Сопротивление материалов. Усталость и ползучесть материалов при высоких температурах

УДК 539.3/.4
ББК 30.121

П21

Рецензент:

Г.Н. Гаврилов — доктор технических наук, профессор

Пачурин Г.В.

П21
Сопротивление материалов. Усталость и ползучесть материалов при

высоких температурах : учебное пособие / Г.В. Пачурин, С.М. Шевченко, В.Н. Дубинский ; под общ. ред. Г.В. Пачурина. — М. :
ФОРУМ : ИНФРАМ, 2019. — 128 с. — (Высшее образование).

ISBN 9785000910535 (ФОРУМ)
ISBN 9785160107769 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161026441 (ИНФРАМ, online)

В учебном пособии рассмотрена проблема повышения эксплуатационной надежности металлических материалов в изделиях инженерных конструкций, работающих в условиях ползучести и циклических нагрузок при
повышенных температурах. На основании аналитического обзора, изучения теории вопроса, систематизации экспериментальных данных, комплексных структурномеханических и фрактографических исследований
определены основные микромеханизмы и закономерности разрушения металлов и сплавов разных классов при высокотемпературной усталости и
ползучести. Даны практические рекомендации по повышению эксплуатационных свойств, стабильности механических свойств и качества деталей
из металлов и сплавов при повышенных температурах.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки (укрупненные группы)
13.00.00 «Электрои теплоэнергетика»», 15.00.00 «Машиностроение»,
20.00.00 «Техносферная безопасность и природоустройство», 22.00.00 «Технологии металлов», 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта»,
также будет полезно при подготовке специалистов по обработке металлов
давлением и термической обработке металлов.

УДК 539.3/.4
ББК 30.121

ISBN 9785000910535 (ФОРУМ)
ISBN 9785160107769 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161026441 (ИНФРАМ, online)

© Пачурин Г.В., Шевченко С.М.,

Дубинский В.Н., 2015

© Издательство «ФОРУМ», 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Введение

По мере развития техники все большее число ответственных деталей машин и механизмов работает при повышенных температурах.
Многие из этих деталей (клапаны двигателей, лопатки турбин и др.)
подвергаются действию переменных нагрузок, другие (например, детали узлов атомных реакторов) — постоянных длительно приложенных нагрузок. Их надежность в работе определяется, соответственно,
сопротивлением усталости и ползучести. В обоих случаях разрушение
изделия может произойти под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести, которые являются мерой прочности при статическом нагружении. В обоих случаях процесс разрушения является сложным, многостадийным, статистическим и многомасштабным (происходящим на разных масштабных уровнях:
атомных, дислокационных, субструктурных и структурных).
Создание надежных критериев сопротивления пластической деформации и разрушению осложняется влиянием большого числа
внутренних и внешних факторов, а также трудностью проведения
длительных опытов при повышенных температурах. Решение проблемы требует изучения закономерностей механического поведения
металлов, привлечения теории дефектов кристаллической решетки,
которая позволяет перейти от феноменологического и нестрогого
описания деформации и разрушения к физически обоснованному
анализу атомного механизма этих процессов.
В данном пособии изложены механизмы деформации и разрушения в условиях высокотемпературной усталости и ползучести на базе
большого литературного материала, а также данных научноисследовательских работ, выполненных авторами. Для металлов и сплавов с
разным типом кристаллической решетки, величиной энергии дефекта
упаковки, в различных структурных состояниях рассмотрены эффекты предварительной пластической деформации на циклическую долговечность, стадийное развитие усталостного разрушения, роль зернограничного проскальзывания (ЗГП) в накоплении повреждаемости

при высокотемпературном нагружении постоянной нагрузкой и факторы, влияющие на ЗГП. Представлены полученные теоретические и
экспериментальные зависимости параметров процесса разрушения от
условий нагружения, на базе которых разработаны практические вопросы: прогнозирование сопротивления высокотемпературной усталости деформированных металлов и сплавов по характеристикам, определяемым при статическом растяжении, прогнозирование длительной прочности по данным кратковременных испытаний, методика
расчета рабочего давления мембран (условие двухосного растяжения).
Учебное пособие может быть полезным студентам, магистрантам
и аспирантам специальностей, связанных с термической и пластической обработкой металлов, материаловедением, для углубленного
изучения механизмов усталости и ползучести, методикой применения теорий пластической деформации и разрушения для решения
практических задач.
Авторы хотели бы отметить, что многие из представленных экспериментальных материалов были получены при участии наших коллег — бывших и настоящих сотрудников НГТУ и НГУ, металловедов
научных школ профессоров Л.Д. Соколова и И.Е. Курова, и высказать им слова благодарности, в том числе персонально к.т.н. В.Н. Сахаровой и д.т.н. Г.П. Гусляковой.

4
Введение

Глава 1
УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

1.1. Механические свойства материалов
при статическом нагружении

Анализ экспериментальных данных показывает, что c понижением температуры испытания металлических материалов от 0,6 до
0,25Тпл (К) величина показателей прочности σ0,2 и σв, как правило,
возрастает, а показателей пластичности ψ и δ — уменьшается. Эта
закономерность усиливается по мере увеличения степени предварительного пластического деформирования образцов. Способность материалов к деформационному упрочнению при статическом нагружении для комнатной температуры снижается с ростом степени
предварительного наклепа, особенно интенсивно в области малых
степеней и для материалов с низкой энергией дефекта упаковки
(э.д.у.).
Кривые упрочнения материала располагаются тем выше, чем
больше степень предварительной деформации. Зависимость «истинное напряжение — истинная деформация» предварительно деформированных металлических материалов иногда оказывается немонотонной, т. е. кривые имеют перегиб. В этом случае показатели степени в
уравнении кривой деформационного упрочнения (σ = σ0 ⋅ εA) при статическом растяжении А1 и А2 характеризуют наклон кривой упрочнения соответственно до и после перегиба А1
А2. Величина параметров
А1 и A2 уменьшается с ростом степени предварительного растяжения
(рис. 1.1).
При равных относительных степенях предварительной деформации (εпр.д/εi, где εi — истинная деформация до разрушения) наклон

кривых упрочнения сплавов возрастает с понижением э.д.у. материала, особенно в области малых степеней предварительной деформации.
Известно, что энергия активации релаксационных процессов при
гомологической температуре ≈ 0,25Тпл (К) зависит от энергии дефекта
упаковки (школа Л.Д. Соколова).
Согласно Г. Зегеру энтальпия активации (u) для релаксационного
механизма пересечения «леса» дислокаций, контролирующего процесс пластической деформации для рассматриваемых условий, определяется выражением:

u = uо − V *(τ − τg),
(1.1)

где V * — активационный объем, равный V * = b ⋅ d ⋅ l* (b — вектор
Бюргерса;
d — ширина расщепления дислокации, увеличивающаяся с
уменьшением э.д.у.;
l* — расстояние между дислокациями «леса», пересекаемыми
скользящей дислокацией);

6
Глава 1. Усталость металлов и сплавов при высоких температурах

Рис. 1.1. Зависимость показателей упрочнения А1 () и А2 (——) латуни Л63,
меди M1 и стали I2X18H10T от относительной степени предварительной деформации

τ = τg + τs — деформирующее напряжение (τg — атермическая компонента; τs — термическая компонента, обусловленная стягиванием
расщепленных дислокаций при их пересечении);
произведение V * (τ − τg) — латентная (скрытая) энергия пластической деформации, связанная с наклепом;
uо — нерелаксированная энергия активации механизма пересечения «леса» дислокаций.
Для малых степеней деформации величина τs соизмерима с τg (τs ≈
≈ τg), а для больших деформаций τg >> τs, т. е. при увеличении степени
деформации основной вклад в упрочнение вносит дальнодействующее упругое взаимодействие дислокаций, что приводит к увеличению
условного предела текучести с ростом степени предварительного наклепа.
Анализ данных (Р. Бернер и Г. Кронмюллер) показывает, что отношение τs/τg различно для материалов с разной величиной э.д.у.
Так, для одинаковой степени сдвиговой деформации (более 0,15)
в условиях низкой гомологической температуры у меди (э.д.у. = 7 ×
× 10−2 Дж/м2) τs/τg ≤ 0,05, в то время как у цинка (γ = 2,5 ⋅ 10−1 Дж/м2)
τs/τg ≈ 0,35. Следовательно, вклад термической компоненты τs в пластическое течение металла с увеличением энергии дефекта упаковки
возрастает, что обусловливает большую скорость релаксации напряжений в металлах с высокой γ и более слабую зависимость их способности к деформационному упрочнению от предварительного наклепа
по сравнению с металлами с низкой э.д.у. Это подтверждается литературными данными, согласно которым для металлов при одинаковой степени предварительной пластической деформации плотность
дислокаций возрастает с уменьшением энергии дефекта упаковки.
Величина показателя степени А в уравнении кривой деформационного упрочнения (σ = σ0 ⋅ εA) при статическом растяжении при повышенных (∼0,6Тпл, К) температурах, как правило, ниже, чем при
комнатной, и зависит от природы материала и скорости статического
нагружения.
Так как в области высоких температур (>0,4Тпл, К) величина τg
(в уравнении 1.1) мала, то за счет возрастания внешнего напряжения
τ с ростом деформации энергия (энтальпия) активации релаксационных процессов U снижается. Это приводит к возрастанию скорости
релаксации. Кроме того, с ростом температуры деформации в материале увеличивается э.д.у., что, в свою очередь, также приводит к интенсификации релаксационных процессов.

1.1. Механические свойства материалов при статическом нагружении
7

1.2. Развитие процесса усталости в материалах
при разных температурах

Развитие процесса усталостного разрушения металлических материалов состоит из трех этапов: зарождения, развития усталостной
макротрещины и быстрого долома. Их длительность и характер зависят от структуры материала, формируемой соответствующими режимами технологической обработки.

1.2.1. Термически обработанные материалы

Образование интенсивных полос скольжения, наблюдающихся
почти во всех зернах металла опасного сечения, приводит к резкому
уменьшению текущего прогиба отожженных меди М1 и латуни Л63.
Затем интенсивность скольжения по вторичным плоскостям
скольжения увеличивается, наблюдается пересечение полос скольжения и, наконец, появляется микротрещина на поверхности образца,
чему соответствует наступление периода стабилизации изменения его
прогиба.
Моменту появления на поверхности материала трещины lз.тр длиной ∼1,0 мм соответствует возрастание его прогиба (рис. 1.2). Период
до зарождения трещины (nз.тр) у отожженной меди гораздо меньше,
чем у отожженной латуни (рис. 1.3, кривые 1 и 3 соответственно). Например, при амплитуде напряжения 280 MПа nз.тр для отожженной
М1 составляет лишь 1,4 ⋅ 103 циклов, в то время как для отожженной
Л63 даже при σа = 300 МПа уже 8,4 ⋅ 103 циклов. Это подтверждает
данные Д. Эвери и В. Бэкофена, согласно которым период до зарождения усталостной трещины должен возрастать с уменьшением энергии дефекта упаковки материала.
Последующее развитие макротрещины обусловливает резкий
рост прогиба образца (рис. 1.2 и 1.3). Так, у отожженной М1 трещина
растет вначале с относительно небольшой скоростью 8 ⋅ 10−3...4 ×
× 10−1 мкм/цикл, а затем при отношении lтр/d = 0,15 со значительно
возросшей 2, 8 ⋅ 10−3...2,3 ⋅ 10−3 мкм/цикл (рис. 1.4) при изменении
амплитуды напряжения соответственно в пределах от 100 до 200 МПа.
При этом усредненная скорость роста усталостной трещины в латуни Л63 при σа = 300 МПа составляет лишь 1,53 мкм/цикл (рис. 1.5;

8
Глава 1. Усталость металлов и сплавов при высоких температурах

кривые 3, 1), в то время как в меди М1 даже при σа = 280 МПа составляет 3,64 мкм/цикл (рис. 1.5, кривые 2 и 4).
Таким образом, экспериментальные данные подтверждают также
мнение других авторов о том, что в материалах с высокой э.д.у. при
прочих равных условиях время работы материала с трещиной уменьшается, а скорость ее развития увеличивается.
При амплитудах σа = 280 МПа и 200 МПа (N = 2,2 ⋅ 103 и 1,65 ⋅ 104,
соответственно) излом отожженной М1 имеет поверхность с бороздчатым рельефом и глубокими следами роста трещин. Долом происходит очень быстро.
Он занимает небольшую долю от сечения образца и содержит
ровную площадку скола. С понижением амплитуды σа = 100 МПа (N =
= 7,02 ⋅ 105 циклов) долом носит вязкий, ямочный характер. Очаги зарождения фактически не выявляются, а их развитие в глубь образца

1.2. Развитие процесса усталости в материалах...
9

Рис. 1.2. Сопоставление кривых изменения текущего прогиба образцов (а) и
роста усталостных трещин (б) для отожженной меди М1 в исходном состоянии и
после деформации до 25 %. Консольный изгиб с вращением с частотой 50 Гц;
σа = 140 МПа

Глава 1. Усталость металлов и сплавов при высоких температурах

Рис. 1.3. Зависимость числа циклов до зарождения усталостной трещины (lgNз.тр)
от амплитуды приложенного напряжения (lg σа) при комнатной температуре для
отожженных М1 (1) и Л63 (2), а также твердой М1 (3) и полутвердой Л63 (4). Консольный изгиб с вращением с частотой 50 Гц

Рис 1.4. Зависимость скорости роста
усталостной трещины в первый период (lgV1тр) (кривые 2, 4, 6) и во второй
период (lgV2тр) (кривые 1, 3, 5) от
уровня
приложенного
напряжения
при комнатной температуре: М1 отожженная (1, 2); М1 твердая (3, 4); Л63
полутвердая (5, 6). Консольный изгиб
с вращением с частотой 50 Гц

Рис. 1.5. Зависимость усредненной
скорости роста усталостной трещины
от уровня приложенного напряжения
при комнатной температуре для отожженной (1) и твердой (2) меди М1,
отожженной (3) и полутвердой латуни
Л63 и сплава В95пчТ2. Консольный
изгиб с вращением с частотой 50 Гц