Ползучесть металлов

 Ползучесть металлов

Проблема прогнозирования разрушения важна для практики. Как правило, в металлах разрушение происходит в результате достижения критической деформации вследствие протекания пластических процессов. Изучению явления пластической деформации уделяется большое внимание. По этой проблеме существует множество публикаций. Предполагается, что основной причиной пластических процессов является движение дислокаций (дефектов кристаллической структуры). Пластическая деформация необратимый процесс, который характеризуется скоростью ползучести. В литературе приводится много формул, связывающую эту скорость с параметрами металлов и интенсивностью внешних воздействий на них. Проводятся различные опыты с образцами, заданной формы, для изучения закономерностей пластических процессов.
В одном из экспериментов принимал участие автор данной книги. Исследовались изменения на поверхности образцов из различных металлов в условиях стационарной ползучести, при которых усилие растяжения объекта поддерживалось в течение длительного времени на одном уровне. При необходимости величину нагрузки можно было менять. Исследования проводились с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который имел разрешение по высоте 1мкм и позволял снимать рельеф поверхности с площадки 10х10 мкм2 и меньше. Исходя из возможностей прибора и геометрии растягивающего устройства, изготавливались подходящие образцы из медной фольги толщиной 50 мкм. Оказалось, что медь наилучшим образом для проведения длительных опытов. Обычно изготавливалась партия одинаковых образцов в количестве 50 штук, которые тщательно полировались. Затем определялось максимальное разрывное усилие при плавном увеличении нагрузки. Далее образец закреплялся в растягивающем устройстве, которое устанавливалось на столик СТМ. Выбор точки наблюдения производился с помощью оптического микроскопа, который использовался также для измерения деформации. Подводилась нагрузка, которая составляла 80% от разрывного значения. Затем производилась съёмка рельефа поверхности на разных масштабах. В результате выявились некоторые особенности. С течением времени изменения рельефа поверхности уменьшались, пока совсем не прекращались. Последовательное увеличение нагрузки приводило к появлению изменений, величина которых нарастала. Непосредственно перед разрушением появлялись сильные выбросы. Было отмечено, что разрывное усилие при этом увеличилось на 20%, что свидетельствовало об упрочнении металла. Видимо, в объёме образца произошли структурные изменения. Было оценено также среднее значение скорости ползучести v = 10Е(-9)секЕ(-1).
Каждый металл имеет собственные параметры: плотность d, удельный объём f, приходящийся на отдельный атом, модуль сдвига G и ряд других. Эти параметры зависят от температуры Т и структуры объекта. В основе строения металлов находится кристаллическая решётка, в узлах которой расположены ионы, окружённые электронной жидкостью. Металлы относятся к сильно связанным объектам. Ионы находятся в постоянном тепловом движении и постоянно обмениваются энергией. Временами отдельный ион может получить дополнительную энергию, превышающую величину энергии связи в узле решётки, в котором он находится. Ион уходит в объём, образуя дефект структуры, а на его месте появляется вакансия. Такие дефекты приводят к упрочнению металла. По проблеме пластической деформации высказано много предположений. Здесь важно представить реальную модель процесса. При подведении к образцу нагрузки в его объёме начинается переходный процесс по распределению приложенного напряжения, который сопровождается волнами различного вида. Взаимодействие волн приводит временами к появлению направлений, в которых напряжение превосходит среднее значение. Если это напряжение превзойдёт по величине модуль сдвига, то произойдёт подвижка материала, при которой могут появиться дефекты структуры – дислокации. Связанность материала в ядрах дислокаций значительно больше, чем в исходной решётке, что приводит к упрочнению. Подвижки вызывают пластическую деформацию образца. Каждый объект может быть разбит на фрагменты множеством способов. При растяжении образца фрагменты начинают вибрировать, и происходит перераспределение  колебательной энергии между ними. Это похоже на движение шариков с различной массой, связанных пружинками. Это и будет причиной подвижек в объёме образца на различных масштабных уровнях. Частота подвижек при этом ничем не ограничена. Тогда можно написать формулу для скорости ползучести в следующем виде:
v = А exp(-U/w)                (1),
где  U – энергетический барьер.
       w – энергия возбуждения,
        А – частота подвижек. 
В формуле (1) энергии U и w даются в расчёте на одну частицу. Возникает вопрос, чем задаются эти энергии? При пластической деформации происходят сдвиги одних фрагментов материала относительно других, появляются дефекты структуры: дислокации, поры, вакансии и т.д. Значит, этот процесс определяется модулем сдвига. Тогда произведение модуля сдвига на удельный объём и будет искомым энергетическим барьером.
                U = fG          (2)
Из выражения (2) видно, что величина U определяется параметрами материала и может зависеть от температуры и структуры так же, как меняются сами параметры.
Теперь обратим внимание на энергию внешних возмущений w. На объект могут действовать тепловые, механические, электромагнитные и другие воздействия. Они приводят к увеличению средней энергии частиц вещества и, следовательно, суммируются. В случае, когда на объект действуют только тепловые и механические воздействия, средняя тепловая энергия определяется известным произведением kT а добавка к средней энергии частицы может быть определена произведением fp, где p есть некоторое среднее напряжение, возникающее в объёме образца как результат действия внешней нагрузки. Тогда получаем выражение для w:
  w = kТ +  fp          (3)
Учитывая выражения (2) и (3) можно заметить, что значение экспоненты в формуле (1) полностью определено и соответствует вероятности сдвига. Тогда вся неопределённость, связанная с оценкой скорости ползучести относится к предэкспоненте А. Видимо, этот параметр физически соответствует количеству подвижек в единицу времени, его величина ничем не ограничена. Подвижки могут происходить на различных масштабах. Их количество будет зависеть от структуры материала, температуры и величины внешних воздействий. Характер изменений А может быть выявлен по результатам испытаний различных образцов в условиях стационарной ползучести. Возможно, что следует ввести понятие о термосиловых флуктуациях, благодаря наличию которых и происходят подвижки. Видно, что формула (1) работает при температурах близких к нулю. Опытным путём было показано, что процессы пластической деформации существуют и в таких условиях.
В технических справочниках приводятся данные испытаний образцов в условиях стационарной ползучести при изменении температуры и величины растягивающей нагрузки. Используя их для сплава АМГ 6, можно оценить частоту подвижек А по формуле (1), определив предварительно среднее значение скорости ползучести как отношение заданной деформации к времени её достижения. Данные расчётов могут быть представлены в виде таблиц и графиков. В одних опытах поддерживалось постоянным растягивающее усилие, а менялась температура, в других наоборот менялось усилие при постоянной температуре. Используя данные для частоты подвижек, можно оценить время достижения критической деформации e для объектов, изготовленных из данного металла D (долговечность), если известны действующие напряжения и рабочая температура по формуле:
D = e/v = e/A exp(U/w)          (4)
Следует только выбрать подходящее значение частоты подвижек из таблиц или графиков, а затем оценить долговечность. В таблице 1 приводятся данные испытаний, по которым построен график, изображённый на рис.5.
                Таблица 1.
;(МРа) Т(К) А(p)Т1 А(p)Т2 А(p)Т3    А(p)Т4
1 60 300 10E(23) 5 10E(19)5 10E(16) 5 10E(13)
2 130 350 5 1017 5 1014 5 1012    5 1010
3 150 400 5 1015 5 1013 5 1011    5 109
4 155 500 5 1015 5 1012 5 1011    5 109

Видно, что с увеличением нагрузки и температуры частота подвижек уменьшается, она намного превосходит частоту колебаний отдельных атомов (10E(11)секE(-1). Уменьшение частоты, возможно связано с преобладанием увеличения числа крупно масштабных сдвигов.
 
 Рис.3. График отображающий частоту подвижек в зависимости от приложенного напряжения и действующей температуры.

Подвижки, происходящие вблизи поверхности, изменяют её рельеф. Приближение величины нагрузки к разрывному значению вызывает появление на поверхности крупных неоднородностей.