Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Металлофизические исследования повреждений в микроструктуре металлов при ползучести
Глава 2. Процесс разрушения при ползучести как процесс накопления разрыхления материала
Глава 3. Детерминистическое описание разрушения при ползучести
Глава 4. Статистический подход к квазихрупкому разрушению
Глава 5. Применение статистического подхода к обработке данных по длительной прочности
Заключение 143
Литература 145
- Металлофизические исследования повреждений в микроструктуре металлов при ползучести
- Процесс разрушения при ползучести как процесс накопления разрыхления материала
- Детерминистическое описание разрушения при ползучести
- Статистический подход к квазихрупкому разрушению
Введение к работе
Началом развития феноменологической теории хрупкого разрушения послужили работы / 28, 45^/. Физическая природа процесса разрушения как в этих, так и в более поздних работах / 29, 46_/ не детализируется. Дня описания процесса разрушения вводится параметр, называемый параметром "сплошности" ^ или "поврежден-ности" со , который по условию изменяется в пределах от I до О (параметр ^ ) или от 0 до I (параметр со ). Уравнение для этого параметра вводится на основе интуитивных соображений и удовлетворительно соответствует в определенном классе случаев экспериментальным данным [_ 46_/.
Работы / 28, 45_/ дали толчок развитию целого направления в механике разрушения, использующего для описания скрытой стадии процесса разрушения скалярную величину. В последующих работах исходные соотношения усложнялись. Все они могут быть разделены на две группы. Одну из них составляют работы, в которых на основе результатов микроструктурных исследований определяется сам параметр поврежденности, а определяющее уравнение для него строится с привлечением довольно произвольных гипотез 50, 60, 61, 90, 99_/. В других работах, наоборот, экспериментально-физическая база подводится под конструкцию определяющего уравнения для параметра поврежденности, физический смысл которого, однако, не уточняется /37, 38, 52, 53, 72, 74_/. Невозможно сделать достаточно обоснованными все детали подхода без привлечения статистической механики, термодинамики и других основных мето-
дов теоретической физики. Но использование их в данном аспекте тоже встречает серьезные препятствия, связанные с необратимостью процессов разрушения и сложностью их микроскопической картины. Пробелы, связанные с трудностью использования в полном объеме методов теоретической физики, и заставляют вводить различного рода гипотезы.
Существует, однако, класс случаев, в которых эти трудности удается в значительной мере обойти. Он включает в себя ползучесть металлических тел в условиях фиксированной температуры и фиксированных внешних сил, создающих осесимметричное напряженное состояние (одноосное растяжение или сжатие в совокупности с всестороннем равномерным давлением). "Одномерный" характер процесса позволяет воспользоваться скалярным параметром повреж-денности, а накопленные в последние годы экспериментальные данные, о которых упоминалось в гл.1 2, позволяют утверждать, что этот параметр должен характеризовать на макроуровне "разрыхление" микроструктуры.
2. Влияние различных факторов на разрыхление
Понятие " разрыхления" материала было введено В.В.Новожиловым при исследовании циклической деформации металлов 41_/. На макроуровне разрыхление проявляется в виде остаточного изменения объема и, следовательно, плотности образца. Сложность экспериментального изучения этих величин связана с малыми их значениями для металлических тел, особенно в процессах атермическои ("холодной") деформации. Для материалов, исследуемых в условиях высокотемпературной ползучести, эффект несколько сильнее и разработанные в последние годы чувствительные методы позволяют, как уже отмечалось в гл.1 2, измерять остаточное изменение -
объема и плотности с достаточной степенью точности.
Первые важные факты на основе таких измерений были извлечены в работе 1_ 93_/. Эта работа, однако, дает только значение изменения плотности, к моменту шкроразрушения. Результаты первого детального изучения кинетики изменения плотности образцов из меди в процессе ползучести приведены в работе 69_/. Эта работа породила целый ряд аналогичных экспериментальных исследований на различных материалах. Основные результаты последних представлены в таблице I, взятой из обзора / 67_/ и на рис.1, взятом из работы / TU.J.
Из таблицы I следует, что значение максимального уменьшения плотности может достигать нескольких процентов. Заметное влияние на это значение оказывают напряжение, температура, внешняя среда и наложение на одноосное растяжение всестороннего сжатия. Заметно влияет также структура самого материала: из таблицы I и рис.1 видно, что у материалов с гексагональной плотноупакованной решеткой разрыхление проявляется сильнее, чем у материалов с кубическими решетками. Это и понятно, ибо в отличие от кубических структур в гексагональной плотноупакованной решетке, как известно, имеется лишь одна плоскость легкого скольжения, а именно, плоскость основания элементарной ячейки. Из-за этого для произвольно выбранного зерна (кристаллита) такого металла сравнительно высока вероятность неблагоприятной с точки зрения скольжения его ориентации,-Для многих зерен поэтому скольжение оказывается затруднительным и они испытывают двойникование и смещение по границам зерен, всегда связанные, как уже упоминалось, с развитием большого числа микропор. Магний, цинк имеют гексагональную плотноупакованную решетку и, как видно из табл.1 и рис.1, разрыхление для них заметно больше,
Продолжение таблицы I
Примечание: <<- гидростатическое сжатие
л
-3 ІО-
1o5J
&
/(о-
I I "» \rj— I III
T 1—Iі I M І ,\f - I 1 I l l| HJ—»**
(cex
Рис.1. Относительное уменьшение плотности -лр/р0
при ползучести
Материал
Напряжение кг/мм2 Температура С
15 о 16
750 облученная
750 необлученная
600 ,
чем в меди, алюминии и других металлах с кубическими решетками.
Из табл.1 следует также, что при испытаниях на ползучесть в условиях фиксированных температуры и растягивающей силы переход к меньшим значениям заданного напряжения при прочих равных условиях влечет увеличение остаточного изменения плотности образцов. Поскольку при этом уменьшается продольное удлинение к моменту разрушения, то "разрыхление" является основным механизмом скрытой стадии малодеформационного хрупкого разрушения при ползучести. В случае ползучести при предельно низких из осуществимых в обычных опытах уровнях напряжения макроразрушение образца имеет почти идеально хрупкий характер (происходит при относительных удлинениях »1^1 меньших), а разрыхление при этом достигает максимально возможных при данной температуре значений.
Представляет интерес результаты опытов на ползучесть при растяжении с наложением на растяжение равномерного гидростатического сжатия. Эти результаты иллюстрируют графики, приведенные на рис.2а,б, взятые из работы / 106_/. Из графиков видно, что с переходом к испытаниям при больших значениях гидростатического сжатия разрыхление уменьшается. Этот факт очевиден, а нетривиально то, что даже увеличение всестороннего равномерного сжатия более чем в 100 раз при сохранении всех прочих условий опыта, как видно из графиков на рис.2а, не подавляет остаточное изменение объема образца - оно уменьшается всего в 2-3 раза, что еще раз свидетельствует о существенной роли разрыхления в подготовке хрупкого макроразрушения.
На рис.26 показаны результаты опытов, в которых растягивающая сила сохраняла постоянное значение, а гидростатическое сжатие скачком изменялось в некоторый момент процесса. При
tMo5
........ (s^
Рис.2 а) Относительное изменение объема при полззгчести
медных образцов. Растягивающее напряжение
= 27,6 Л/мм , температура = 500 С, гидростатическое сжатие:
{В/шА —су- ~0,Г; -д- -3,5; -о 6,5; -Ч>- -10,4;
-*- .-із;8.
Рис.2 б) Ползучесть со ступенчатым изменением гидростатического сжатия. Растягивающее напряжение = 27,5 Jt/мм2, температура = 500 С, гидростатическое сжатие: ~Ьг -0,1; -Аг- -10,4; -о- -10,4;
-*- -ОД (В/т2)
этом в одном случае оно сначала было равно 0,1 p/jmrr^ ; в некоторый момент быстро увеличивалось до 10,4/V/мм** и затем сохранялось неизменным до макроразрушения. В другом случае сначала прикладывалось гидростатическое сжатие в 10,4 Ы)тть , а затем оно в некоторый момент сбрасывалось до значения ОД bljmm . в первом случае величина относительного изменения объема и величина времени до разрушения несколько больше, чем во втором. Это показывает, что материал разрыхляется с самого начала процесса, так что увеличение гидростатического сжатия в некоторый момент процесса более чем в 100 раз не подавляет ранее накопившееся разрыхление материала.
Отметим также, что у ряда сплавов с метастабильной структурой изменение плотности при ползучести под действием растягивающей постоянной силы происходит немонотонно. Дело в том, что приложение напряжений в условиях сравнительно больших температур (при которых только и бывает заметной ползучесть у металлических сплавов) сильно интенсифицирует изменение состава в сплавах с не вполне равновесной структурой и эти изменения в ряде случаев влекут увеличение плотности материала. В результате в начальной стадии процесса плотность несколько увеличивается, однако затем разрыхление всегда все же берет верх и приводит постепенно к заметному уменьшению плотности образца (до тех же значений 1-2$, как и в других случаях). Такая картина немонотонного остаточного изменения плотности наблюдалась для сплавов AISI346, AISI ЪЧ\ и др. в работе (_ 120^/, (см.рис.2 в,г).
Подведем итоги изложенному выше в настоящей главе об экспериментальном исследовании разрушения при ползучести металлов.
Во-первых, при испытании металлических образцов на ползучесть при одной и той же температуре, но разных уровнях напря-
'\0
Рис.2 в) ,г) , Относительное изменение плотности У~? при ползучести под действием 6=166 Р/мм^ и ТС=650, в) *,-. . AISIMfe, г) —ІГ-+- ДІ5І W .
жения с переходом к более низким напряжениям увеличивается время до разрушения, а значение предельного удлинения образца уменьшается. Иными словами с понижением напряжения при прочих равных условиях всегда увеличивается хрупкость разрушения.
Во-вторых, при таком изменении условий опыта всегда увеличивается остаточное изменение плотности образца, т.е. в таких процессах существенную роль в подготовке макроразрушения играет разрыхление микроструктуры. Привлечение экспериментальных и теоретических исследований изменения микроструктуры не только это подтверждает, а приводит к выводу о том, что развитие микропористости (разрыхление микроструктуры) является не одним из основных, а просто основным механизмом скрытой стадии хрупкого разрушения при ползучести. Действительно, в тех случаях ползучести, в которых разрушение является почти идеально хрупким (ползучесть при достаточно низких напряжениях), основную роль в механизме самой ползучести играют межзеренные сдвиги - и это всегда подтверждает эксперимент, а межзеренные сдвиги неизбежно связаны с развитием микропористости. О силе тенденции к порообразованию свидетельствует тот факт, что увеличение гидростатического сжатия в 100 раз не может подавить разрыхления.
Металлофизические исследования повреждений в микроструктуре металлов при ползучести
Сейчас хорошо известно, что процесс разрушения при ползучести в металлах и сплавах протекает по-разному в зависимости от внешних условий, в которых находится тело. Рассмотрим ползучесть обычных цилиндрических образцов при фиксированной растягивающей нагрузке. В обычных лабораторных опытах образцы находятся в условиях термостата с заданной и постоянной в течение всего опыта температурой. Будем считать, что в этих условиях испытывается серия макроскопически идентичных образцов из одного и того же материала и при одной и той же температуре, но при разных для разных образцов величинах растягивающей силы. Когда растягивающая сила достаточно велика и начальное напряжение в поперечном сечении образца близко к пределу текучести материала при данной температуре, тогда время до разрушения может быть небольшим, в то время как продольная относительная деформация образца к моменту разрушения достигает сравнительно больших значений (порядка 15-20$ и более). С переходом к более низким значениям начального напряжения время до разрушения увеличивается, а деформация к моменту разрушения обычно становится все меньше. В некоторых случаях при начальных напряжениях порядка 0,1 предела текучести материала при данной температуре время до разрушения измеряется годами, в то время как деформация к моменту макроразрыва образца не достигает и 1%,
Таким образом, в обычных испытаниях не ползучесть при растяжении образцов из металлов и сплавов характер разрушения зависит от заданного уровня напряжения: при достаточно высоких напряжениях разрушение носит вязкий характер, а с переходом к более низким напряжениям все в большей мере проявляется хрупкость. Это связано с тем, что с переходом к более низким напряжениям изменяется микроскопический механизм как самой ползучести, так и процесса разрушения. В чисто качественном отношении причины этого изменения связаны с почти очевидными обстоятельствами. В самом деле, очевидно, что деформация ползучести связана с тепловыми флуктуациями микроскопических полей внутренних сил в теле. В отсутствие флуктуации деформация тела, находящегося при неизменных внешних условиях должна была бы быть также неизменной во времени. Допустим, что образец испытывает ползучесть под действием фиксированной растягивавдей силы такой величины, при которой условное напряжение близко к пределу текучести (например, составляет 0,95 значения этого предела при данной температуре). При этом в образце за короткий промежуток времени на многих площадках возможного скольжения в зернах с участием термофлуктуаций будет достигнуто критическое напряжение сдвига и, следовательно, произойдет скольжение. Существенное значение имеет то обстоятельство, что уровень температуры высок (а ползучесть металлов, напомним, бывает заметной лишь при повышенных температурах, больших 0,5 абсолютной температуры плавления данного материала). С переходом к испытаниям на ползучесть при все более низких уровнях заданного напряжения различие между напряжением на площадках скольжения и критическим напряжением при данной температуре для этих площадок увеличивается и потому внутризеренные скольжения становятся все более редкими. Вследствие этого во-первых существенно снижается макроскопическая скорость ползучести, а во-вторых начинают проявляться межзеренные сдвиги. С переходом к ползучести при совсем низких уровнях заданного напряжения разрыв между действующим в зернах напряжением и критическим напряжением сдвига становится настолько значительным, что даже относительно больших термофшуктуаций оказывается недостаточно для его преодоления (а размах флуктуации в металлических телах ограничен даже при высоких температурах из-за стеснения частиц своими соседями - известно, что кристаллы типичных металлов тлеют кристаллические решетки с максимально плотной упаковкой). В результате время до разрушения при ползучести при низких напряжениях становится очень большим, остаточная деформация накапливается медленно и происходит в основном за счет межзеренных сдвигов. Неупорядоченность межзеренных границ имеет следствием существенно неконсервативный характер мезеренных сдвигов. Межзеренные сдвиги всегда влекут возникновение сравнительно большого числа пор, развитие которых должно приводить к появлению макротрещин. И действительно, в опытах разрушение в процессах ползучести при низких напряжениях всегда связано с появлением трещин на границах зерен и объединением их в магистральную трещину. Опыт всегда подтверждает и сказанное выше по поводу механизма ползучести при высоких напряжениях: когда заданное напряжение в образце имеет величину 0,9-0,8 предела текучести при данной температуре, тогда деформация ползучести нарастает почти исключительно за счет вцутризеренного скольжения такого же типа, как и при холодной пластической деформации образцов данного металла.
Заметный прогресс в понимании микроскопического механизма скрытой стадии ползучести металлов начался сравнительно недавно, когда появились электронные микроскопы большой разрешающей силы, была существенно улучшена техника металлофизического анализа, равно как и повысилась точность измерения основных механических величин. Особое значение имела разработка весьма точных способов измерения изменения плотности металлов в твердой фазе: хотя и при неупругой деформации изменение плотности металлических образцов обычно сравнительно невелико (далеко не всегда достигает даже значений & 1%), приборы и методы современной дилатометрии позволяют измерять эти изменения с точностью до ІСГ - 10" . При помощи этих методов изучалось изменение плотности металлических образцов при ползучести в нескольких десятках экспериментальных исследований.
Результаты этих исследовании, равно как и результаты металлографических и т.п. наблюдений за изменениями микроструктуры показывают, что одним из основных элементов накопления микроповреждений структуры металлического тела в процессе необратимого его деформирования является появление и развитие сети микро-лор разной форш. В процессах ползучести при низких напряжениях, когда ползучесть оканчивается хрупким разрушением, развитие сети микропор является не одним из основных, а просто основным элементом скрытой стадии процесса.
Процесс разрушения при ползучести как процесс накопления разрыхления материала
Началом развития феноменологической теории хрупкого разрушения послужили работы / 28, 45 /. Физическая природа процесса разрушения как в этих, так и в более поздних работах / 29, 46_/ не детализируется. Дня описания процесса разрушения вводится параметр, называемый параметром "сплошности" или "поврежден-ности" со , который по условию изменяется в пределах от I до О (параметр ) или от 0 до I (параметр со ). Уравнение для этого параметра вводится на основе интуитивных соображений и удовлетворительно соответствует в определенном классе случаев экспериментальным данным [_ 46_/. Работы / 28, 45_/ дали толчок развитию целого направления в механике разрушения, использующего для описания скрытой стадии процесса разрушения скалярную величину. В последующих работах исходные соотношения усложнялись. Все они могут быть разделены на две группы. Одну из них составляют работы, в которых на основе результатов микроструктурных исследований определяется сам параметр поврежденности, а определяющее уравнение для него строится с привлечением довольно произвольных гипотез 50, 60, 61, 90, 99_/. В других работах, наоборот, экспериментально-физическая база подводится под конструкцию определяющего уравнения для параметра поврежденности, физический смысл которого, однако, не уточняется /37, 38, 52, 53, 72, 74_/. Невозможно сделать достаточно обоснованными все детали подхода без привлечения статистической механики, термодинамики и других основных мето дов теоретической физики. Но использование их в данном аспекте тоже встречает серьезные препятствия, связанные с необратимостью процессов разрушения и сложностью их микроскопической картины. Пробелы, связанные с трудностью использования в полном объеме методов теоретической физики, и заставляют вводить различного рода гипотезы.
Существует, однако, класс случаев, в которых эти трудности удается в значительной мере обойти. Он включает в себя ползучесть металлических тел в условиях фиксированной температуры и фиксированных внешних сил, создающих осесимметричное напряженное состояние (одноосное растяжение или сжатие в совокупности с всестороннем равномерным давлением). "Одномерный" характер процесса позволяет воспользоваться скалярным параметром повреж-денности, а накопленные в последние годы экспериментальные данные, о которых упоминалось в гл.1 2, позволяют утверждать, что этот параметр должен характеризовать на макроуровне "разрыхление" микроструктуры.
Понятие " разрыхления" материала было введено В.В.Новожиловым при исследовании циклической деформации металлов 41_/. На макроуровне разрыхление проявляется в виде остаточного изменения объема и, следовательно, плотности образца. Сложность экспериментального изучения этих величин связана с малыми их значениями для металлических тел, особенно в процессах атермическои ("холодной") деформации. Для материалов, исследуемых в условиях высокотемпературной ползучести, эффект несколько сильнее и разработанные в последние годы чувствительные методы позволяют, как уже отмечалось в гл.1 2, измерять остаточное изменение объема и плотности с достаточной степенью точности.
Первые важные факты на основе таких измерений были извлечены в работе 1_ 93_/. Эта работа, однако, дает только значение изменения плотности, к моменту шкроразрушения. Результаты первого детального изучения кинетики изменения плотности образцов из меди в процессе ползучести приведены в работе 69_/. Эта работа породила целый ряд аналогичных экспериментальных исследований на различных материалах. Основные результаты последних представлены в таблице I, взятой из обзора / 67_/ и на рис.1, взятом из работы / TU.J.
Из таблицы I следует, что значение максимального уменьшения плотности может достигать нескольких процентов. Заметное влияние на это значение оказывают напряжение, температура, внешняя среда и наложение на одноосное растяжение всестороннего сжатия. Заметно влияет также структура самого материала: из таблицы I и рис.1 видно, что у материалов с гексагональной плотноупакованной решеткой разрыхление проявляется сильнее, чем у материалов с кубическими решетками. Это и понятно, ибо в отличие от кубических структур в гексагональной плотноупакованной решетке, как известно, имеется лишь одна плоскость легкого скольжения, а именно, плоскость основания элементарной ячейки. Из-за этого для произвольно выбранного зерна (кристаллита) такого металла сравнительно высока вероятность неблагоприятной с точки зрения скольжения его ориентации,-Для многих зерен поэтому скольжение оказывается затруднительным и они испытывают двойникование и смещение по границам зерен, всегда связанные, как уже упоминалось, с развитием большого числа микропор.
Детерминистическое описание разрушения при ползучести
Одной из характерных особенностей металлов является атер-мическая пластичность, т.е. пластичность, внутренний механизм которой не связан с тепловой подвижностью атомных частиц. Это проявляется в том, что типичные металлы сохраняют способность к значительной пластической деформации при самых низких из достижимых в опытах температурах / 59_/.
В несколько иной форме то же самое заключается в том эффекте, что у типично металлического тела сопротивление отрыву в любых условиях (вплоть до самых низких температур) в значительной степени превосходит сопротивление сдвигу. По этой причине вполне хрупким разрушение типичного металла может быть, вероятно, только при всестороннем равномерном растяжении. Такое напряженное состояние в опытах пока осуществить не удалось. При любом же напряженном состоянии с ненулевым девиатором, даже когда последний мал, разрушению типичного металла предшествует пластическая деформация.
Причины этого можно понять, если учесть специфику сил сцепления в металлическом теле. В металлическом кристалле решетку образуют положительные ионы, поскольку валентные электроны проводимости коллективизируются, т.е. принадлежат не отдельным узлам решетки, а телу в целом. Получается, что положительно заряженная решетка "погружена" в электронную плазму, взаимодействие с которой обладает большой плотностью энергии. Так, именно это взаимодействие приводит к кристаллизации металлов в плотноупакованные решетки. По этой же причине разрушить металл без предварительной пластической деформации практически невозможно, как это и было отмечено А.Б.Степановым в работе / 51_/.
Последующее развитие учения о прочности и пластичности твердых тел доставило много новых соображений и фактов в пользу справедливости этого постулата по крайней мере в применении к металлам.
Целый ряд таких фактов доставило развитие дислокационных представлений. В настоящее время известно несколько дислокационных моделей микроповреждений кристаллического тела при деформации. Так, по предложению Зинера, развивавшемуся далее Стро, Моттом и другими авторами, в результате торможения скольжения достаточно значительными препятствиями (такими как границы зерен, карбиды) дислокации в голове их скопления могут сближаться настолько, что фактически сливаются, образуя зародышевую микропору. Стро также вндвішул предположение о том, что из-за наложения полей одноименных дислокаций при торможении скольжения на препятствиях растягивающее напряжение по одну сторону поверхности скольжения может достигнуть критического уровня, так что возникнет клиновидная трещина. По существующим представлениям пори или трещины такого типа могут возникать также на перегибах поверхности скольжения и на пересечениях поверхностей скольжения (механизм Котрелла) вблизи субграниц и других неоднородноетей такого типа. Не вдаваясь в детальное обсуждение всех известных моделей образования в результате пластической деформации этих зародышевых микрополостей - перечисление и анализ этих моделей имеется, например в работе 23_/, - отметим следующее принципиальное обстоятельство.
В классических опытах И.В.Обреимова по расслаиванию слюды зарождавшаяся трещина после разгрузки исчезала. В последующих опытах со стеклами при многократных нагружениях трещины в стекле возникали, а затем после разгрузки каждый раз исчезали по крайней мере при наблюдении в оптический микроскол. / 42_/. Зародышевые микроповреждения в металлическом теле, о которых шла речь выше, имеют иной характер - они образуются в результате пластического скольжения и с разгрузкой тела не исчезают. Действительно, в результате слияния одноименных дислокаций в голове скольжения (первая из упомянутых выше моделей) образуется микрополость, которая не "захлопывается" с разгрузкой. Клиновидная микротрещина в голове полосы скольжения (вторая из упомянутых моделей) имеет своим основанием систему "слившихся" дислокаций и тоже не может закрыться с разгрузкой. Микрополость, не исчезающая с разгрузкой, также образуется и на пересечении плоскостей скольжения, равно как и во всех других упоминавшихся случаях. Это и понятно: образующиеся в ходе пластической деформации микропоры существенно с ней связаны и не исчезают с разгрузкой тела именно потому, что не исчезает сама пластическая деформация. Таким образом при деформации металлического тела повреждения микроструктуры по крайней мере на начальном этапе процесса имеют такой характер, что к ним в большей мере подходит слово микропора, а не микротрещина, поскольку эти микроповреждения представляют собой микрополости, сохраняющиеся после разгрузки. С развитием процесса деформации плотность микропор увеличивается и в некоторый момент процесса микропоры порождают начальные макротрещины. Механизм возникновения последних пока точно не выяснен, возможно, что единственного механизма и не существует, равно как не существует критического значения плот ности микропор. Более существенно сейчас, что до возникновения первых макротрещин основным видом микроповреждений, как следует из сказанного являются микропоры. Последние влекут остаточные изменения объема, которые могут служить макроскопическим параметром поврежденноети материала.
Статистический подход к квазихрупкому разрушению
Известно значительное количество экспериментальных работ, в которых приведены результаты изучения разрушения микроструктуры тела в некоторый момент процесса ползучести 5, 12, Ш_/ или после его разделения на части (макроразрушения) II, 83, П4_/. Эти результаты получены при применении к образцам или к их отдельным участкам, а также к телам, находившимся в условиях эксплуатации методов электронной микроскопии и микрофрак-тографии. На рис.3, заимствованном из работы /_ 5_/ приведены гистограммы для характерных диаметров микропор, имеющихся в предельном сечении образца из хромомолибденовой стали І2ХІМФ к середине и к концу второй стадии ползучести при температуре 580С и напряжении 12 КР/ШЛГ. Средний характерный диаметр микропор, подсчитанный по экспериментальным точкам гистограммы, относящиеся к середине установившейся стадии процесса ползучести составил 0,2580 мк, а среднеквадратичное отклонение от этой величины -0,1950 мк. К моменту окончания установившейся стадии ползучести, после которого начинался, согласно [_ 5_/, процесс лавинообразного роста полостей, указанные значения равны соответственно: 0,1880 и 0,0970 мк. При этом наиболее вероятное значение характерного диаметра микропор остается прежним (0,1500 мк). Тем самым к моменту начала ускоренной стадии процесса ползучести в микроструктуре образцов из стали І2ХІМФ наряду с уменьшением в 1,4 раза среднего диаметра полостей, среднеквадра тичное отклонение этой величины уменьшается в 2 раза. Отсюда следует, что к моменту лавинного развития поврекденности наблюдается выравнивание характерных размеров микропор между собой. Кроме того гистограммы на рис.4, заимствованные из работы / 5_/ свидетельствуют о том, что на второй стадии ползучести поры имеют округлую форму. Это наблюдается для высокотемпературной ползучести циркониевого сплава согласно результатам работы IIIV» испытывавшемся на ползучесть в течение 10 000 ч. Округлая форма микропор наблюдается в основном также в микроструктуре сплава І2ХІМФ, отработавшего свой эксплуатационный срок (100 000 ч) при температуре 540С и напрякении 4,4 кг/мьг / 6_/. В работе /_ &J подчеркнуто, что отношение максимального и минимального характерных диаметров микропор составило 1-1,3. В этой же работе отмечены экспериментальные результаты, касающиеся неравномерного развития микрополостей в материале после его длительной эксплуатации. Так, при изучении внутренних поверхностей паропроводов из стали І2ХІМФ обнаружены такие зоны со средней концентрацией микропор 3 10 мм , в которых существовали участки с концентрацией микропор на порядок большей и равной 2-Ю5 мм""2.
Исследование, проведенное на участках поверхностей разрушения труд паропроводов из сталей І2ХІМФ и І5ХІМІФ, дало результаты, касающиеся неравномерности расположения микрополостей в предельном состоянии. Как указано в работе /_ 12J с удалением от магистральной трещины на 5 мм количество микропор на I шг уменьшалось с 546 до 73 штук; на расстоянии 20 мм концентрация полостей составляла примерно 26 мм , а на расстоянии 60 мм от края магистральной трещины концентрация была практически нулевой. В работе / 12_/ приведен график, воспроизведенный на рис.5, по называющий изменение ширины полосы растрескивания с изменением времени эксплуатации и относительным удлинением S% . Ширина полосы растрескивания сужается с увеличением времени эксплуатации и одновременно уменьшаются значения &% . Так, увеличение времени эксплуатации в 1000 раз приводит к уменьшению ширины полосы растрескивания в 20-25 раз, a S% уменьшается в 8 раз. Это указывает на то, что с ростом времени эксплуатации область интенсивного растрескивания становится более локализованной. Этот результат соответствует результатам, приведенным выше и касающимся образцов из стали І2ХІМФ.
Необходимо отметить исследования о распределении микрополостей в зависимости от их ориентации относительно оси растяжения, результаты которых изложены в работах 83, П4_/. Б первой из них содержатся данные, касающиеся изучения полостей на продольной поверхности разрушения образцов из сплава \ Сг-- Mo , подверженного ползучести при двух различных условиях испытания: а) при температуре - 650С и напряжении - 2,5 кг/миг и б) при 565С и 10 кт/шг. Во второй работе приведены результаты, полученные при разрушении образцов из сплава il,iO-l,5№- 0,0SC при температуре 700С и скорости деформации 0,2 мм/час, причем образцы в исходном состоянии отличались различными значениями размеров зерен. Общим результатом в обоих работах, проиллюстрированном на рис.б(а.б), 7(а,б) является то, что при повышенной температуре и пониженном напряжении для сплава -ІСг-Мо и наиболее грубом размере зерна ( м, ) для сплава ,40- 5/ -0,050 наиболее вероятна ориентация микропор под углами относительно оси растяжения Л , составляющими 80-90. Существуют также аналогичные экспериментальные факты, касающиеся сплава І2ХІМФ; приведенные в работе П_/» гДе результатом исследования спла- ва, находившегося при напряжениях 7-14 кг/мьг и температурах 540-600С методами электронной микроскопии и фрактографии послужило образование пор на границах зерен, перпендикулярных оси растяжения образца.
Отмеченные результаты опытов являются непосредственным подтверждением неравномерности развития поврежденноети в материале как в текущий момент процесса ползучести, так и в момент макроразрушения.
К моменту начала третьей стадии ползучести, т.е. до момента начала лавинного образования пор, усиливается степень повреж-денности материала, причем эта поврежденноеть становится более однородной как с точки зрения уменьшения разброса значений характерных диаметров микропор, так и с точки зрения их преимущественной ориентации, при которой поры почти перпендикулярны оси растяжения.
Применение методов измерения плотности, продемонстрированное в работах /9, 26, 27_/, избавляет от необходимости подсчетов конкретных микрополостей. Цель ряда таких работ заключалась в том, чтобы показать неравномерность разрыхления по образцу при ползучести, а также показать существенную разницу в развитии разрыхления при умеренных напряжениях и температурах с одной стороны и при повышенных температурах и низких напряжениях с другой стороны.
