» » Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком
11.01.2015

Облегчение пластической деформации твердого металла в жидкометаллической среде, выражающееся в увеличении скорости ползучести под постоянным напряжением, а также в снижении предела текучести и коэффициента упрочнения при испытании на растяжение с постоянной скоростью, обычно вызывается адсорбционным воздействием среды. В тех случаях, когда жидкий металл оказывал только коррозионное воздействие, эффектов облегчения пластической деформации ранее не наблюдалось, за исключением тривиального случая понижения сопротивляемости деформации при значительном уменьшении площади поперечного сечения образца, несущего нагрузку. Ниже приводятся результаты испытания материалов на ползучесть в среде жидкого натрия, которые свидетельствуют об увеличении скорости ползучести в условиях относительно слабого коррозионного воздействия среды.
На рис. 144 приведена зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения для сплава ЭИ869, испытанного при температуре 750° С в жидком натрии (в условиях статики и конвекции) и на воздухе. Методика испытаний обеспечивала протекание процесса термического переноса массы материала рабочей части образца. Из рис. 144 видно, что скорости ползучести сплава на на воздухе и в натрии в статических условиях совпадают, в то время как в жидком натрии при наличии переноса массы скорость заметно выше, причем различие в значениях скоростей ползучести увеличивается с понижением напряжения.
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Нa рис. 145 изображены кривые ползучести двух образцов сплава ЭИ869 при одинаковом напряжении, 15 кг/мм2. Видно, что образец, подвергавшийся во время испытания термическому переносу массы, обнаружил большую скорость ползучести, чем образец, испытанный в натрии и изотермических условиях, причем увеличение скорости ползучести наблюдается не только на втором, но и на первом периоде. Указанные закономерности не являются специфическими для сплава ЭИ869. Они наблюдались также при испытании и других материалов, например сплавов ЭИ827 и ЭИ765 в жидком натрии, стали ЭИ612 в жидком литии.
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Описанный выше эффект увеличения скорости ползучести не вызван адсорбционным воздействием расплавленного натрия, так как в изотермических статических условиях натрий такого действия на материал не оказывает. He связан этот эффект и с диффузионным воздействием среды, так как диффузия натрия в сплав ЭИ869 при температуре 750° С, как показал спектральный анализ, отсутствует. Эффект не может быть объяснен уменьшением поперечного сечения образца в результате коррозии, так как специальные опыты по исследованию переноса массы показали, что скорость коррозии сплава ЭИ869 в аналогичных условиях равна 0,02 мм/год. Это означает, что даже у образца, испытывавшегося в течение 1000 ч, уменьшение площади поперечного сечения составило менее 1 %.
Облегчение пластической деформации металла в коррозионно-активной среде, растворяющей твердый металл, может происходить по разным причинам. Этот эффект может быть вызван тем, что при движении фронта коррозии внутрь металла начинают действовать источники дислокаций, которые прежде были «заперты» теми или иными препятствиями на пути движения дислокаций, и эти препятствия в результате коррозии были устранены. Часть источников типа Франка — Рида с двумя точками закрепления может активироваться в результате освобождения одной точки закрепления и выхода этого конца дислокационной линии на поверхность, которая переместилась внутрь металла в процессе растворения. Увеличение числа поверхностных источников дислокаций с одной точкой закрепления должно также происходить вследствие увеличения самой поверхности металла в результате коррозии. Однако все указанные процессы будут в достаточной мере эффективными лишь в том случае, если скорость продвижения фронта коррозии довольно высокая.
Облегчение пластической деформации, описанное выше, определялось, по-видимому, следующим механизмом воздействия коррозионно-активной среды. Как указывалось ранее, дислокация, выходя на поверхность металла, преодолевает энергетический барьер, приблизительно равный b2γ. В связи с тем, что вокруг дислокации имеется поле напряжений, при ее выходе из толщи металла на поверхности перед дислокацией образуется высоконапряженный участок. Очевидно, что растворение атомов металла с поверхности этого участка вероятнее, чем из расположенных по соседству. Таким образом, для дислокации, или части ее, возникает возможность «выхода в раствор», т. е. атомы, находящиеся во главе дислокации, будут растворяться в жидкометаллической среде и для выхода ей не потребуется преодолевать энергетический барьер (b2γ). Схематически выход дислокации на поверхность металла в инертной и жидкометаллической среде, вызывающей растворение твердого металла, показан на рис. 146.
В подтверждение высказанных выше соображений приведем следующие расчеты. Вначале оценим вероятность перехода в раствор атома, находящегося в центре дислокации. Вероятность растворения атома из недеформированной кристаллической решетки определяется величиной энергии активации Qp=Qo+αb2γ:
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура; a — коэффициент, учитывающий среднее на один атом увеличение поверхности при растворении. В случае растворения атома из ядра дислокации (эта область наиболее искажена и поэтому характеризуется наибольшим значением плотности энергии деформации Qd0) затраты энергии на растворение атома уменьшаются на величину Qd0. Таким образом, вероятность растворения атома из ядра дислокации характеризуется величиной
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Используя выражения (227) и (228) и полагая α=β, находим, что условием проявления эффекта облегчения пластической деформации металла в жидкометаллической среде, растворяющей твердый металл, является
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

В связи с тем что величина скорости растворения пропорциональна вероятности растворения, условие (229) может быть переписано также в виде
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Проведем оценку величины отношения скоростей растворения vpd0/vp. Приближенное значение свободной энергии ядра краевой дислокации в расчете на атомную плоскость равно
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где G — модуль сдвига.
Отсюда среднее значение свободной энергии атома в ядре дислокации равно
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где r0 — радиус ядра краевой дислокации.
Проведем расчет применительно к никелевому сплаву, полагая G=0,7*10в6 кг/см2, а=b=3,5*10в-8 см; T=10в3 °К; r0 определим из предположения, что в ядре дислокации расположено 10 атомов, откуда r0=6,23*10в-8 см. Подставляя эти величины в выражения (232) и (230), находим, что vpd0/vp≈1250. Следовательно, скорость растворения атомов, расположенных в ядре краевой дислокации, более чем на три порядка выше скорости растворения атомов из соседних, неискаженных участков металла. Таким образом, полученный результат нужно рассматривать как подтверждение возможности облегчения пластической деформации металла в процессе его растворения.
Подсчитаем величину отношения (230) для атомов, находящихся на некотором удалении от центра краевой дислокации. Выражение для средней энергии деформации на один атом в этом случае имеет вид
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где v — коэффициент Пуассона; r1 — радиус области, для которой определяется энергия деформации. Определим Qd для r1=10в-6 см, используя те же значения величин в формуле (233), которые были приняты в предыдущих расчетах; коэффициент Пуассона будем считать равным 0,3. Тогда для плотности энергии деформации получаем значение 1,5*10в-15 эрг/атом, а для отношения скоростей растворения соответственно vpd/vp=1,01. Следовательно, скорость растворения атомов, находящихся за пределами ядра краевой дислокации, такая же, как и атомов недеформированного металла.
Выше была оценена возможность облегчения пластической деформации за счет растворения с энергетической точки зрения. Необходимо оценить возможность протекания этого процесса также с учетом его кинетики. Очевидно, что в данном случае кинетическое условие возможности облегчения деформации заключается в соблюдении неравенства
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где tp — время для перехода атома твердого металла в раствор; tд — время, необходимое для выхода дислокации на поверхность металла, т. е. для прохождения пути, равного а.
Скорость растворения будем приближенно считать равной скорости диффузии растворенного атома в неподвижной пограничной пленке жидкого металла. Тогда минимальное расстояние, равное α, которое необходимо пройти атому, чтобы выйти в жидкометаллический раствор, определяется выражением
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

где Dж — коэффициент диффузии растворяемого металла в жидкометаллической среде; К — постоянная. Из соотношения (235) получаем приближенное значение времени растворения
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Обозначая скорость движения краевой дислокации vд и используя уравнения (234) и (236), кинетическое условие возможности облегчения пластической деформации за счет растворения получаем в виде
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

и окончательно
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Будем считать К=2, а=3,5*10в-8 см. Значения коэффициентов диффузии в жидких металлах обычно равны 10в-4/10в-5 см2Iceк. Подставляя эти величины в неравенство (238), находим, что vд≤10в3/10в4 см/сек.
В работе экспериментально определены скорости движения краевых дислокаций в кремнистом железе. Установлено, что в интервале температур 78/373° К скорости движения дислокаций изменялись в пределах 10в-6/10в-2 см/сек. Напряжению, отвечающему пределу текучести, во всех случаях соответствовало значение скорости движения краевой дислокации около 10в-3 см/сек. Очевидно, что в условиях ползучести материала скорость движения дислокаций будет еще ниже. Следовательно, экспериментальные данные показывают, что кинетическое условие протекания рассматриваемого процесса (238) также соблюдается.
Таким образом, проведенные оценки подтверждают возможность осуществления описанного выше механизма облегчения пластической деформации металла в коррозионно-активной жидкометаллической среде. Следует заметить, что этот механизм не является специфическим для жидких металлов и может проявляться в любой среде, вызывающей растворение твердого металла. Следует также указать, что экспериментально не раз было установлено повышение скорости растворения металла после его деформации, что является косвенным подтверждением возможности протекания описанного эффекта. Подтверждением возможности его реализации является также широко использующийся в лабораторной практике способ изучения процесса деформации травлением металлографических шлифов. Известно, что травлению в первую очередь повергаются участки, имеющие повышенную энергию за счет прошедшей в них пластической деформации.
Может возникнуть предположение, что причиной эффекта увеличения скорости ползучести является образование межкристаллитных трещин в металле, испытывающем воздействие натрия, в значительно большем количестве и большей длины, чем в инертной среде, что приводит к увеличению эффективного напряжения. Однако такое предположение сразу же отпадает после сравнения коэффициентов увеличения скорости ползучести на первом и на втором периодах. Оказывается (рис. 147), при постоянном напряжении увеличение скорости ползучести в результате коррозионного воздействия натрия в начале процесса больше, чем на его стационарном этапе. Полученное соотношение коэффициентов объясняется аналогично тому, как это было сделано при обсуждении адсорбционного эффекта облегчения пластической деформации.
Следует остановиться на причине отсутствия у исследованного материала эффекта увеличения скорости ползучести в натрии в статических изотермических условиях. Подсчитаем время t0,9, необходимое для завершения процесса растворения в изотермических условиях на 90%.
Механизм облегчения пластической деформации при растворении твердого металла в жидком

Ранее было показано, что оно выражается формулой t0,9=2,3 Vж/αS, где Vж — объем жидкого металла; α — константа скорости растворения; S — поверхность твердого металла, с которой идет растворение. Для применявшихся нами образцов Vж/S = 0,25 см. Так как в литературе нет сообщений о величине а для никеля, растворяющегося в натрии, то для расчета возьмем константу растворения железа в партии при 750 С: α=4,53*10в-3 см/сек, которая, по крайней мере, не больше значения и для никеля. Используя эти величины, находим, что t0,9=2 мин. Ta к лак нагревание образца и машине длительной прочности производится достаточно медленно и после достижения заданной температуры до момента нагружения образца обычно проходит два часа, которые используются для точной регулировки температуры, то совершенно очевидно, что деформация образца л изотермических условиях начинается при завершенном процессе растворения в насыщенном, практически жидко-металлическом растворе.
Ранее приводились экспериментальные данные о влиянии температуры на эффект облегчения пластической деформации (ползучести) сплава ЭИ827 в жидком натрии. Полученная закономерность (см. рис. 110) — увеличение эффекта с повышением температуры — объясняется увеличением при этом скорости процесса растворения.
Данные о влиянии масштабного фактора могут быть объяснены тем, что при значительном уменьшении толщины стенок образца и увеличении скорости деформации не выполняется условие (238) и эффект исчезает. Увеличение толщины стенок образца и соответственно его «поликристалличности» приводит к ослаблению роли поверхностных эффектов в процессе деформации, что также имеет следствием исчезновение эффекта при некоторой величине отношения среднего диаметра зерна к толщине стенок (в опытах со сплавом ЭИ869 d/δ≈0,15).
В заключение следует подчеркнуть, что, несмотря на облегчение пластической деформации материала при растворении его в жидкометаллической среде, общее удлинение образцов к моменту разрушения меньше, чем в инертной среде. Этот факт является следствием, как указывалось в предыдущем разделе, ускоренного роста трещины под действием жидкого металла.