ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИИ, НЕ СВЯЗАННОЕ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ из "Фазовые превращения и термо-циклирование металлов " Особенно большое внимание к изучению влияния термического воздействия на размерную стабильность металлов и сплавов было уделено исследователями в последние десятилетия. Толчком к интенсивному исследованию явилось специфическое поведение урана [55, 128, 253]. [c.6] Большие изменения испытывает уран и под влиянием термических циклов. В поликристаллическом уране чередующиеся нагревы и охлаждения вызывают формоизменение и порообразование [55, 253, 3541. Особенно интенсивно растут текстурованные и мелкозернистые образцы. Как и в случае других анизотропных металлов — цинка, кадмия, олова,— на остаточные изменения размеров урана в значительной степени влияют параметры термоцикла. При неизменных прочих параметрах повышение температуры цикла ведет к увеличению темпа удлинения [220]. Аналогичное влияние верхней температуры цикла проявляется и при неизменном интервале температурных колебаний. Значительные изменения размеров и формы урановых образцов при термоциклировании сопровождаются структурными превращениями— полигонизацией, рекристаллизацией, деформацией кристаллов и др. [c.7] Теплосмены обусловливают формирование пористости, если уран содержит углерод. Так, по данным А. А. Бочва-ра и др. [55], циклическая термообработка урана с 0,05% С привела к порообразованию, в то время как в уране высокой чистоты поры не возникали. Образование пор и трещин под влиянием теплосмен наблюдали и в уране с 0,1 % С [56]. После 5000 термоциклов по режиму 100 550° С уменьшение плотности вследствие порообразования составило 8% и образцы приобрели сложную форму. Образуются поры преимущественно на границе раздела карбидов с основой [336]. [c.7] Д7 = 500 С е= 1,4%, что лежит за пределами упругой деформации. Показано [316], что коэффициент роста графита, характеризующий остаточное удлинение образца за цикл, линейно возрастает с увеличением АТ. [c.8] Аналогичное влияние интервала температурных колебаний обнаружено и на образцах олова, висмута, кадмия (рис. 1). Однако при больших АТ, когда нагревы производят в температурную область, в которой происходит рекристаллизация, коэффициент роста снижается. [c.8] Для кадмия, например, интенсивный рост зерен наблюдается при 180—190° С и периодические нагревы до этих температур характеризуются малым значением коэффициента роста [88, 151]. С погрубением структуры размерная стабильность анизотропных металлов увеличивается. Образцы олова и кадмия, состоящие из зерен с поперечником 0,5 мм, не испытывают формоизменения при термоциклиро-вании с АТ = 120 130°, а образцы текстурованного кадмия, состоящие из зерен в два-три раза меньших, уменьшаются в длине на величину 10 % за один цикл [88]. [c.8] Необратимое формоизменение имеет место и при термоциклировании изотропных в отношении термического расширения металлов. В отличие от анизотропных металлов, формоизменение которых обусловлено релаксацией термоструктурных напряжений (напряжения II рода), в металлах могут возникать необратимые деформации под действием напряжений, вызванных температурными градиентами (напряжения I рода). С этим видом размерной нестабильности связано большое число встречающихся в технике случаев. При равномерных нагревах и охлаждениях, когда термические напряжения вообще не возникают, нельзя ожидать и заметного формоизменения. С появлением тс.мпера-турных градиентов в сечении образца, определяющих величину и знак термических напряжений, создаются условия для размерных изменений. [c.11] По Бергеру [27П влияние температурных градиентов сводится к следующему. При ускоренном нагреве поверхность образца сравнительно быстро приобретает высокую температуру, в то время как сердцевина остается холодной. Это ведет к появлению сжимающих напряжений у края и растягивающих в центре образца. Поскольку с нагревом предел текучести снижается, пластическое состояние достигается прежде у поверхности образца, что приводит к деформации сжатием поверхностных участков. По мере выравнивания температуры в сечении образца возникнут напряжения противоположного знака сжимающие — в центре и растягивающие — в приповерхностных участках. Однако из-за малого градиента температур различие в способности к пластической деформации разных зон невелико, благодаря чему образец в целом после нагрева укоротится. Таким образом, при многократных быстрых нагревах в сочетании с медленным охлаждением образцы должны сокращать свою длину. [c.11] Однако во многих случаях при указанном режиме термо-циклирования образцы не укорачиваются, а удлиняются. [c.12] Бочвар и др. [55] установили, что характер формоизменения связан с типом упаковки атомов. Термоциклирование с резким охлаждением ОЦК-металлов ведет к изменению формы в направлении уменьшения общей поверхности, а ГЦК-металлов — в противоположном направлении, к развитию общей поверхности. Анализ влияния типа упаковки, основанный на различной температурной зависимости предела текучести, дан в работах [55, 88]. В отличие от ГЦК-металлов в металлах с ОЦК-упаковкой предел текучести сильно меняется с изменением температуры, и при термоциклировании они испытывают сокращение длины. [c.12] Если образцы железа и углеродистой стали обычно сокращают длину и приобретают бочкообразную форму, то алюминий, медь, никель и аустенитные стали в зависимости от режима термоциклирования и формы образцов меняют направление формоизменения [88, 144]. Так, образцы алюминия при термоциклах 420 20° С с медленным нагревом и охлаждением в воде удлинялись с коэффициентом роста 53 10 , а в случае быстрого нагрева и охлаждения в воздухе они укорачивались за один цикл примерно на 68 X X Ю [151]. По-разному изменялись размеры образцов, изготовленных различными методами [144]. [c.12] Важным для познания явления необратимого формоизменения при теплосменах было установление А. А. Бочва-ром и др. 551 того факта, что для стабильного значения коэффициента роста необходимо, чтобы верхняя температура цикла была выше определенной величины, близкой к тел -пературе рекристаллизации. Это нужно для снятия внутренних напряжений и разупрочнения, что обеспечивает возможность повторения многих циклов с близкими результатами. Под влиянием пластических деформаций, происходящих при термоциклировании, температура начала рекристаллизации снижается. [c.13] Структура металлов при термоциклировании формируется в несколько стадий. На первой стадии нагревы устраняют дефекты, присутствовавшие в металле в исходном состоянии. Однако под влиянием термических напряжений происходит образование новых дефектов структуры — дислокаций и их скоплений, избыточных вакансий. В результате разупрочнение, имевшее место на первой стадии, сменяется упрочнением. На третьей стадии появляются микротрещины, прогрессирующие от цикла к циклу развитие их приводит к росту крупных магистральных трещин, которые квалифицируются при технической оценке термостойкости как трещины термической усталости. По числу циклов до образования трещин или достижения ими определенных размеров обычно оценивают сопротивление материала термической усталости. О накоплении дефектов при термоциклировании можно судить и по данным изменения физических свойств металлов и сплавов 149, 1851. [c.13] При термоциклировании по режиму 800 400 С жаропрочного сплава ЖС6-К первая стадия длилась примерно 100 циклов [79]. Длительность следующих за нею стадий накопления дефектов кристаллического строения и образования трещин определялась положением верхней температуры цикла и исходной структурой сплава. Изменение химического состава приповерхностных участков образцов, связанное с окисляющим воздействием среды, снижало сопротивление их пластическим деформациям и способствовало развитию дальнейших стадий формирования структуры. [c.15] Образцы, формоизменение которых обусловлено наличием больших температурных градиентов в поперечном сечении, при термоциклировании находятся в объемном напряженном состоянии. В. М. Степанов [224] по данным о распределении температур в сечении оценил значения радиальных, тангенциальных и осевых напряжений, возникающих при быстрых нагревах и охлаждениях жаропрочных сплавов. При охлаждении в воде, например, нагретого до 800° С образца диаметром 10 мм максимальные осевые напряжения на поверхности возникают примерно через 0,5 сек. В поверхностном слое толщиной около 1,5 мм в первые 2 сек происходят пластические деформации (растяжение), которые при дальнейшем охлаждении меняют знак. В центральной части образца упругопластические деформации противоположны. В результате 500 закалок от 900° С образцы сплава ЭИ435 удлинились более чем на 10%. Сведения о поведении жаропрочных материалов при термоциклировании содержатся также в работах [107, 224]. [c.15] На алюминии обнаружено большое влияние среды, в которой производился нагрев. При нагреве образцов в водяных парах размерные изменения были большими, чем при печном нагреве. В работе [198] предположено, что образующиеся при термоциклировании несплошности при нагревании образцов в водяных парах заполняются чужеродными атомами, что способствует образованию и росту новых не-сплошностей. Это объяснение не является единственным, поскольку в результате интенсивного окисления алюминия образцы становились в сечении неоднородными. Роль взаимодействия алюминия с парами воды проявляется также в развитии водородной пористости [186, 363] (см. гл. V). [c.16] Вернуться к основной статье