Диссертация (1026057), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Каждый механизм деформации описываетсяопределенным набором значений параметров (p, m и Q,) материала. Этипараметры отражают влияние размера зерна (p) и скорости деформации (m) намеханические свойства материала при заданном механизме деформации. Такжедлякаждогомеханизмадеформациисуществуетхарактернаяэнергияактивации, Q, которая указывает на процессы, контролирующие деформацию.Например, Ql – энергия активации процессов самодиффузии, Qs – энергияактивации взаимодиффузии примесных атомов,процессов зернограничной диффузии.Qgb – энергия активации30Основные механизмы деформации при ползучести и значения параметровпоказаны в Таблице 1.1.Таблица 1.1Значения параметров для различных механизмов деформации [84].Механизм деформацииpmQпереползание00,1-0,2Qlскольжение00,3Qs20,4 – 0.85Qgbползучесть Набаро-Херринга21Qlползучесть Кобле31QgbДислокационная ползучестьЗернограничное скольжениесверхпластичностьДифузионная ползучестьДислокационная ползучесть реализуется при температурах выше 0,3Tпл(гдеTпл – абсолютная температура плавления материала), так как приповышенных температурах дислокации приобретают дополнительную степеньсвободы, что позволяет им обходить препятствия в плоскости скольжения [85].Возможны два вида дислокационной ползучести: в первом случае процессконтролируется переползанием дислокаций, а во втором – скольжением.
Приэтом скорость дислокационной ползучести практически не зависит от среднегоразмера зерен.Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен друготносительно друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Онореализуется при довольно малых скоростях деформации и наличии в материалестабильной мелкозернистой структуры [58].
Одним из наиболее яркихпримеров деформирования, которое происходит благодарямеханизмузернограничного скольжения, является структурная сверхпластичность. Приэтом механизме, напряжение течения необычно резко чувствительно к скоростидеформации, причем этот эффект носит экстремальный характер. В процессе31зернограничного скольжения, не смотря на высокую степень деформации,зерна остаются равноосными, плотность дислокаций не изменяется, невозникают дислокационные скопления, а следовательно упрочнение материалаочень мало [86].Диффузионная ползучесть является одной из наиболее разработанныхтеорий ползучести при высоких температурах (выше 0,5Tпл) и низкихнапряжениях, которая осуществляется посредством направленной диффузииатомов под действием напряжений [87].
Различают два вида данного механизмаползучести в зависимость от диффузии атомов: объемная (ползучестьНабарро—Херринга) и по границам зерен (ползучесть Кобле). Для обоихмеханизмов характерна линейная зависимость скорости деформации отнапряжения. Также можно отметить, что диффузионная ползучесть не можетбыть обнаружена металлографическими методами, так как она являетсяследствием перемещения отдельных атомов.Так как метод изготовления заготовок лопаток гидравлических турбинпредполагает формовку при температурах выше 0.5Тпл, и, как было показановыше, морфология и фазовый состав имеют сильное влияние на механическиесвойства стали, то при создании математической модели поведения материаланеобходимо учитывать фазовый состав и его морфологию.Внастоящеедеформированиявремямножестводвухкомпонентныхработматериалов.посвященоПодходыописаниюшироковарьируются от использования законов смесей [88 - 89] до непрерывныхмоделей механики деформирования [90].
Некоторые из этих методов могутбытьиспользованыдляпрогнозированияползучестипривысокихтемпературах двухфазных сталей.Модели описания таких материалов можно разделить на две группы, взависимости от соотношения механических свойств компонент: первая –модели, предполагающие, что одна из компонент не деформируется, вторая –модели, предполагающие, что обе компоненты деформируются.32Существуют различные механические модели, в которых материалрассматривается, как дисперсно-упрочненный, т.е.
матрица является основнымэлементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы не деформируются принагружении. Эффект упрочнения, зависит от объемной доли и формы частиц исвойств матрицы.В случае идеально-пластичных матриц, содержащих жесткие сферическиечастицы,используетсяпростаямеханическаямодель,котораяможетпредсказать эффект упрочнения [91 - 92]:0= (1 + )(1.7)где ζ – напряжение ползучести композита, σ0 - напряжение ползучестиматрицы, f - объемная доля частиц, β - коэффициент упрочнения.Авторы [91, 93, 94] предлагают различные способы определения значенияβ. При достаточно малых fувеличениенапряжения ползучести должнолинейно зависеть от f (т.е. β→β0 т.к.
f→0). Некоторые авторы предположилиточное значение β в определенных пределах, как это показано на Рис. 1.6Рис. 1.6. Предел текучести в зависимости от объемной долидляидеальноупруго-пластическойматрицы,содержащей жесткие сферические включения [91].В работах [93 - 94] предложено более общее соотношение:0= (1 − )−ℎ( )ℎ = 0.39 1 − 1/ + 2.5(1/)(1.8)(1.9)33где ℎ() – функция показателя напряжения, n - показатель напряжения, обратнопропорциональный скорости деформации.Эта взаимосвязь может быть применена в случае матриц, которые могутбыть описаны законом степенной ползучести и обеспечивают более точныерезультаты.Если матрица идеально-пластична, то уравнение (1.8) можно записать ввиде [95, 96]:0= (1 − )−0.39(1.10)При достаточно низкой объемной доли частиц и идеально-пластичныхматрицах, уравнение (1.7) можно записать в виде уравнения (1.8) с β=0.39, всоответствии со значением β, показанном на Рис.
1.6.Если матрицы имеют ньютоновскую реологию (т.е. постоянную вязкость сразличными скоростями деформации), то значение показателя напряженияравно 1. Функция h(n) станет равной 2,5, что также согласуется с результатами,представленными для сыпучих материалов [92].Таким образом, уравнение (1.8) является достаточно универсальным дляописания механического поведения дисперсно-упрочненного материала.Одна из наиболее простых ираспространенных моделей описаниядеформирования двухкомпонентной стали представляет собой простое правилосмеси. Это подход развивали Болотин В.В., Немировский Ю.В., Рабинович А.Л.и другие[97, 98].
Общее описание этой модели и ее модификаций представленов работах [99].Правило смеси может быть основано на предположении либо общейдеформации, либо общего напряжения. Модель на основе общего напряжения,Рис. 1.7, а), предполагает, что напряжение для обоих фаз равно σ, адеформацию материала можно найти с помощью суммирования деформацийкаждой фазы с учетом объемной доли.
В скоростях деформации уравнениеимеет вид: = 1 1 + (1 − 1 )2(1.11)34Рис.1.7.Идеальнаякомпозитнаямикроструктура:а) общее напряжение и б) общая деформация [100].Модель на основе общей деформации, Рис. 1.7, б) учитывает, чтодеформация фаз одинаковы, а напряжение может быть определено: = 1 1 + (1 − 1 )2(1.12)Напряжение ползучести каждой фазы определяется его собственнымуравнением состояния.1.4 Обзор свойств низкоуглеродистых легированных сталей при высокихтемпературахДля того чтобы определить влияние фазового состава и температуры намеханические свойства материала, необходимо иметь общее представление освойствах каждой фазы при заданной температуре.
Как правило, пределпрочности аустенитных марок имеет значительно более высокие значения, чеммартенситных или ферритных сталей. Мартенситные стали показываютнаибольшие значения предела прочности при низких температурах, которыебыстро понижаются при повышении температуры [101].Рис. 1.8 дает общее представление о зависимости предела прочностисталей от температуры.35σssts,МПамартенситная сталь 410600500400300аустенитнаясталь 316200100200400600800T, CРис.
1.8. Типичные кривые зависимости напряжений от температурыпри испытаниях на разрыв для мартенситной стали 410 иаустенитной стали 316 при высоких температурах [101].Рис. 1.8 показывает, что мартенситная сталь класса 410 (красная сплошнаялиния) имеет наибольший предел прочность при температурах ниже 550°С, нопри температуре выше 550°С он значительно ниже, чем у большинствааустенитных марок сталей, например 316 (синяя пунктирная линия).Как видно из Рис. 1.8, свойства мартенситной стали указаны лишь дотемпературы 650°C, так как при высокой температуре (обычно выше 650°C 800°C) мартенситные стали претерпевают фазовое превращение и имеютструктуру аустенита. Таким образом, свойства аустенитной стали с близкимхимическим составом могут быть использованы для анализа, сравнения ипрогноза свойств и механизмов деформации мартенситных сталей при высокихтемпературах.Свойства аустенитных и мартенситных низкоуглеродистых легированныхсталей при высоких температурах представленыдля понимания свойствсоответствующих фаз низкоуглеродистых мартенситных сталей.361.4.1 Аустенитные сталиВ настоящее время множество работ посвящено исследованию свойстваустенитных сталей класса 304L и 316L [102 - 103].
Типичный химическийсостав этих сталей представлен в Таблице 1.2.Таблица 1.2Химический состав аустенитных сталей 304L и 316 L, мас. %CCrNiMoMnSiN304Lmax 0.0318-208-12-max 2max 1-316Lmax 0.0316-1812-152-3max 2max 1-Аустенитная сталь класса 304L - это хромоникелевый низкоуглеродистыйсплав, который имеет близкий к исследуемому сплаву химический состав.Аустенитная сталь 304L содержит несколько больше хрома, никеля и углерода.Характеристика механических свойств нержавеющей стали 304L представленаво многих работах, в связи с ее широким использованиемв различныхотраслях промышленности.Вработе[103]приведенырезультатыисследованияодноосногорастяжения при различных температурах (от 25°С до 800 ° С) и скоростидеформации 0,001с-1, Рис.
1.9.Рис. 1.9. Влияние температуры на кривую «напряжениедеформация», сталь 304lL [103].37Автор отмечает, что вид кривой «напряжение-деформация» при 800°Ссвидетельствует о процессе рекристаллизации в микроструктуре стали 304L.Также при температурах выше 700°С происходит увеличение максимальнойдеформации до разрушения при увеличении температуры, в то время как до700°Сэта зависимость обратная, что указывает на смену механизмадеформации.Эшби М.Ф., Сервант С.
и другие [104 - 106] разработаликартымеханизмов деформаций для нержавеющей стали 304L, Рис. 1.10. Механизмдеформации зависит от нормального напряжения ζs/μ и гомологичнойтемпературы T/1810, где μ - модуль сдвига, а 1810K является точкой плавленияматериала. Границы между различными механизмами деформации зависят отуровня напряжения, температуры и размера зерна.Рис. 1.10. Карта механизма деформации для легированнойстали 304 с размером зерна 50 мкм [105].Однако на карте, показанной на Рис. 1.10, не определены еще двамеханизма деформации.
Первый – это зернограничное скольжение, котороеобычно происходит при высоких температурах, а второй – двойникование,которое наблюдается при низких температурах. Энергия активации процесса38деформирования может показать, какой из механизмов работает в данномслучае.Также в ходе деформации при высоких температурах могут наблюдатьсядеформационное упрочнение и разупрочнение, связанные с такими явлениями,как динамический возврат и динамическая рекристаллизация. Эти явленияотражаются на кривой «напряжение-деформация» и в микроструктуре, как этосхематически показано на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
