Дослідження впливу перепадів температур великих діапазонів на руйнування малолегованого молібдену

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

Дисципліна: фізика металів

”ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПЕРЕПАДІВ ТЕМПЕРАТУР ВЕЛИКИХ ДІАПАЗОНІВ НА РУЙНУВАННЯ МАЛОЛЕГОВАНОГО МОЛІБДЕНУ”

Зміст

Вступ

1 Теоретичні дані

2 Вибір методу, характеристика об'єкту дослідження

3 Дослідження впливу на в'язкість руйнування структури та температури при транскристалітному руйнуванні сплаву ЦМ-10

4 Дослідження впливу на в'язкість руйнування структури та температури при реалізації транскристалітного руйнування

5 Вплив релаксаційної обробки на в'язкість руйнування сплавів молібдену

Висновки

Література

Вступ

Широке використання металів з ОЦК граткою та сплавів на їх основі значною мірою обмежено їх схильністю до крихкого руйнування. У багатьох попередніх дослідженнях було встановлено, що така властивість ОЦК-металів та сплавів на їх основі зумовлена існуванням різкої температурної залежності критичного напруження зсуву та впливом шкідливих окрихчуючих домішок. Водночас було показано, що особливості електронної будови цих сплавів зумовлюють як низьку розчинність елементів втілення у твердому розчині (особливо для елементів VIА групи), так і, навпаки, високу здатність до міжзеренної сегрегації, що додатково зумовлює окрихчення, пов'язане у багатьох випадках із переходом до міжзеренного руйнування. Основні шляхи боротьби з холодноламкістю було сформульовано у роботах школи В.І. Трефілова. Особливу увагу було приділено термомеханічній обробці, що дозволяє створювати наддрібнозернисті стани деформаційного походження. Така обробка цікава тим, що дозволяє як знизити температуру в'язко-крихкого переходу (Т_х), так і суттєво зміцнити матеріал. Були встановлені кількісні закономірності впливу різного типу структурних станів на положення Т_х та границі плинності.

У багатьох роботах були спроби зв'язати в'язкість руйнування матеріалів зі структурними параметрами (розмір зерна, об'ємна частка й розмір часток другої фази та ін.) і звичайними механічними властивостями (границя плинності, показник деформаційного зміцнення й ін.). Відзначимо серед них роботи О.М. Романіва, В.С. Іванової, Л.Р. Ботвиної, А.Я. Красовського, Дж. Герланда, Г. Хана, Т. Екоборі та ін. Проте робіт, спрямованих на з'ясування впливу структури на тріщиностійкість такого класу матеріалів, було виконано відносно небагато. Разом з тим стало зрозуміло, що єдина теорія структурної чутливості в'язкості руйнування в широкому діапазоні температур не може бути побудована у зв'язку зі зміною мікромеханізмів руйнування. Саме ця обставина не враховувалася в більшості попередніх робіт, які, по суті, обмежувалися дослідженням впливу параметрів структури на механічні властивості матеріалів в межах температур, де проявлявся один з можливих мікромеханізмів руйнування. В той же час у попередніх роботах В.І. Трефілова, Ю.В. Мільмана, С.О. Фірстова та ін. були встановлені деякі закономірності впливу структури (у тому числі й дислокаційної субструктури) на положення температури в'язко-крихкого переходу. Було встановлено, що метали з ОЦК граткою й сплави на їх основі виявляють, напевно, самий повний набір можливих мікромеханізмів руйнування залежно від структури, складу й умов випробувань. Крім того, вони відрізняються самим широким температурним інтервалом в'язко-крихкого переходу. Так, у молібдені цей інтервал може скласти 400-500 ^оС. Із цієї причини вони являють собою привабливий об'єкт для дослідження впливу структури на особливості руйнування, оскільки в кожному температурному інтервалі нижче , вище й усередині інтервалу переходу можливо встановлення чітких закономірностей для кожного з можливих мікромеханізмів руйнування та їх зміни. Важливою є робота В.І. Трефілова, С.О. Фірстова й О.Д. Васильєва, в якій була запропонована узагальнена схема зміни механізмів руйнування на основі так званої енергетичної концепції.

1 Теоретичні дані

Розглянуто сучасні уявлення про характеристики тріщиностійкості матеріалів - _ефф, G_1C=2_ефф, K_1C. Проаналізовано роботи, присвячені вивченню впливу температури та структури на тріщиностійкость. Особливу увагу приділено роботам, у яких встановлено зв'язок тріщиностійкості з іншими механічними властивостями (зокрема, з границею плинності та напругою руйнування) та деякими параметрами структури. Відзначено особливий внесок в цю проблему українських вчених, зокрема, О.М. Романіва, А.Я. Красовського та Ю.Я. Мешкова.

Аналіз літературних даних дозволив зробити висновок, що існує велика різноманітність напівемпіричних формул, які певною мірою суперечать одна одній. Узагальнюючи отримані вирази, можна записати, що К_1с, де може бути як позитивною, так і негативною величиною. А саме, наприклад, згідно критерію критичної деформації:

(1)

а згідно критерію критичної напруги:

(2)

Це протиріччя було з'ясовано в роботі В.І. Трефілова з співавторами, які звернули увагу на те, що у виборі між залежностями типу (1) та (2) треба враховувати мікромеханізм руйнування. Авторами роботи була запропонована енергетична концепція зміни механізмів руйнування в залежності від температури. На прикладі ОЦК-металів із урахуванням робіт В.В. Рибіна показано, що в залежності від температури випробувань може бути реалізовано практично повний спектр існуючих мікромеханізмів руйнування. Відзначено, водночас, що робіт, присвячених вивченню впливу структурних параметрів та температури на в'язкість руйнування ОЦК-металів, існує обмежена кількість, та не завжди в них враховується конкретний мікромеханізм руйнування.

Відзначені останні дослідження, пов'язані зі спробами моделювання в'язко-крихкого переходу та поведінки в'язкості руйнування в інтервалі в'язко-крихкого переходу (С. Дж. Робертс, П.Б.Хірш, М. Танака, С. Наронха).

На підставі літературного огляду зроблено висновок про необхідність систематичного дослідження впливу структурних факторів і, зокрема, розміру зерна на мікромеханізми та в'язкість руйнування у широкому діапазоні температур.

2 Вибір методу, характеристика об'єкту дослідження

Для дослідження були обрані відомі промислові сплави. Хімічний склад досліджених сплавів наведено у таблиці. Механічні випробування гладких зразків та зразків з надрізом проводились на одноосьовий розтяг. В роботі використовувались структурні дослідження з застосуванням скануючої та трансмісійної електронної мікроскопії. Широкий спектр методик досліджень, що застосовувались, дозволив одержати високу достовірність та точність результатів.

Таблиця 1

Хімічний склад досліджених сплавів

3 Дослідження впливу на в'язкість руйнування структури та температури при транскристалітному руйнуванні сплаву ЦМ-10

Фактографічні дослідження виявили особливості руйнування сплаву в різних інтервалах температур. У нижньому інтервалі ( I ) від 77 до 293 К тріщина відколу починається від вершини електроіскрового надрізу, яка поступово затуплюється . В інтервалі температур 293 - 573 К (II) перед переходом у стадію катастрофічного відколу спостерігається підростання критичної тріщини по механізму відколу з релаксацією .

Подальше зростання температури приводить до змішаного механізму руйнування, що включає в себе як елементи відколу, так і глибокі тріщини розшарування; на окремих ділянках зламів спостерігаються елементи в'язкого ямкового руйнування . На нашу думку, зниження в'язкості руйнування вище 293 К пов'язане саме з

докритичним підростанням тріщини, і в такому випадку на залежності в'язкості руйнування від температури можна виділити дві ділянки: перша - без субкритичного підростання (стадія I) і друга - із субкритичним підростанням тріщини перед переходом у катастрофічний долом (стадія II).

Для з'ясування причин немонотонної температурної залежності в'язкості руйнування розглянуто природу процесів в вершині надрізу. За допомогою підходу, запропонованого в роботах Б. Маслера та В. Свайна, було розраховано нормований коефіцієнт інтенсивності напружень (3), залежність якого від співвідношення c/с (c- довжина тріщини у вершині надрізу, с - радіус скруглення вершини) . Подібний підхід був також запропоновано в роботах О.П. Осташа.

(3)

Встановлено що при величині співвідношенням c/с рівному 0,8-0,9, нормований коефіцієнт стає 1, таким чином при цих значеннях буде досягатись справжнє значення коефіцієнту інтенсивності напружень.

Для аналізу температурної залежності тріщиностійкості також була розглянута модель Дагдейла-Баренблатта. Виходячи з цієї моделі, було отримано, що тріщиностійкість в залежності від температури може бути записана таким чином:

(4)

Такий вираз тріщиностійкості дозволяє апроксимувати отримані експериментальні дані (К_с експ) двома окремими залежностями :

для стадії I:

K_c(1)= 4,6 + 175 exp(-0,18/3kT) (5)

Залежність нормованого коефіцієнта інтенсивності напружень від співвідношення c/с (а) та температурна залежність тріщиностійкості (б) сплаву ЦМ-10: 1 - стадія I, 2 - стадія II, 3 - експеримент та для стадії II:

K_c(2)= 2,3 + 76 exp(-0,18/3kT) (6)

До обох виразів увійшла енергія активацій руху дислокацій 0,18 еВ, яка співпадає з величиною цієї енергії, отриманої для молібдену в роботах В.І. Трефілова та Ю.В. Мільмана. Зауважимо, що останнім часом у роботах С. Дж. Робертса та ін. визначено енергії активації руйнування для Мо - 0,185 еВ, Si - 2,1 еВ, Ge - 1,54 еВ, Al₂О₃ - 3,2 еВ, Fe - 0,21 еВ, що також узгоджуються із отриманими даними В.І. Трефілова та Ю.В. Мільмана.

Таким чином, залежно від співвідношення c/с змінюється ефективна гострота кінчика підростаючої тріщини, що і є причиною немонотонної залежності тріщиностійкості від температури. Вихід вершини підростаючої тріщини з «тіні» надрізу супроводжується спочатку зниженням тріщиностійкості, а потім відзначається її зростання у зв'язку із зниженням границі плинності.

Розглянуто вплив розміру зерна на механічні властивості при різних температурах випробувань . Границя плинності при всіх температурах випробувань

Залежність границі плинності (а) та тріщиностійкості (б) сплаву ЦМ-10 від розміру зерна при різних температурах випробувань: 1 - 150 К, 2 - 273 К, 3 - 300 К.

Описується рівнянням Холла-Петча . В той же час залежність тріщиностійкості від розміру зерна при низьких температурах має вигляд, подібний до ходу залежності Холла-Петча, але з підвищенням температури хід залежності змінюється . Це обумовлено впливом температури на величину співвідношення розміру пластичної зони у вершині тріщини r_y і розміру зерна d. При низьких температурах r_y/d<1 і тріщиностійкість слабо залежить від розміру зерна, тому що всі процеси проходять в одному зерні. Різке посилення залежності тріщиностійкості від розміру зерна спостерігається при r_y/d?1, коли пластична зона торкається або виходить за межі зерна.

4 Дослідження впливу на в'язкість руйнування структури та температури при реалізації транскристалітного руйнування

Дослідження проводили на сплавах молібдену МТ та МЧВП. Залежність тріщиностійкості від температури та розміру зерна сплаву МТ . В порівнянні зі сплавом ЦМ-10 для цього сплаву зміна в'язкості руйнування від температури має повністю монотонний характер. Це пов'язано з тим, що у вершині електроіскрового надрізу відразу існує гостра міжзеренна тріщина, розмір якої як мінімум дорівнює розміру зерна і c/с ? 1 для всіх температур випробування. Що стосується впливу розміру зерна на в'язкість руйнування, то в даному випадку залежність повністю подібна рівнянню Холла-Петча. Відносно слабка залежність тріщиностійкості від розміру зерна при низьких температурах як для транс-, так і для інтеркристалітного руйнування, пов'язана з тим, що пластична зона набагато менша, ніж розмір зерна, і руйнування повністю крихке.

В роботі також розглянуто руйнування сплаву підвищеної чистоти МЧВП. Залежність механічних властивостей сплаву МЧВП від розміру зерна , а механізми руйнування зразків в інтервалах розміру зерен I, II, III .

Отримані дані показують, що в інтервалі розмірів зерна від 14 до 550 мкм спостерігається повна зміна механізму руйнування (від крихкого інтеркристалитного до ямкового). Руйнування крупнозернистих (550-400 мкм) зразків здійснюється інтеркристалітно . Зменшення розміру зерна майже на порядок (65 мкм) призводить до руйнування відколом, якому передує інтенсивне між- та внутрішньозеренне розшарування з формуванням в'язкої тріщини зі стадією підростання . У дрібнозернистих (14-17 мкм) зразках збільшується кількість тріщин розшарування з переходом при руйнуванні від стадії розшарування з відколом до розшарування з ямками. Цікава та обставина, що, незважаючи на високу чистоту молібдену МЧВП, при розмірах зерен 560 і 400 мкм злам його зразків повністю інтеркристалітний. При зменшенні розміру зерна (d_з = 145 мкм) міжзеренне руйнування не здійснюється, а в поверхні зламу з'являються тріщини розшарування; при подальшому зменшенні розміру зерна злам стає практично повністю ямковим, що обумовлено в'язким руйнуванням. Відзначимо, що в нашій роботі вперше встановлено, що зменшення розміру зерна приводить до появи в'язкого (ямкового) руйнування при кімнатній температурі. Таким чином, зменшення розміру зерна призводить до зниження не тільки , що добре відомо, але і .

5 Вплив релаксаційної обробки на в'язкість руйнування сплавів молібдену

Вивчали малолеговані сплави молібдену та сплав Mo-4%Re, деформовані та рекристалізовані при різних температурах. Механічні випробування сплаву проводили на гладких зразках, а малолегованого молібдену - як на гладких зразках, так і на зразках з надрізом. Випробування проводилися за схемою, яка включає в себе таку послідовність процесів: первинне навантаження при температурі Т₁ до деформації е₁ зупинка навантаження повне розвантаження нагрівання (або охолодження) зразка до температури Т₂ повторне навантаження до руйнування. Потім визначали поперечне звуження ₂ і напругу S_k2, порівнювали їх зі значеннями і S_k, отриманими при безперервному навантаженні до руйнування при Т₂. Залежність механічних властивостей від температури . Аналіз цих даних дозволяє зробити висновок, що проведення релаксаційної обробки на гладких зразках приводить до збільшення межі плинності та напруги руйнування у два рази, а на надрізаних зразках тріщиностійкість збільшується у 1,5 рази. На нашу думку, цей ефект пов'язаний з затупленням тріщини та закріпленням дислокацій.

Спираючись на отримані дані, в роботі було проведено дослідження впливу температури на добуток К_1сТ для сплавів ЦМ-10 та МТ у відпаленому та деформованому стані при дії різних механізмів руйнування. Як видно , для всіх механізмів руйнування сталість добутку дотримується у всьому інтервалі температур. При цьому найнижче значення відповідає інтеркристалітному руйнуванню, середнє - відколу, найвище - відколу з релаксацією. Таку поведінку легко пояснити, виходячи з того, що рівень кривих визначається значенням тріщиностійкості, оскільки величина границі плинності для всіх механізмів руйнування майже однакова, найвище значення тріщиностійкості відповідає руйнуванню відколом з релаксацією, а найнижче - крихкому міжзеренному. Отримані дані для деформованого сплаву ЦМ-10 представлені

Температурна залежність К_1сТ на низькотемпературній ділянці відсутня, а після 250 ^оС спостерігається різке підвищення К_1сТ для всіх температур і ступенів деформації. Фрактографічні дослідження показали, що при низьких температурах випробування до 250 ^оС зразки руйнуються відколом, а при більш високих температурах на поверхні руйнування з'являються тріщини розшарування, тобто при 250 ^оС відбувається зміна механізму руйнування від відколу до поєднання відколу з розшаруванням. Поява тріщин розшарування різко підвищує тріщиностійкість по механізму Гордона-Кука. Ця зміна механізму руйнування призводить до того, що сталість виразу К_1сТ=const не дотримується.

Висновки

1. Встановлено (на прикладі сплаву молібдену ЦМ-10 з розміром зерна 300-400 мкм), що при транскристалітному руйнуванні температурна залежність тріщиностійкості при переході з крихкого стану до пластичного має немонотонний характер і складається з двох ділянок: 1 - без субкритичного підростання; 2 - із субкритичним підростанням тріщини перед переходом у катастрофічний долом.

2. Проведеними розрахунками показано, що залежно від співвідношення c/с ( c- довжина тріщини у вершині надрізу, с - радіус скругления вершини) змінюється ефективна гострота кінчика підростаючої тріщини, що і є причиною немонотонної залежності тріщиностійкості від температури.

Встановлена різка ( S- подібна) зміна концентрації напруг в вершині тріщини при c/с?1. Вихід вершини підростаючої тріщини з «тіні» надрізу супроводжується спочатку зниженням тріщиностійкості, а потім відмічається її ріст, обумовлений триваючим зниженням границі плинності.

3. Визначено, що величина енергії активації процесу, що контролює температурну залежність тріщиностійкості, відповідає величині енергії активації руху дислокацій, оцінка якої проведена по температурній залежності границі плинності відповідно до підходу В.І.Трефілова та Ю.В.Мільмана.

4. Виявлено посилення залежності тріщиностійкості від розміру зерна при підвищенні температури. Це зумовлено залежністю величини співвідношення розмірів пластичної зони в вершині тріщини r_y і зерна d від температури. При низьких температурах (r_y/d<1) тріщиностійкість слабко залежить від розміру зерна. Різке посилення залежності тріщиностійкості від розміру зерна спостерігається при r_y/ d?1.

5. Показано, що при інтеркристалітному характері руйнування, на відміну від транскристалітного, у вивченому діапазоні розмірів зерен і температур залежність тріщиностійкості сплаву МТ від розміру зерна відповідає вигляду рівняння Холла-Петча. Це обумовлено тим, що розмір пластичної зони істотно менше розміру зерна та ефект «торкання» пластичної зони границі зерна не має місця.

Література

1. Баньковский О.И. Трещиностойкость молибденового листа при переходе из хрупкого состояния в пластичное / О.И. Баньковский, А.Д.Васильев, А.Ю. Коваль [и др.] // Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев, 1989. - С. 52-58.

2. Коваль А.Ю. Вязко-хрупкий переход в крупнозернистых сплавах Mo+4%Re и МЧВП / А.Ю Коваль., А.Н. Щербань., В.Ф., Моисеев [и др.] // Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев, 1989. - С. 58-68.

3. Коваль А.Ю. Температурная зависимость разрушающего напряжения в области хрупкого разрушения / А.Ю. Коваль, А.Н. Щербань., В.Ф. Моисеев [и др.] // Пробл. прочности. - 1991. - № 11. - С. 57-62.

4. Горная И.Д. Повышение пластичности молибдена за счет релаксации при разгрузке и повторной деформации / И.Д. Горная, А.Ю. Коваль, В.Ф. Моисеев // Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев, 1994. - С. 70-78.

5. Коваль А.Ю. Влияние релаксационной обработки на разрушение молибдена / А.Ю. Коваль, Э.П. Печковский, Е.П. Полищук // Пробл. прочности. - 1995. - №7. - С. 73-80.

6. Коваль А.Ю. Трещиностойкость предварительно деформированного молибдена / А.Ю. Коваль, Э.П. Печковский, Е.П. Полищук [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т.17, № 7. - С. 72-80.