симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 68

к "стадии 1Г' усталостного растрескивания. В условиях малоцикловой усталости с ростом амплитуды напряжения наблюдали также, что увеличение ЬК влияет на переход усталостного разрушения от стадии 1 к стадии П. Из способов, позволяющих улучшить сопротивление росту усталостной трещины за счет изменения микроструктуры, чаще всего упоминают увеличение размера зерен, Это улуч- збз шение проявляется и при низкотемпературном внутризеренном, и при высокотемпературном межзеренном росте трещины. На высокопрочных алюминиевых и титановых сплавах, а также на некоторых суперсплавах [49 — 52] было показано, что при большом размере зерен уменьшается скорость роста транскристаллитной усталостной трещины в промежуточном диапазоне скоростей.

й. В этих режимах действовало соотношение ди/с!М « с1", где с! — размер зерна„ и †! - 1с - — 1/2 [50, 51]. Улучшение в сопротивлении росту усталостной трещины сочли за резу ы зулыат усиления склонности к плоскостному скольжению и обратимому пластическому сдвигу. Естественно, выгоды от увеличения размера зерен следует соразмер ять с потерями в уровне предела текучести.

При увеличении размера зерен увеличивается разм р е пластической зоны или величина ЬК, при которых наступает переход к к стадии П усталостного разрушения. Это было АР! Н1Р продемонстрировано [53] на сплаве Х(шоп1с А ( Азгго1оу). У суперсплавов, изготовленных методами порошковой металлургии и отличающихся очень мелким зерном, трещина возникает сразу "в режиме" стадии П, так что стадия 1 полностью отсутствует. Наоборот, при испытании на малоцикловую усталость монокристаллических образцов некоторых суперсплавов при низких и промежуточных температурах стадия 1 могла продолжаться, пока трещина не охватит все поперечное сечение образца.

(Подобная склонность порождает очень большие трудности для изучения скорости роста трещины у монокристаллических образцов, поскольку даже при высоких температурах, где появляется и стадия П, скорость роста трещины изменялась с изменением кристаллографического направления [26].) Еще одно преимушество крупнозернистой структуры в том, что ей соответствуют более высокие значения ЬК, открывающие стадию П, а стадия ! оказывается более продолжительной. Было показано [53], что с переходом к стадии П наступает 2 — 3-кратное увеличение с(а/ИМ. Это можно истолковать, как результат снижения обратимости сдвиговой деформации. Устойчивые полосы скольжения, действующие на стаии ! таковы, что деформация у вершины трещины совершаетди ся с малым деформационным упрочнением.

В режиме стадии П пластическая зона трещины обнимает большее количество зерен, и аккомодация деформации между ними требует под- збз чч к кюы Ъ 4 lб ' !бч б б и гб 10 4Д ГГбс ми Рис.10.1д Скорость роста ба/4М короткой (темные симнолы) и длинной (светлые) трешки прн никлическом нагружении мелкозернистого (!) и грубозерннстого (2) сплава ьнпзошс АР! (н!Р Аз!го!оу); частота нагруиения 40 Гн, Я вЂ” 0,1 (54) (а) и нллюстрания закрытия трошины в результате крнсталлограеического скольиения (б) ключения пересекаюших систем скольжения, так что деформационное упрочнение оказывается более интенсивным.

Понижение скорости циклического роста трещины с увеличением размера зерен проявляется и в пороговом режиме нагружения при испытании образцов с длинной трещиной под действием низких циклических нагрузок (53, 54); правдат это в значительной мере может быть следствием эффекта закрытия трешины и не иметь отношения к поведению коротких трешин, например, в начале их распространения от каких- либо дефектов. Поведение коротких трешин очень сложное, и объяснить его достаточно полно эффектом закрытия нельзя (54]; ясно, однако, что применительно к поведению длинных трещин вклад размера зерен уже не столь велик. На сплавах Аэ(го)оу и %айра)оу (рис.

10.12гя) продемонстрированы обе особенности 154] — более высокая скорость циклического роста коротких трешин и слабое влияние размера зерен на скорость роста длинных грешим. Аналогичные результаты получены для титановых сплавов (см. ряд статей, относяшихся к источнику !56!). На рис. 10.12,б показано схематически, что у "длинной" острой "кристаллографической" трешины грани могут быть З44 сдвинуты относительно друг друга в результате ее раскрытия, Когда нагрузка снижается, грани могут сомкнуться раньше, чем она снизится до нуля; это значит, что эффективное значение ЬК меньше, чем следует из численного значения амплитуды нагрузки.

Закрытия трещины по такому механизму можно ожидать при низких ЬК (с оответствуюших кристаллографическому растрескиванию) и больших размерах зерен, поскольку оба эти обстоятельства характеризуются повышенной неровностью берегов трешины. Размер зерна, повидимому, не влияет на поведение короткой трещины, ибо если трошина умещается в одном зерне, пространство позади ее вершины слишком мало, поверхность трешины не выходит за пределы ровной плошадки и не содержит неровностей, характерных для поверхности протяженных трошин. Вблизи порогового режима нагружения при испытаниях с длинной трешиной размер зерна тоже не играет существенной роли, если закрытие трешины предотврашено высокими значениями Я. Наблюдения, изложенные выше и касаюшиеся поведения короткой трещины, помогут увязать в единое целое сведения о влиянии размера зерен как на скорость циклического роста усталостной трешины, так и на особенности ее возникновения.

Если бы рост зерна приводил к снижению скорости циклического роста трещины при всех значениях ЬК, в том числе у коротких трешин, обосновать основное правило, что с уменьшением размера зерен происходит увеличение циклической прочности, было бы трудно даже в тех случаях, когда мелкозернистому материалу соответствовал бы несколько удлиненный период возникновения трешины. Понять природу поведения короткой усталостной трешины необходимо еше и потому, что это поможет наилучшим образом проектировать сплавы, обладаюшие пониженной чувствительностью к дефектам. Размер выделений т'-фазы влияет на характер циклического роста трещины только при низких температурах и тех типах цикла, при которых трешина растет транскристаллитно.

В остальных случаях более важными факторами становятся морфология и состав границ зерен. Из-за понижения циклического предела текучести, вызванного перестариванием, повышается скорость транскристаллитного роста усталостной трешины. Представляется при этом, что 'добиваться данного уровня предела текучести предпочтительнее путем 345 нмг Рис.10ЛЗ.

Сплав Наупеь 188. Скорость роста трещины Еа/ЕФ при циклическом нагруиенни (ЬК"348 МПа) в зависимости от частоты нагружения и и температуры; Н 0,08 [59]: с 1 — 811 ос; З вЂ” 700 С; З- б00 оС, 4 — комнатная температура; (Фа/Ег)/и — "вклад" ползучестн; МЗ вЂ” область меизеренного роста трещины; ВЗ вЂ” область впутризеренного росга трещины В фюо 4 дещ дщ дг а, гл и недостаривания, нежели путем перестаривания 152, 55]. В пользу этого мнения в качестве аргумента ссылались на более выраженную плоскостность и обратимость сдвиговой деформации. В ряде работ 153, 56] с более мелкими выделениями и'-фазы и большей плоскостностью скольжения связывали повышенные значения ЬК. Влияние лолзунести и среды С увеличением температуры скорость циклического роста трещины увеличивается и начинает зависеть от продолжительности цикла нагружения.

Происходит также снижение модуля упругости, деформация становится менее плоскостной, повышается интенсивность воздействия среды и, наконец, активизируются процессы ползучести. Возникновение трещины может оставаться внутризеренным, однако последующий рост усталостной трещины в поликристаллическом материале приобретает все более межзеренный характер с повышением температуры, а также с уменьшением частоты нагружения, ростом продолжительности внутрицикловых выдержек и уменьшением размера зерен 151, 57-61].

На рис. 10.13 показана зависимость скорости циклического роста трещины н вида усталостного растрескивания у кобальтового сплава Наупеб 188 159] от частоты нагружения, длительности цикла и температуры. При высоких частотах растрескивание идет транскрьгсталлитно, а величина да/дФ не зависит от частоты. По мере снижения частоты и повышения температуры растрескивание становится межзеренным, а величина ди/до/ с понижением частоты возрастает. В некоторой области наклон кривых становится равным -1, так что величина да/д/и' пропорциональна продолжительности цикла нагружения. Темпы перехода от транскристаллитного растрескивания к межзеренному как функция температуры и частоты зависят от сопротивления материала ползучести и воздействию среды. При промежуточных температурах в воздушной среде временная зависимость межзеренного роста усталостной трещины определяется развитием коррозии под напряжением, поражающей границы зерен 149, 51, 58, 62].

Даже в аргоне, применяемом обычно в лабораторной практике, кислород содержится в количестве, достаточном для заметных коррозионных эффектов 163]., Мелкозернистость усугубляет действие рабочих сред 151]. Напротив, у монокристаллических образцов суперсплавов циклический рост трещины обнаруживает лишь слабую временную зависимость 164]. Влияние среды в части увеличения доли межзеренного растрескивания может усиливаться при промежуточных температурах в случае очень неравномерного плоскостного скольжения, как это происходит у сплава 1псопе1 718 110, 50]. Перестаривание же этого сплава улучшает стойкость к влиянию среды либо благодаря более тонкому и равномерному скольжению, либо из-за изменения химического состава сплава по границам зерен 150]. Данные, представленные на рис. 10.14, иллюстрируют влияние размера зерен на скорость и вид циклического роста трещины у различных суперсплавов при 649оС 125]. При частоте нагружения 0,33 Гц растрескивание было транскристаллитным у сплавов с размером зерен более 15мкм, %аара1оу, Н1Р Абгго!оу и Н1Р МЕИ.-76.

У сплавов МАЗА ПВ-7 и 1М-100 с размером зерна 5 мкм растрескивание было межзеренным, а у сплавов Н+Р Аасго1оу и Вепб 95 — межзерепным для мелкозернистой структуры типа "ожерелье" и транскристаллитным для крупнозернистой нерекристаллизованной структуры. При испытаниях с 15-мин выдержками растрескивание было межзеренным у всех сплавов, но разница в скорости циклического роста трещины между сплавами увеличилась. По отдельности вклад от повреждающего влияния среды и ползучести представлен на рис.

10.15 на примере сплавов збт 671 1О' , 15' ь Ьь 1О' 15' ом Рис, 10, 14. Скорость Роста трешниы пе/ОХ У некоторых суверен. ланов при 649 аС в условиях регулярного циклического иагружеиия с частотой 0,33 Гц (е) и в условиях циклического иагружеиия с 15-мии задержками при максимальной нагрузке (6) [25]1 1 — Кепб 95; 2 ХАЗА 11В-7 и Н1Р МЕКЕ 76; 3 — 1Х 100; 4 — Нер Аз!го!оу; 5 — Н!Р Аа!го!оу; 6— «1авра!оу; 7 — Н!Р МЕИ. 76 100 раз выше у мелкозернистого сплава Неп6 95, нежели у грубозернистого сплава Неп6 95. Итак, размер зерна ответственен в очень большой степени за различия между сплавами по стойкости к межзеренному циклическому росту трещины, возникающему под воздействием среды.