|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы Производство сплавов в виде монокристаллических изделий обеспечивает дальнейшее улучшение свойств. Отсутствие границ зерен позволяет удалять из сплава такие легирующие элементы, как С, В, Zr и Hf, вводимые для оптимизации свойств границ зерен в поликристаллических материалах. У большинства сплавов удаление этих легирующих элементов вызывает повышение температуры плавления. В свою очередь, это позволяет проводить термическую обработку на твердый раствор при более высоких температурах и тем самым перевести в твердый раствор большее количество у'-фазы; в результате большее количество выделений у'-фазы образуется в процессе последующего старения. Переход от равноосной микроструктуры к структурам направленной кристаллизации и, в частности, к монокристаллическим приводит к значительному увеличению длительной прочности [30] (рис. 9.13). Рис,9.13. Характер ползучести сплава МАР-200 в трех модификациях: 1 - с равноосным зерном; 2 - после направленной кристаллизации; J - в монокристаллическом состоянии при 982 °С и 206 МПа (по данным F.L.Versnyder и M.E.Shank 130]) Еще большего упрочнения монокристаллов достигли путем создания плотоподобной микроструктуры выделений у'-фазы. Путем соответствующего управления размерным несоответствием кристаллических решеток у'-фазы и матрицы добиваются того, что в процессе старения под напряжением образуются пластинчатые выделения у'-фазы, ориентированные перпендикулярно оси растягивающего напряжения. Размер этих пластинок или плотов может достигать размеров самого кристалла. Степень упрочнения зависит от протяженности поверхности раздела между у'-фазой и матрицей, и более высокой длительной прочности достигают при более дисперсной структуре плотов . При тщательном регулировании размерного несоответствия решеток можно достичь очень сильного упрочнения монокристаллов за счет выделений ц' -фазы.  Прочность самой г'-фазы и, следовательно, упрочняемых ею сплавов зависит от температуры. В зависимо<ти от химического состава предел текучести у'-фазы достигает пиковых значений при 704-760 °С. Выше этих температур прочность у'-фазы снижается, а содержащие ее сплавы проявляют склонность к быстрой потере прочности по мере того, как температура приближается к 980 °С. Для столь высоких температур разработаны другие механизмы упрочнения, позволяющие обойтись без участия выделений у'-фазы, образующихся по реакции старения. С этой целью исследованы процессы направленной кристаллизации эвтектик, содержащих такие фазы, как NijAl, NijCo, ТаС и CtjCj. После направленной кристаллизации эти структуры в идеале состоят из параллельных друг другу равномерно распределенных в объеме матрицы интерметаллидных или карбидных волокон. Для некоторых сплавов провели дополнительное легирование, чтобы упрочнить эту матрицу старением по у'-фазе. Эти материалы обладали хорошей длительной прочностью при высоких температурах, но их промышленное применение сдерживалось необходимостью сохранять низкие скорости кристаллизации, необходимые для получения оптимальной морфологии волокон. Хорошего уровня длительной прочности при высоких температурах достигли и с помощью дисперсного оксидного упрочнения. Материалы такого рода получают методами порошковой металлургии; обычно они содержат частицы YjOj, предназначенные и для упрочнения, и для управления размером и формой зерен. При более низких температурах эти сплавы, как правило, уступают в прочности сплавам, упрочняемым выделениями у'-фазы по реакции старения; причина в том, что для достижения очень высокой прочности необходимо обеспечить одновременно высокую объемную долю и равномерное распределение оксидных частиц, а сделать это достаточно трудно. По сравнению с у'-фазой оксидные частицы обладают гораздо большей термической стабильностью и, следовательно^ гораздо более эффективны при высоких температурах; выше 982 °С такие сплавы превосходят по длительной прочности сплавы, упрочняемые выделениями у'-фазы. Работы последних лет сосредоточены на сочетании дисперсного оксидного упрочнения с упрочнением у'-фазой по реакции старения; этим путем стремятся обеспечить высокую длительную прочность в более широком интервале температур. Эти новые материалы в своей значительной части анизотропны, так что их свойства могут заметно ухудшаться в случаях внеосевого нагружения. Это обстоятельство порождает проблемы сохранения свойств в определенных участках конструкций, например, в местах, где лопатки прикрепляются к турбинному диску. В остальном применение новых материалов для изготовления лопаток не исключается. В плане использования этих интересных материалов вне конструкций реактивного двигателя сделано очень немного. Возможно, при пониженных температурах они пригодны в качестве деталей крепежа или трубопроводных систем, где их анизотропные характеристики могут быть использованы с выгодой. Словом, поиск сфер для более широкого применения этих необычных материалов может оказаться пло;аотворнь 1. Глава 10. УСТАЛОСТЬ Р.В.Майнер (Robert V.Miner, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio) Поведение суперсплавов в условиях усталости - тема далеко не узкая. Название суперсплавы охватывает материалы от сплавов с твердорастворным упрочнением ва основе викеля или кобальта до никелевых сплавов, содержащих до 65 % (по объему) у -фазы, и от монокристаллических отливок до мелкозернистых деформируемых изделий порошковой металлургии. Рассматривая усталостное поведение, необходимо учитывать его реакции на действующие механизмы ползучести и повреждающее действие среды, поскольку суперсплавы работают при высоких температурах и в агрессивных средах. Естественно, надо рассмотреть все стадии циклического деформирования, зарождения и распространения трещины, чтобы иметь данные для наиболее эффективного проектирования таких сложных механизмов, какими являются газотурбинные двигатели. 10.1. Циклическое деформирование Чтобы предвидеть, какими будут напряжения в конструкциях, подвергаемых пластической деформации в условиях циклического нагружения, - в макроскопических масштабах или локально, в зонах концентрации напряжений, - необходимы сведения о характере зависимости между циклическим напряжением и циклической деформацией. Понять природу за-. 336 рождения и роста усталостных трещин помогает и знание механизмов циклического деформирования; их особенностью является интенсивная локальная циклическая деформация в полосах скольжения, в зонах вокруг дефектов или вершин трещин. Необходимо знать, как на эти процессы влияют изменения в микроструктуре, вызванные накоплением пластической деформации, возвратом, огрублением выделений второй фазы, а также изменения в химическом составе сплава, температуре, длительности и скорости деформирования. Чтобы определиться с терминологией для ее последующего употребления, приводим на рис. 10.1, а-в схему петель гистерезиса, соответствующих испытаниям на изотермическую усталость, изотермическую усталость с задержкой в области сжимающего напряжения и термомеханическую усталость, при которой наивысшая и наинизшая температуры совпадают соответственно с максимальными деформациями сжатия и растяжения. Для петли гистерезиса, отвечающей сочетанию режимов усталости и ползучести, даны значения деформации полной (Ле,), неупругой (Ае, ) и ползучести (АЕс)- Для всех показанных циклов отношение минимальной деформации к максимальной деформации = -1. Суперсплавы, упрочняемые выделениями у'-фазы В, качестве характерного представителя суперсплавов (прототипа) используем Udimet 700. Сплав тщательно исследовали [1, 2] и нашли, что во многих отношениях его поведение в условиях усталости характерно для никелевых суперсплавов, упрочняемых выделениями у'-фазы. Реакция сплава Udimet 700 при температурах от 21 до 927 °С представлена на рис. 10.2. При низких значениях Де, материал в процессе циклического нагружения не упрочняется и не разупрочняет-ся. При Ае, > 10 сплав поначалу упрочняется (но не при высоких температурах, где он непрерывно разупрочняется, начиная с первого цикла). Это упрочнение непродолжительно и переходит в непрерывное разупрочнение. Здесь опять-таки есть исключение - температура 427 °С, при которой этап упрочнения в 10 раз продолжительнее, чем при более высоких или более низких температурах, а разрушение происходит раньше, чем наступает этап разупрочнения. Суперсплавы, упрочняемые выделениями у'-фазы, реагируют на циклическое нагружение во многих отношениях анало- 
Рис.10.1. Петли гистерезиса в условиях циклического нагружения по раз- личным режимам: а - регулярное циклическое нагружение; б - цикл нагружения в режиме ползучесть-усталость с задержкой в области сжимающей нагрузки; в - нерегулярное циклическое нагружение в режиме термомеханической усталости; / - низкая температура; - высокая температура Рис.10.2. Сплав Udimet 700. Изменение циклической нагрузки F в зависимости от температуры и амплитуды ASj неупругой деформации. Частота нагружения 0,03 Гц; отношение максимальной и минимальной деформации i?g= -1 [1, 2]: I - Де, 4 X 10-3; 2 - Де 10-3; 5 Де j Х Ю-З. Числа у кривых -температура, °С гично сплавам, упрочняемым другими видами выделений, способных к сдвиговой деформации. Однако в то же время эта реакция суперсплавов уникальна в связи с особенностями поведения самих выделений у'-фазы. Фаза представляет собой упорядоченное соединение, выделения которого когерентны матрице, а поперечное скольжение дислокаций вокруг частиц фазы довольно затруднительно; в совокупности эти факторы предопределяют сильную тенденцию к развитию преимущественно плоскостного скольжения. У матрицы суперсплавов системы Ni-Cr-X энергия дефектов упаковки достаточно низкая, так что поперечное скольжение затруднено, особенно при низких температурах. Из-за малого размера выделений у'-фазы, большого размера зерен, низкой темпе- ратуры, высоких скоростей деформации и низкого значения Ас,- деформация сосредоточена в довольно малочисленных и грубых полосах скольжения. Циклическое упрочнение с последующим циклическим разупрочнением, свойственное при некоторых условиях (см. рис. 10.1) суперсплавам, содержащим упрочняющую у'-фазу, не является уникальным для систем с упорядоченными выделениями. Подтверждением этому служит (рис. 10.3) поведение монокристаллов сплава Си-2 % (ат.) Со [З], где выделения представляют собой практически чистый кобальт. Старение по режимам, дающим различный размер выделений, приводит к целому спектру возможных поведений сплава. Когда выделения мелки, циклическое упрочнение слабо отличается от такового у пересыщенного твердого раствора. Упрочнение с последующим разупрочнением приобретает законченный вид на пике старения , в этом случае дислокации сначала нагромождаются перед частицами фазы, а затем перерезают их. При еще более крупных частицах становится возможным образование вокруг них дислокационных петель. Когда частицы достигают своего максимального размера, амплитуда напряжения сначала возрастает, а затем достигает характеристического и очень устойчивого уровня. Аналогичное влияние размера выделений зарегистрировано и у суперсплавов [4, 5]. Вероятно^ деформационное упрочнение дает вклад в начальное циклическое упрочнение суперсплава, как только начинается перерезание частиц у'-фазы. В литературе уже обсуждали интенсивное деформационное упрочнение у'-фазы и его сложную зависимость от температуры и кристаллографической ориентации [6]. Циклическое упрочнение с последующим циклическим разупрочнением наблюдали и у других упорядоченных интерметаллических соединений [7]. Один из элементов вклада в полный эффект упрочнения- это вклад от разупорядочения в полосах скольжения. Согласно некотором наблюдениям [5], если сплав Waspaloy кратковременно состарить после его перехода в стадию циклического Это часто всгречающееся в данной главе понятие (peak-aged condition) удобно употреблять в связи с краткостью и ясностью смысла вместо распространенного, но более громоздкого старение на максимальную прочность . Прим. перее.  в ч я 1 §< 2 л S о 3 II с 9D я 2 gS £ 2 ж S f- о n разупрочнения, последующее циклическое нагружение вновь сопровождается исходным циклическим упрочнением. Явление циклического разупрочнения объясняли также уменьшением площади поперечного сечения выделений в плоскости сдвига. Согласно данным многих авторов, плоскостность скольжения в суперсплавах (недостаренных или на пике старения) в процессе циклического нагружения объясняется перерезанием частиц у'-фазы [5, 8, 9]. Среди промышленных суперсплавов с полимодальным (по размерам) распределением частиц у'-фазы те из них, что не достарены до состояния, соответствующего высокой объемной доле крупных частиц (~ 0,2 мкм), обнаруживают наиболее выраженное плоскостное скольжение и самое слабое циклическое упрочнение. У перестаренных сплавов перерезание частиц выражено очень слабо, и обычно после некоторого начального подъема циклическое упрочнение прекращается (устанавливается стабильный силовой режим). Дислокации образуют петли вокруг частиц упрочняющей фазы и упаковываются в матрицу. Могут быть видны и полосы скольжения, но они менее плоскостные и равномернее распределены. С увеличением размера зерен плоскостность скольжения возрастает. Это явление (подробнее рассмотрено ниже) очень отчетливо проявляется при росте усталостной трещины. Сплавам несколько недостаренным или на пике старения присуще очень грубое, неравномерное распределение плоскостного скольжения [8, 9]. По данным рис. 10.3 можно предположить (речь об этом еще пойдет ниже), что неравномерное распределение скольжения на пике старения суперсплавов с упрочняющей у'-фазой чревато ранним зарождением трещин в полосах плоскостного скольжения. На пике старения максимальный сдвиг, измеренный в любой полосе скольжения, может быть в 3-5 раз больше, чем в недостаренном или перестаренном состоянии. Экстремальная картина с циклическим упрочнением и разупрочнением, которая возникает на пике старения (см. рис. 10.2), отражает нестабильность пластического течения. В этом состоянии частицы второй фазы очень прочны, но как только скольжение возникло в нескольких относительно податливых плоскостях, они разупрочняются катастрофически и обеспечивают сосредоточение последующей пластической деформации в этих немногих полосах скольжения. Было показано [Ю], что грубые полосы скольжения появляются только после начала циклического разупрочнения. Как было отмечено выше (см. рис. 10.2), циклическое упрочнение зависит от величины Де,>,. Эта зависимость выражается кривой циклическое напряжение - циклическая деформация . Величину Дс, отвечающую половине числа циклов до разрушения, обычно относят к установившейся амплитуде напряжения ; при различных условиях испытания Дсг как функция Де, определяет характер кривой циклическое напряжение - циклическая деформация . В диапазоне величин Де, , представляющем всеобщий интерес, эта кривая может быть аппроксимирована уравнением Холломона Дсг = ЫсГп, где к и л'-константы. Для суперсплавов при низких и промежуточных температурах л'=0,1. Было показано [Н], что по этим характеристикам механического поведения рассматриваемые суперсплавы занимают промежуточное положение между различными классами сплавов. Для упрочняемых старением алюминиевых сплавов, мартенситостареющих сталей и сплавов титана п' < 0,1, тогда как для никеля, меди, низколегированных сталей и сплавов с твердорастворным упрочнением п'>0,2. Низкий уровень п' упрочняемых старением материалов, проявляющих плоскостное скольжение, отражает легкость обратной деформации по разупрочненным полосам скольжения. Отражением более равномерной деформации при высоких температурах является повышенный уровень п', достигающий у суперсплавов ~ 0,3. Процесс формирования устойчивых полос скольжения в суперсплавах с упрочняющей у'-фазой отличается от такового в сплавах с волнистыми полосами скольжения в том отношении, что в первых образованию устойчивых полос предшествует очень незначительный или вообще не предшествует процесс равномерного деформирования. Судя по данным трансмиссионной электронной микроскопии, в суперсплавах, подвергнутых циклическому деформированию до разрушения Условный термин; эти полосы, присущие только циклическому нагружению не устраняются последующим отжигом. Прим. перее. нагружению, при малом Де, , за пределами немногочисленных полос скольжения расположены лишь немногие дислокации. При малых значениях Де, интенсивное повреждение материала происходит только в локальных участках - у дефектов или в грубых полосах скольжения. Деформация в устойчивых полосах скольжения относительно обратима и не распространяется на области между этими полосами. Среди зерен поликристаллического образца деформация распределена тоже неравномерно. В тех зернах, чья ориентировка по отношению к приложенному напряжению характеризуется низкими модулями упругости и/или дает низкое приведенное сдвиговое напряжение, аккомодация деформации происходит в упругой области. С увеличением Де, плотность полос скольжения возрастает, и в конце концов циклическое упрочнение становится выше по мере того, как все новые системы скольжения вынуждены действовать, а деформация становится все равномернее. Полная кривая циклическое напряжение - циклическая деформация для монокристаллического суперсплава при комнатной температуре аналогична этим кривым у чистых металлов со структурой г.ц.к. [12]. При очень низких и очень высоких значениях Де , с ростом Де, растет и величина Д(Г, однако при промежуточных Де, величина До относительно постоянна. Думают, что это плато характеризует сдвиговое напряжение, необходимое для создания устойчивых полос скольжения, каждая из которых вносит свою малую долю деформации. Аккомодация роста Де, может идти при неизменном уровне Дс до тех пор, пока не будет достигнута некоторая критическая плотность устойчивых полос скольжения. У поликристаллических материалов зона плато имеет некоторый положительный наклон, так как из-за различия в ориентицовках приведенное сдвиговое напряжение у одних зерен больше, чем у других. С увеличением температуры снижается склонность к плоскостному скольжению. Свой вклад в эту перемену дают различные явления. Энергия дефектов упаковки возрастает с увеличением температуры [13], облегчая поперечное скольжение. В зернах подходящей ориентировки может активизироваться первичная система скольжения по плоскости куба. С увеличением температуры вплоть до промежуточных повышается прочность у'-фазы и возрастает склонность к образова- нию дислокационных петель вокруг ее частиц. Повышение скоростей диффузии способствует переползанию дислокаций; последнее активизируется также благодаря понижению скорости деформирования и выдержкам под неизменной нагрузкой в сжимающей части деформационного цикла. Все эти явления обусловливают ослабление циклического разупрочнения, связанного с перерезанием частиц у'-фазы. Высокотемпературное циклическое деформирование вызывает микроструктурные изменения в виде быстрого огрубления частиц у'-фазы, как при старении под напряжением, хотя выделения пластинчатой формы не появляются [14]. На поверхностях раздела укрупненных частиц у'-фазы возникают дислокационные скопления, они напоминают дислокационные сетки, связанные с размерным несоответствием решеток фазы и матрицы. Некоторые из этих поверхностных дислокаций должны обеспечивать пластическое течение, двигаясь возвратно-поступательно по каналам , образованным у'-фазой. Из-за подключения процессов ползучести характер кривой циклическое напряжение - циклическая деформация начинает зависеть от времени. При низкой частоте нагружения циклические напряжения оказываются ниже из-за более низкой скорости деформации и развития процессов динамического возврата. Рост длительности цикла создает возможность для статического возврата дислокационной структуры, а также для огрубления выделений у'-фазы. В поликристаллическом состоянии становятся важными процессы повреждения, связанные с образованием пор по границам зерен сплава. На характере циклического деформирования суперсплавов с упрочняющей у'-фазой отражаются некоторые дополнительные виды деформации последней. В зависимости от ориентировки, у монокристаллов и у индивидуальных зерен поликристаллического материала можно наблюдать октаэдрическое или кубическое скольжение. При циклическом деформировании по схеме растяжение-сжатие у монокристаллической у'-фазы [15] и у суперсплавов [16, 17] наблюдали анизотропию текучести для ориентировок, близких к <001> и <011>, а также продолжительное анизотропное упрочнение по наиболее прочному направлению. При промежуточных температурах у нескольких сплавов на основе никеля [1, 17-29] наблюдали эффекты деформационного старения в виде роста напряжения течения с умень- шением скорости деформации и/или прерывистого течения. Например, у сплава Udimet 500 ниже 760 °С величина Лс для данного значения Де, возрастает с уменьшением частоты нагружения [18]. У многих сплавов на протяжении многих циклов могут совершаться прорывы скольжения [1, 17]; особенно характерно это явление для ориентировок единичного скольжения в монокристаллах [17]. Более интенсивное циклическое упрочнение при промежуточных температурах (см. рис. 10.1) может быть следствием как динамического старения, так и природного механического поведения у'-фазы. Другие суперсплавы Сплав Inconel 718 заслуживает отдельного рассмотрения, поскольку он в центре внимания исследователей и характеризуется уникальным поведением из-за того, что упрочняется фазой у . При комнатной температуре Inconel 718 проявляет циклическое упрочнение, а затем - разупрочнение (подобно сплавам, упрочняемым у'-фазой); при более высоких температурах во всем диапазоне эксплуатации сплава 718 действует только циклическое разупрочнение [4, 10]. С ростом температуры наблюдали увеличение циклического разупрочнения и неравномерности плоскостного скольжения [10] Перерезание частиц у -фазы превращало ее структуру в структуру Эмфазы NijNb. Сплавы с твердорастворнокарбидным упрочнением менее Прочны, чем суперсплавы, упрочняемые у'-фазой, но их можно испольаовать в тех случаях, когда требуется повышенная пластичность. Возьмем^ например, сплав Hasteloy X. Его циклическое нагружение при больших значениях Де характеризуется очень динамичным и сложным механическим поведением, несамотря на то, что Hasteloy X - сравнительно простой сплав. При низких температурах проявляет циклическое упрочнение, но затем в отличие от сплавов, упочня-емых у'-фазой, не разупрочняется [19]. Определенно склонен к ползучести на верхнем пределе температурного интервала эксплуатации; в диапазоне 427-538 °С из-за деформационного старения проявляет обратную зависимость поведения от скорости деформации. Деформационное старение воздействует на циклические характеристики напряжения; это воздействие в сильной степени зависит от предыстории материала, требуя дополнительного усложнения любой неизотермической модели, описывающей зависимость между циклическим напряжением и циклической деформацией [20]. Моделирование В настоящее время громадный интерес представляет количественное прогнозирование механического поведения,. или уравнение состояния в условиях циклического нагружения. Это огромная самостоятельная область, и здесь о ней следует хотя бы упомянуть. Уравнения (модели) состояния позволяют прогнозировать связь между напряжением и скоростью деформации на основе данных об интенсивности деформационного упрочнения, конкурентных ему процессах возврата и об их влиянии на состояние материала, формирующееся при циклическом нагружении. Эти процессы воспроизводят зависимость свойств материала от температуры, а само состояние материала отражает его собственную деформационную предысторию. Пытаются также учитывать дополнительные сложности, например, многоосные напряженные состояния, анизотропию свойств (как у монокристаллов) и другие ориентационные особенности, присущие суперсплавам, - активизацию октаэдрического и кубического скольжения, механическую анизотропию при знакопеременном (растяжение-сжатие) нагружении. В значительной мере разработку этих моделей вели для рещения проблем ядерной промышленности [21]. Развитие моделей, нацеленных на нужды изготовителей газотурбинных двигателей, было поддержано NASA [22, 23]. Даже в рамках наиболее совершенных моделей состояния приходится оперировать упрощенными, а иногда и эмпирическими соотношениями, так как слишком велико количество переменных, которые надо учесть. Но даже в этом случае модели могут включать в себя 10 или более экспериментально определяемых констант. Настоятельная необходимость прогнозировать сложную форму петли гистерезиса для цикла термомеханического циклического нагружения (см. рис. 10.1,в) совершенно очевидна. Чтобы предсказать последствия термомеханического воздействия на материал, например, последствия деформационного старения, потребуется дополнительное усложнение моделей [20]. Возможности современных компьютеров позволяют оперировать столь сложными системами уравнений. И все же основная цена успеха определяется не столько компьютерным временем, сколько возможностями экспериментального определения всех необходимых констант. Чтобы усовершенствовать существующие полуэмпирические модели и сократить до обнадеживающих масштабов количество эмпирических констант, требуется более полное понимание механизмов прогнозируемого явления. 10.2. Возникновение трещины С точки зрения идеологии усталостную долговечность следует рассматривать как сумму двух долговечностей, одна из которых отвечает стадии возникновения, а другая- стадии распространения усталостной трещины, ибо известно, что кинетические закономерности у этих стадий не одинаковы. Но экспериментально получить независимую и полную информацию о каждой стадии в отдельности трудно. При усталостных испытаниях гладкого образца вместе со стадией возникновения трещины неизбежно захватывают и некоторую часть стадии распространения, а при испытаниях образцов с заранее наведенной трещиной трудно получить информацию об очень важной начальной фазе ее роста. Следовательно, по каждому из двух типов испытания мы можем изучить лишь технически доступные сведения, а затем попытаться объединить результаты анализа для построения единой, полной картины процесса. Усталость Чисто усталостное повреждение создается при неупругом деформировании, которое не зависит от времени. Однако суперсплавы работают при высоких температурах в агрессивных средах, поэтому повреждение нередко является комбинированным продуктом усталости, ползучести и среды. Тем не менее при прочих равных условиях усталостная долговечность определяется величиной Де, , и эту зависимость выражают уравнением Мэнсона-Кофина (Manson-Coffin), которое после перестановок можно представить как Ле, = aNf. Здесь Nf - число циклов до разрушения, а к Ъ- константы. Первая постоянная сильно меняется от металла к металлу, обычно она возрастает с увеличением пластичности [24]. ft--0,6 для многих металлов, хотя для суперсплавов часто сообщают более отрицательные величины. Считают полезным рассматривать поведение, соответствующее формуле Мэнсона-Кофина как нормальное и как основу для сравнения и оценок значимости других механизмов повреждения. Однако во многих практических случаях представляет интерес оценка усталостной долговечности для данной амплитуды полной деформации или амплитуды напряжения. На рис. 10.4 долговечность сплава РМ IN-100 представлена для амплитуд полной деформации Де а также ее упругой Дс/ и неупругой Де, компонент [25]. Можно видеть, что во всем интервале полученных данных связь величин Де/ и Де, с величиной Nf подчиняется степенному закону. Соотношение Бэскуина (Basquin) LZgi = cNf выполняется, если и Nf, и Да связаны с Дс, степенным законом, как в уравнениях Мэнсона-Кофина и Холломона, а d = п' Ь. Константа с приблизительно пропорциональна пределу прочности при растяжении, поделенному на модуль упругости [24]. Влияние модуля упругости на усталостную долговечность очень заметно при испытаниях монокристаллов различной ориентировки, поскольку с изменением ориентировки его величина может изменяться более чем вдвое [17, 26]. Обобщение связи между поведением в условиях циклического нагружения и механическими характеристиками (преде- е
70 70 10 w Рис.10.4. Сплав РМ IN-100. Усталостная долговечность при 649 ОС в терминах неупругой (т), упругой (Cg) и полной (С,) деформации. Частота нагружения - 0,33 Гц; Де=-1 [25]  Рис.10.5. Усталостная долговечность некоторых суперсплавов (J- H+F Rene 95; 2 - HIP MERL, 76; 3 - NASH llB-7; 4- INIOO; 5- H+F Astroloy; 6 - HIP Astroloy; 7- Waspaloy) при 649 С в терминах амплитуды полной деформации Де,. Частота нагружения - 0,33 Гц; i?e = -1 25) 10 10 70 Hf ЛОМ прочности и пластичностью) в условиях однонаправленного растяжения представлено в виде сравнения данных по различным суперсплавам на рис. 10.5. Все эти сплавы разработаны для изготовления газотурбинных дисков. В режимах, при которых в амплитуде полной деформации Де, доминирует упругая компонента, долговечность сплавов, грубо говоря, возрастает с ростом предела прочности при однонаправленном растяжении. Когда в амплитуде деформации доминирует неупругая компонента (Де,я), долговечность возрастает с ростом пластичности при однонаправленном растяжении. Но в обоих случа?1Х это лишь грубая корреляция; поведение в условиях усталости по многим причинам не является простым отражением поведения при однонаправленном растяжении. Последнее гораздо менее чувствительно к дефектам материала и не отражает механизмов, характеризуемых временной зависимостью повреждения и присущих циклическому нагружению при высоких температурах. По данным рис. 10.5 можно сделать вывод, что выбор того или иного материала диктуется режимом, в котором будет работать данная деталь. В такой области применения, как сосуды высокого давления для высоких температур или камеры сгорания для газотурбинного двигателя, невозможно избежать порождаемых высокотемпературным нагревом значительных амплитуд неупругой деформации Де, . Это заставляет прибегать к таким материалам, как суперсплавы с твердорастворным упрочнением, которые обладают пониженной прочностью, но повышенным допуском по отношению к уровню Де, . При данном значении Де усталостная долговечность сплавов типа Hasteloy X по крайней мере в 100 раз превышает таковую у любого из сплавов, упрочняемых у'-фазой и представленных на рис. 10.5. Несмотря на это в программу разработки сплавов для любого применения входит повыше- ние обоих уровней усталостной долговечности и по линии неупругой, и по линии упругой компонент амплитуды деформации и в такой степени, какую только можно допустить, не рискуя нанести вред другим заданным характеристикам. На рис. 10.6 в двойных логарифмических координатах представлена усталостная долговечность сплава Nimonic 90 для различных значений Ле, [27]. Наклон линий долговечности b уменьшается с повышением температуры примерно от -0,5 при 650 °С до -0,8 при 900 °С. Величины Ь, более отрицательные, чем -0,6, не считаются необычными для суперсплавов при высоких температурах. Столь крутые наклоны, вероятно, указывают на сокрашение долговечности, когда в режим низкой амплитуды деформации и, следовательно, высокой долговечности включаются механизмы, предполагаюшие временную зависимость повреждения. В большинстве случаев величина b остается неизменной для нескольких порядков Ле, . Тем не менее при испытаниях сплавов Inconel 718 [28, 29] и Waspaloy [29] было показано, что приближенно их усталостную долговечность можно описать кривыми с двойным наклоном (бимодальными). При малых значениях Ле, долговечность оказывается пониженной (величина b более отрицательна). Создается впечатление, что двойной наклон- следствие грубого скольжения. У сплава Waspaloy двойного наклона нет при промежуточных температурах, где скольжение становится более тонким. У сплава 718 скольжение становится все более грубым с повышением температуры [Ю], так что бимодальность кривых долговечности устойчиво сохраняется [28]. Если изменение в значении b соответствует смене механизма деформации, можно было бы ожидать, что оно отразится на показателе степени п' циклического деформационного упрочнения. Ряд теорий предсказывает существование обратной зависимости между величинами п' и -Ь. Впервые это соотношение было предложено [ЗО] выразить как -Ь = 1/(1 +/г'). Однако ни у одного из сплавов явного изменения п' не наблюдали. Может быть, сокращение долговечности против ожидаемой является следствием воздействия среды на участках грубых полос скольжения. Изменение усталостной долговечности (в координатах Ле, - Nf) под влиянием изменения температуры отражает не только включение каких-то новых повреждающих процессов, 350  о / □ 2  гоо т 600 воо т'с Рис.10.6. Сплав Nimonic 90. Усталостная долговечность в терминах амплитуды неупругой деформации LCp при различных температурах (указаны числами у кривых). Частота нагружения - 0,41 Гц; = -1 [27]. Исходная версия этой статьи впервые опубликована в трудах Конференции AGARD/NATO (the Advisory Group of Aerospace Reserch and Development, North Atlantic Treaty Organization) 1978 r. Рис.10.7. Сплав Re п £ 80. Усталостная долговечность при испытаниях с постоянной амплитудой неупругой деформации Дс, = 0,05 % для различных температур и двух скоростей деформации е [31]: 1- ё = 50 %/мин; 2-е =0,5 %/мин но и вызванное сменой температуры отклонение в уровне пластичности. Долговечность литейного сплава Rene 80 (рис. 10.7) активно возрастает с увеличением температуры, начиная примерно с 760 °С [31]. Низкая долговечность при 760 °С, по крайней мере, отчасти отражает минимум пластичности, который обычно наблюдают при промежуточных температурах у сплавов, упрочняемых у'-фазой. Повышенная долговечность /УДДс, ) некоторых материалов при высоких температурах, может быть истолкована, как следствие затупления вершины трещины под влиянием процессов окисления [32]. В улучшенных высокопрочных сплавах возрастает роль различных дефектов типа пор или включений, ибо эти сплавы работают при более высоких напряжениях, но, как будет показано ниже, необязательно обладают улучшенным сопротивлением росту трещин. Дефекты в очень сильной степени определяют усталостную долговечность улучшенных суперспла- BOB при низких значениях Ае особенно при низких и промежуточных температурах. При высоких температурах наиболее существенным может стать повреждающее действие среды или процессов ползучести. Из-за дефектов, свойственных изделиям из суперсплавов, которые производят методами порошковой металлургии, пришлось развернуть обширные программы, направленные на усовершенствование методов обработки (см. гл. 17). Нередко усталостная долговечность поликристаллических или направленно закристаллизованных отливок определяется карбидными выделениями [33]. В суперсплавы для монокристаллических изделий углерод чаще всего специально не вводят, так что для них фактором, ограничивающим усталостную долговечность, становятся небольшие микропоры. Чтобы использовать малейшие ресурсы надежности и сократить до минимума пористость изделий, исследуют возможности таких технологических приемов, как применение плоского фронта кристаллизации и горячее изо-статическое прессование. Ранее мы отмечали, что на пике старения создаются условия для сосредоточения деформации в немногочисленных полосах скольжения, что при данном значении Ле, вызывает наиболее раннее возникновение усталостной трещины (см. рис. 10.3). Более равномерное распределение скольжения в недостаренном или перестаренном состоянии обеспечивает более высокое сопротивление возникновению трещин в полосах скольжения. Имеются доказательства, что у перестаренных материалов возникновение усталостных трещин на дефектах задерживается. Следует, однако, тщательно взвешивать возможные преимущества термической обработки на переста-ривание, коль скоро она приводит к снижению прочности. Одним из источников увеличения усталостной прочности является повышение равномерности деформации с помощью термомеханической обработки. Созданная ею и наследуемая материалом дислокационная субструктура должна содействовать гомогенизации последующего циклического деформирования. Хорошо известно, что сопротивление возникновению усталостной трещины выше у материалов с мелкозернистой микроструктурой при низких температурах, когда вклад ползучести и влияние среды минимальны. В обычных литейных и деформируемых суперсплавах, даже при наличии крупных карбидных частиц, полоса интенсивного скольжения или граница 352 двойников, пересекающая крупное зерно, могут представлять собой наиболее крупный и существенный дефект [1]. Своей явной чувствительностью к дефектам мелкозернистые изделия, получаемые методами порошковой металлургии, обязаны отчасти тому факту, что размер зерен меньше размеров дефекта. И все же в таких изделиях из суперсплавов [34, 35] трещина вместо того, чтобы возникать на включениях или порах, то и дело возникает на случайных крупных зернах. Размер этих редких зерен может в 10 раз превышать средний размер, а их источником являются порошинки с отклонением по химическому составу. По сравнению с размером зерен морфология границ зерен в меньшей степени влияет на характеристики усталости при низких температурах, поскольку обычно усталостное растрескивание не бывает межзеренным. Подобно величине Ле, , на усталостную долговечность влияет и среднее напряжение. Высокие средние напряжения ответственны- за раннее возникновение трещины на дефектах материала. Среднее напряжение определенно возникает при циклическом изменении нагрузки между двумя несбалансированными уровнями напряжения. Однако оно может возникать и при испытаниях с заданной амплитудой деформации. Как показано на рис. 10.8,а, циклическое изменение нагрузки между двумя несбалансированными уровнями деформации порождает на первом цикле среднее напряжение; его величина 
Рис.10.8. Зависимость среднего напряжения цикла от амплитуды деформации в случае испытаний при = О (а) и усталостная долговечность (ff) сплавов РМ IN-100 (6) и Waspaloy (5) при 649 °С в терминах амплитуды полной деформации ACf, для частоты нагружения 0,33 Гц и Kg = О ЛИ -1 [25]: ; - испытания с низкой амплитудой деформации; 2 - кривая напряжение-деформация для монотонного нагружения; 5 - испытания с высокой амплитудой деформации; 4 - среднее напряжение 1 ... 14 15 16 17 18 19 |
 |
 |