактивном жидком металле при одинаковом напряжении так, как это показано на рис. 131.
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

Жидкий натрий вызвал существенное увеличение скорости ползучести сплава ЭИ437Б. Нa рис. 132 представлена зависимость от напряжения установившейся скорости ползучести в жидком металле и на воздухе. Из графика следует, что адсорбционное воздействие среды и на процесс ползучести увеличивается с понижением напряжения. Пыли построены зависимости от напряжения средних скоростей на первом (v1=δ1/τ1) и третьем (v3=δ3/τ3) периодах ползучести. Оказалось, что жидкий металл вызывает увеличение скорости ползучести и в начале, и в конце процесса. Кроме того, было установлено, что между средней скоростью ползучести на первом периоде и напряженном так же, как и на втором периоде, соблюдается степенная зависимость (во всяком случае, в обследованном интервале скоростей).
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

В соответствии с вышесказанным адсорбционное влияние жидкого металла характеризуется следующим выражением для коэффициента увеличения скорости ползучести: Kv=C*σmж-m, где σ — напряжение; C*, m и mж — постоянные.
Представляет интерес сопоставить на одном графике значения коэффициентов увеличения скорости ползучести в жидком металле на первом, втором и третьем периодах. Такое сопоставление (рис. 133) показывает, что меньше всего влияние жидкометаллической среды проявляется на скорости установившейся ползучести и в гораздо большей степени отражается на скорости ползучести на первом и третьем периодах.
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

Описанные эффекты влияния жидкого натрия на длительную прочность и ползучесть сплава ЭИ437Б имеют адсорбционное происхождение. Для проверки коррозионного поражения образцов после их. разрушения были изготовлены микрошлифы. Микроструктурный анализ не выявил никаких следов коррозионного воздействия жидкого металла. Спектральным анализом было подтверждено отсутствие диффузии натрия в сплав. Таким образом, влияние жидкого металла в этом случае целиком обусловлено его способностью понижать поверхностную межфазовую энергию на границе твердый жидкий металлы. Этого следовало ожидать, например, на основании данных по «смачиваемости». Следует также подчеркнуть, что условия проведения опыта (крупнозернистость материала — в сечении образца 2—3 зерна) способствовали проявлению адсорбционного действия среды.
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

Полученные эффекты адсорбционного влияния жидкого металла находятся в соответствии с существующими дислокационными представлениями о процессах ползучести и разрушения металлов. Попытаемся прежде всего объяснить, почему адсорбционноактивная среда в значительно большей степени вызывает увеличение скорости ползучести на первом, чем на втором периоде. Вначале, сразу же после нагружения образца, и движение приводится большое число дислокаций. Скорость пластической деформации при этом определяется скоростью движения дислокаций под действием приложенного напряжения. С течением времени количество движущихся дислокаций уменьшается, так как часть их задерживается различными препятствиями. Некоторые препятствия уже имелись в структуре металла до начала деформации, другие возникли в результате деформации (например, дисперсные выделения второй фазы, дефекты упаковки, междоузельные атомы, уступы на дислокациях, поля напряжений других дислокаций и т. д.). Вследствие этого скорость ползучести постепенно падает и, наконец, достигает равновесного значения, характерного для второго периода ползучести. На этом периоде, если ползучесть протекает при высокой температуре, дальнейшее перемещение дислокаций возможно только после переползания в соседнюю плоскость скольжения, где препятствие на ее пути (или на части пути) отсутствует. Процесс переползания является диффузионным, энергия его активации равна энергии активации самодиффузии. Если ползучесть протекает при низкой температуре, то величина энергии активации ползучести меньше энергии активации самодиффузии и зависит от величины приложенного напряжения (уменьшается при увеличении напряжения).
Таким образом, и при высокотемпературной, и при низкотемпературной ползучести разность между величинами энергетических барьеров, которые преодолевают дислокации во время движения внутри металла и при выходе на свободную поверхность, для второго периода ползучести больше, чем для первого. А это в соответствии со сказанным в предыдущем разделе означает, что степень влияния поверхностно-активного жидкого металла на первом периоде должна быть больше, чем на втором.
Очевидно, что увеличение адсорбционного влияния среды в начале ползучести вызвано также большой активностью поверхностных источников дислокаций. Существенную роль при этом могут играть источники Франка—Рида, имеющие одну точку закрепления, так как они начинают действовать при напряжении, в два раза меньшем, чем напряжение активации источников с двумя точками закрепления. Имеются экспериментальные доказательства того, что пластическая деформация начинается в поверхностном слое кристалла; например, это показано известными опытами Судзуки и Чалмерса и Девиса. Влияние состояния поверхности на пластическую деформацию, в том числе и на ее начальную стадию, подтверждено многочисленными экспериментами с образцами, покрытыми пленками твердых металлов.
Ослабление адсорбционного воздействия жидкого металла на твердый при переходе от первой стадии ползучести ко второй подтверждается также результатами релаксационных испытаний стали в жидком натрии. Было установлено, что в этом случае влияние жидкого металла на процесс релаксации напряжений с течением времени уменьшается. Если учесть, что релаксация — это ползучесть при падающем напряжении, то следует ожидать, что и физические процессы, формирующие оба явления, идентичны. Понижение напряжения в релаксационных испытаниях может привести к повышению энергии активации перемещения дислокаций по сравнению с ее значением при испытании на ползучесть под напряжением, равным начальному напряжению при релаксации. (Предполагается справедливой следующая зависимость энергии активации от напряжения τs: Q=Q0-Abτs, где b — вектор Бюргерса; А — площадь поверхности, пройденная дислокацией.) Поэтому временная зависимость адсорбционного эффекта при испытании на релаксацию должна быть выражена еще более ярко, чем при испытании на ползучесть.
Из рис. 133 видно, что адсорбционное воздействие натрия на сплав вновь усиливается на третьем периоде ползучести. Эта особенность влияния жидкого металла становится понятной, если учесть, что наряду с деформационными процессами в условиях ползучести происходит развитие трещин. Co временем увеличивается как количество трещин, так и их протяженность; кроме того, увеличивается скорость их роста. Характерно также, что все эти изменения особенно отчетливо выражены на третьем периоде ползучести. Поэтому усиление адсорбционного воздействия может быть вызвано следующими причинами: во-первых, увеличением числа и протяженности трещин, что приводит к увеличению действующего (эффективного) напряжения и, в свою очередь, увеличивает количество активных дислокаций; во-вторых, тем, что поверхностно-активный жидкий металл способствует ускорению развития самих трещин, что отражается на общей величине относительного удлинения (существенная часть относительного удлинения образца на третьем периоде является результатом увеличения его пористости). Особенность третьего периода ползучести, связанная с интенсивным развитием трещин, находит отражение и в том, что пластичность на третьем периоде в жидком металле меньше, чем на воздухе, тогда как на первом и втором периодах в обеих средах пластичность одинакова.
Описанный выше эффект увеличения адсорбционного воздействия жидкого металла при понижении напряжения связан, по-видимому, с уменьшением при этом скорости движения дислокаций. Зависимость средней скорости движения краевых дислокаций v от приложенного напряжения τs в работе дается в виде
Закономерности изменения характеристик длительной прочности и ползучести металлов под действием адсорбции

где v0 — максимально возможная скорость движения дислокаций, равная скорости звука в металле; P — постоянная.
Формула (218) позволяет подсчитать среднюю скорость дислокаций при данном напряжении. Однако в различных участках кристалла отдельные дислокации двигаются с разной скоростью вследствие действия на них локальных напряжений, которые могут быть и выше, и ниже приложенного. Поэтому, и в соответствии с соображениями, изложенными в предыдущем разделе, одна группа дислокаций, имеющих среднюю скорость v1, не будет испытывать воздействие жидкого металла при выходе на поверхность; средняя скорость дислокаций другой группы максимально увеличивается под действием среды (от v2 до v2ж) и, наконец, средняя скорость дислокаций третьей группы увеличится, но в меньшей степени, чем скорость второй (от v3 до v3ж). Очевидно, в связи с зависимостью (218) выполняются неравенства: v1≥v3≥v2 и v1≥v3ж≥v2ж. Обозначив плотность дислокаций п. ее парциальные значения, соответствующие каждой группе дислокаций, n1, n2 и n3, а вектор Бюргерса b, для скорости ползучести в инертной среде получаем выражение ε=b*[n1v1+n2v2+n3v3], а для скорости ползучести в жидком металле εж=b*[n1v1+n2v2ж+n3v3ж]. Вследствие того что v2ж≥v2 и v3ж≥v3, получаем εж≥ε.
При изменении приложенного напряжения будут изменяться значения разностей (v2ж-v2) и (v3ж-v3), а также число дислокаций в каждой группе. Увеличение напряжения вначале приведет к уменьшению значения n2, затем к исчезновению вообще второй группы дислокаций и, наконец, при некотором критическом значении напряжения адсорбционное воздействие среды вообще не будет проявляться.