Ползучесть материалов. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ползучесть материалов - непрерывная плас-тич. деформация материалов под воздействием пост. механич. нагрузки или напряжений. Ползучести подвержены все кристаллич. и аморфные твёрдые тела при всех видах механич. нагрузок. П. м. наблюдают как при темп-pax, близких к температуре жидкого гелия, так и при близких к температуре плавления. Однако с увеличением температуры Т скорость П. м. растёт, что ограничивает долговечность конструкций, работающих при пост. нагрузках и повыш. темп-pax. Малая скорость П. м.- гл. требование, предъявляемое к жаропрочным материалам. Существ. техн. значение имеет ползучесть металлич. материалов и керамики при повыш. темп-pax и давлениях. Зависимость величины деформации

от времени f при пост. температуре Т и напряжении

описывают т. н. кривой ползучести (рис. 1). Процесс П. м. условно разбивают на стадии: I - неустановившаяся П. м., когда скорость деформации e непрерывно понижается (происходит упрочнение); II - установившаяся П. м.

III-стадия ускоренной П. м., к-рая заканчивается разрушением. Относит. протяжённость каждой стадии зависит от условий испытания или эксплуатации (от Т и

), свойств материала и его структуры (предварит, обработки).

Стадии I предшествует т. н. мгновенная деформация

к-рая возникает при приложении к испытываемому образцу (или в конструкции - к деталям) механич. нагрузки. При низких Т величина соизмерима с деформацией, к-рая накапливается в течение всей последующей ползучести

При высоких Т накапливаемая деформация

Неустановившаяся стадия ползучести. При повышенных Т неустановившаяся стадия П. м. наблюдается только в тех случаях, когда s вызывает появление e₀. Если e₀ очень мала, то участок, соответствующий стадии I, тоже весьма мал.

Скорость деформации e на стадии I меняется со временем t по закону

т. н. логарифмич. закон П. м.

- постоянная, не зависящая от времени). Такая кинетика наблюдается при абс. темп-pax Т от 0,05 до 0,3

(температуры плавления материала) и

Согласно физ. модели, в недеформиров. материале имеется нек-рое кол-во источников дислокаций, к-рые активируются под влиянием приложенных

и тепловых флуктуаций. Со временем их число истощается. При повышении

и Т значение

и постоянная в ур-нии (2) увеличиваются, а величина т в (1) уменьшается. При m = 2/3

На многих металлич. материалах наблюдают парабо-лич. ползучесть (или

ползучесть). Величина

растёт с повышением Т и

Имеются эксперим. данные, полученные при повыш. темп-pax, к-рые не описываются ни логарифмической, ни параболич. зависимостями. Поэтому предложен ряд эмпирич. ур-ний, описывающих кинетику неустановившейся П. м.,- степенные ряды, экспоненциальные функции, комбинации разл. функций.

Установившаяся ползучесть. Установившуюся П. м. рассматривают как динамич. равновесие процессов де-формац. упрочнения и термич. возврата. Напряжения течения при этом не изменяются со временем. Это записывается следующим образом:

где

деформац. упрочнение,

термич. возврат, к-рый оценивают по уменьшению напряжений текучести при отжиге. Из (4) следует

Эксперименты,

проведённые на металлах и сплавах, показывают, что

(с учётом влияния на возврат приложенных напряжений) совпадают. Непосредств. измерение

и её оценки по эксперим. значениям

и r для одного и того же металла дают хорошее совпадение.

Экспериментально установлено два осн. вида зависимости

от

В первом случае

модуль упругости) и

справедливо соотношение

где А₁ и В постоянные, не зависящие от

Соотношение (5) справедливо для мн. материалов (металлы и сплавы, керамика, полимеры, ионные кристаллы, полупроводники) в интервале

в к-ром

изменялось на 10 порядков. Во втором случае s/E=

и Т > > 0,5 Т_пл справедливо соотношение

где A₂ и n постоянные, не зависящие от

для металлов n~4-5, а для металлич. твёрдых растворов

С зависимостью

связано понятие предела ползучести - напряжения, при к-ром скорость П. м. имеет нек-рую заданную величину. При малых

когда e p накапливаемая деформация e весьма малы, отсутствует определённость относительно того, какая измеряется скорость, связанная со стадиями I и II или только со стадией II. Поэтому иногда под пределом ползучести понимают напряжение, к-рое вызывает заданную скорость П. м. через заранее установленный промежуток времени.

С температурой Т скорость

связана экспоненц. зависимостью

Величину С обычно представляют как

- постоянная Больцмана, а

энергия активации ползучести.

является частью свободной Гиббса энергии изменение энтропии ползучести.

С учётом эмпирич. зависимостей

для относительно низких Т и высоких

Характер зависимости

от Т указывает на то, что П. м. является термически активируемым процессом, конкретный механизм к-рого зависит от свойств материала, температуры и напряжений. При низких Т, когда диффузия подавлена, одним из таких процессов в крис-таллич. материалах (прежде всего, в металлических и керамических) может быть преодоление сопротивления движению дислокаций со стороны периодич. по-тенц. поля кристаллич. решётки (т. н. внутр. напряжений s_ВH Пайерлса - Набарро). Перемещение дислокаций в этом случае из одного положения в другое осуществляется не одновременно по всей её длине, а путём образования перегибов и их движения вдоль дислокации. При термич. активации перемещение дислокаций происходит при

меньших чем

П. м. с таким механизмом наблюдают при Т < 0,2 T_пл. Величина

для металлов составляет 20-75 кДж/моль, т. е.

изменяется с температурой незначительно.

При Т от 0,2 до 0,5 Г_пл

определяется тем, что скольжение дислокаций тормозится др. дислокациями, к-рые пронизывают плоскости скольжения. Пересечение дислокаций также термически активируемый процесс, связанный с образованием стяжек на расщеплённых дислокациях (степень расщепления зависит от энергии дефектов упаковки и величины

действующих на дислокациях). В этой же области температур препятствия скольжению дислокаций могут преодолеваться путём поперечного скольжения. Переход расщеплённых дислокаций с одной плоскости на другую в результате поперечного скольжения также требует термич. активации процесса стяжки дефекта упаковки расщеплённых дислокаций. В изложенных случаях зависимость

от

и дописывается выражением (8), в к-ром акти-вац. объём и предэкспоненц. множитель зависят от конкретного атомного механизма возврата. При Т > 0,5 Т_пл скорость П. м. зависит от диффузионных процессов возврата. Если последний осуществляется путём переползания дислокаций от мест, где они застопорены (поля напряжений др. дислокаций и их образований, границы зёрен и пр.), то

описывается выражением

Здесь

частота колебаний атомов, s - вектор Бюргерса дислокаций, М - число источников дислокаций,

энергия активации ползучести для металлов, к-рая совпадает с энергией активации самодиффузии.

Известны также дислокац. модели, в к-рых процессом, ограничивающим скорость ползучести, является диффузия точечных дефектов от порогов на винтовых дислокациях. Они приводят

к зависимости от Т и

в виде (8).

При предплавильных темп-pax и напряжениях

наблюдают т. н. диффузионную П. м.

к-рая описывается выражением вида (9) при h = 1. Такая П. м. осуществляется без участия дислокаций и связана с направленным диффузионным переносом атомов в поле градиента приложенных напряжений, что приводит к изменению формы материала. В частности, при одноосном напряжении поликристаллич. материала возникает градиент концентрации вакансий между продольными и поперечными границами зёрен. Потоку вакансий отвечает равный по величине и обратный по направлению поток атомов (рис. 2). Эти потоки приводят к удлинению зерна в продольном направлении и сокращению в поперечном. Изменение формы зёрен сопровождается самосогласованным диффузионно-вязким течением по границам зёрен, что обеспечивает сохранение сплошности материала.

Рис. 2. Схематическое изображение потока атомов к поперечным границам (сплошные стрелки) и встречного потока вакансий к продольным границам (пунктирные стрелки) в зерне, к которому приложены напряжения.

Диффузионная П. м. (т. н. Херринга - Набарро - Лифшица ползучесть) имеет пост. скорость и вызывает малую деформацию. Переползание неск. дислокаций в объёме зерна приводит к более высокой скорости течения, чем чисто диффузионный механизм П. м. Скорость диффузионной П. м. зависит от температуры и напряжений

Здесь b - межатомное расстояние, d - линейный размер элементов структуры (в частности, зёрен), D и

коэф. и энергия активации объёмной самодиффузии. Если процесс диффузии осуществляется гл. обр. по границам зёрен и зёрна мелкие, а температуры ниже пред-плавильных, но более 0,5 Т, то диффузионная П. м., наз. ползучестью Кобла, определяется диффузией по границам зёрен:

где V - атомный объём,

- эфф. ширина границы, по к-рой идёт диффузия. Диффузионная П. м.- осн. механизм, к-рым осуществляется спекание дисперсных порошков. Этот вид П. м. является аккомодац. механизмом снижения локальных концентраций напряжений, возникающих при ползучести.

Рис. 3. Карта механизмов деформации при ползучести вольфрама (средняя величина зёрен 10 мкм).

Разнообразие механизмов деформации и зависимость их вклада в общую деформацию от величин Т и

для конкретных материалов наглядно иллюстрируются т. н. картами механизмов деформации (рис. 3), на к-рых проводят кривые, отвечающие пост. скорости ползучести, к-рые определяют экспериментальным или расчётным путями.

Ускоренная ползучесть и разрушение. П. м. на стадии III часто может занимать половину и более общего времени ползучести от нагружения и до разрушения. На ней накапливается значительная (иногда и большая) часть деформации. На стадии III, когда идёт ускоренный процесс П. м., кинетика деформации не описывается единой зависимостью. На нач. этапах, когда скорость e_III превышает на 10-20 %

деформация

при больших скоростях

величина деформации становится равной:

Здесь К, N p М - постоянные, к-рые зависят от материала и увеличиваются при повышении Т и

Ускоренную стадию наблюдают и в случае сжатия, когда сечение испытываемого объекта не уменьшается, а увеличивается. Установлено, что коэф. деформац. упрочения

на стадии

не изменяется, а остаётся таким же, как на стадии

Однако резко изменяется скорость возврата -r. Для

и p - постоянные, зависящие от материала и режима испытаний. Имеется прямопропорц. связь между изменением скорости возврата и скорости ползучести на стадии

Если прервать проведение испытаний П. м. на первом этапе стадии III и провести отжиг, то свойства материала восстанавливаются. При переходе ко второму этапу стадии III П. м., кинетика к-рого описывается выражением (14), происходит необратимая повреждённость материала. Экспериментально для мн. материалов установлено постоянство произведения

- время до разрушения).

Микроструктурные исследования разл. материалов в процессе П. м. выявили многообразные проявления дислокац. скольжения (прямолинейные, волнистые, поперечные следы скольжения, складки у стыков зёрен, полосы сброса). Установлено, что вблизи границ зёрен действует большее число систем скольжения, чем в их объёме. Вдоль границ зёрен возникают ступеньки, наблюдается миграция границ, в объёме зёрен образуются малоугловые субграницы, приводящие к фрагментации (полигонизации) исходных зёрен, увеличивается разориентировка между образовавшимися субзёр-нами. Анализ наблюдаемых изменений микроструктуры показывает, что ползучесть кристаллич. материалов является гл. обр. результатом дислокац. деформации. Термич. возврат также связан с перераспределением и аннигиляцией дефектов кристаллич. строения - линейных и точечных.

Стадия

П. м. оканчивается разрывом материала. Разрыв является лишь завершением процесса разрушения, к-рый протекает на всём или почти всём протяжении высокотемпературной П. м. Уже на стадии

обнаруживается образование несплошности материала, сопровождаемое уменьшением его плотности. На стадии II на границах зёрен выявляются поры и трещины, слияние к-рых друг с другом приводит к окончат. разрушению материала. Зародыши трещин и пор могут быть в материале до начала процесса ползучести либо образоваться в результате деформации. Рост пор осуществляется путём диффузии вакансий к ним, взаимного слияния пор и при несогласованности проскальзывания зёрен. Пути повышения сопротивления материалов такие же, как для повышения прочности при комнатных темп-pax. Это - упрочнение растворимыми добавками и создание структуры, содержащей дисперсные частицы вторых фаз. Трудностью при создании материалов с высоким сопротивлением П. м. является не получение необходимой структуры и фазового состава материала, а пх сохранение при высоких темп-pax длит. время.

Литература по ползучести материалов

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.