Необратимого формоизменения

Чугуну, в особенности нелегированному, работающему при высоких температурах, помимо окисления, присуще также явление роста, под которым обычно пони мают необратимое увеличение размеров (объема) деталей. К числу наиболее существенных причин, вызывающих рост чугуна, следует отнести:

У обычного серого чугуна необратимое увеличение объема во времени появляется уже при нагревах до 400° С. Рост чугуна отрицательно сказывается на длительной работе деталей и нередко вызывает поломки сопряженных деталей машин.

При работе компрессора под влиянием нагрузок возникает силовая деформация поршня и цилиндра, которую также необходимо учитывать при определении наименьшего зазора. Кроме того, необходимо учитывать необратимое увеличение объема чугуна при его нагреве (так называемый «рост чугуна»), являющееся следствием разрыхления чугуна из-за выделения графита и поглощения газов (переход водорода из атомарного состояния в молекулярное) .

натяга значения коэффициента трекия сначала уменьшаются, а начиная с Л^> 30 мкм остаются практически неизменными. Последнее связано с пластическими деформациями в резьбе. С. Н, Захаровым установлено, что в процессе свинчивания наблюдаются необратимое увеличение наруж-

В наиболее неблагоприятных условиях например при циклическом изменении температуры в агрессивной среде необратимое увеличение объема может достигать 20, а иногда 50— 100%. Характерными признаками роста являются резкое понижение механических свойств и образование сетки разгара на поверхности отливок.

Таким образом, при термоциклировании сплавов алюминия с медью, кремнием и цинком происходит необратимое увеличение объема и развитие пористости. Одним из необходимых условий образования пор является оплавление. Ускорение охлаждения, как и в случае малорастворимых примесей, способствует возрастанию объема. Результаты исследования влияния различных факторов на рост алюминиевых сплавов при термоциклировании с оплавлением в общем согласуются с данными работ [210—212], полученными на анизотропном в отношении термического расшкрени.ч кадмии с примесями. Вместе с тем вследствие различной склонности сплавов к росту и отсутствия напряжений термической анизотропии необходим обстоятельный анализ влияния оплавления. В качестве независимых факторов, вызывающих увеличение объема и развитие пористости, могут служить термические напряжения, газы и чередую-

Одной из причин падения плотности алюминиевых сплавов при термоциклировании может явиться развитие газовой пористости. Жидкий алюминий хорошо растворяет водород [175] и, по данным [252], при обычных способах приготовления алюминиевых сплавов содержание водорода велико и достаточно для образования водородных пор при термической обработке. Для оценки роли газов, попадающих в сплав при плавке и разливке, термоциклирова-ли отливки, переплавленные в вакууме. Оказалось, что вакуумированные сплавы с медью при термоциклировании по указанным выше режимам разрыхлялись не меньше, чем выплавленные в воздухе. Так, плотность сплава с 7% Си, выплавленного в вакууме 1СГ4 мм рт. ст., после 30 термоциклов по режиму 560 -^ 20° С (вода) уменьшилась на 3,8%, а плотность справа с 7,5% Си, выплавленного в воздухе, после тех же термоциклов уменьшилась на 1,8% (разливка в песок) и 2,75% (разливка в кокиль). Следовательно, имеющиеся в сплавах газы не являются ответственными за необратимое увеличение объема при термоциклировании.

легко деформируются и возникающие при теплосменах напряжения не могут быть большими. Свинец, например, имеет низкое сопротивление деформации и, несмотря на большую, чем у олова и интерметаллида СиА12, разницу коэффициентов термического расширения с алюминием, не может явиться причиной высокой концентрации напряжений. Уровень термических напряжений определяется и модулем упругости. С его учетом элементы можно разместить в убывающий ряд Si, Cu, Cd, Sn, Bi, Pb (табл. 7), который достаточно полно характеризует влияние примесей на необратимое увеличение объема алюминиевых сплавов при термоциклировании с оплавлением.

Явление роста чугуна известно более ста лет. Благодаря многочисленным экспериментальным исследованиям стало известным влияние различных факторов на необратимое увеличение объема чугуна. Изучены и причины роста. В настоящее время считают, что рост объема вызван гра-фитизацией цементита, окислением, образованием трещин в металлической основе чугуна в результате интенсивных теплосмен, развитием пористости вследствие чередования процессов растворения и выделения графита. Рост объема, обусловленный графитизацией цементита, имеет предел, определяемый количеством связанного углерода. Увеличение объема чугуна можно вычислить, зная удельные объемы исходных и образующихся фаз. Увеличение объема чугуна при переходе 1 % С из цементита в графит (Ц ->• ->- Ф + Г) составляет

1. При термоциклировании образцов серого чугуна изложниц по режиму 950 ^ 650° С в вакууме и аргоне происходит необратимое увеличение объема. После 100 циклов объем образцов увеличился на 30—40% без изменения веса.

результате химического взаимодействия влаги с алюминием на низкотемпературной стадии цикла образуется водород, который легко поступает в глубь металла и заполняет поры. При повышенных температурах поры растут под влиянием газового давления. Необратимое увеличение объема этих сплавов осуществляется в результате своеобразного проявления растворио-осадителыюго механизма роста, в котором строительный материал избыточной фазы (водород) поступает при термоциклировании извне.

В наиболее неблагоприятных условиях, например при циклическом изменении температуры в агрессивной среде, необратимое увеличение объема может достигать 20, а иногда 50— 100%. Характерными признаками роста являются резкое понижение механических свойств и образование сетки разгара на поверхности отливок.

Как показывают разультаты расчета с помощью МКЭ и экспериментов, существенное уменьшение доли квазистатических повреждений (практически до нуля) при термоусталостном режиме неизотермического нагружения можно реализовать путем изменения формы и размеров образца для подавления эффекта необратимого формоизменения в условиях существенно неоднородного продольного температурного поля. При этом наилучшие результаты получаются для образцов корсетной формы, особенно из материалов с малой и умеренной (-ф =15%) пластичностью в рассматриваемом диапазоне температур.

Важным для познания явления необратимого формоизменения при теплосменах было установление А. А. Бочва-ром и др. [55] того факта, что для стабильного значения коэффициента роста необходимо, чтобы верхняя температура цикла была выше определенной величины, близкой к температуре 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.

Формоизменение многофазных сплавов при термоциклировании изучено хуже, чем формоизменение металлов. По-видимому, оно во многом сходно с формоизменением анизотропных металлов. В оловянистых сплавах, например, содержащих гексагональную CuSn или кубическую SnSb фазу, при теплосменах на межфазных границах происходят такие же смещения, как ив чистом олове [274]. В силу различия коэффициентов термического расширения разных фаз у межфазной поверхности концентрируются напряжения сдвига, с релаксацией которых возможна необратимая деформация тела. Поскольку с изменением состава сплава меняются количество и распределение фаз, коэффициент роста должен, также изменяться. Зависимость коэффициента роста многофазных сплавов от состава сложная и для характеристики необратимого формоизменения их правило смещения непригодно [152]. В качестве примера приведем заимствованный из работы [89] рис. 2, на котором показана зависимость

для объемного и плоского напряженных состояний одинаков. Радиальные напряжения увеличивают обратимую часть упруго-пластической деформации, происходящей в течение цикла, и поэтому при их учете уменьшается величина необратимого формоизменения. В связи с этим при переходе от плоского напряженного состояния к объемному температура начала формоизменения повышается от 570 — 580° С до 630 — 640° С. При сопоставлении расчетных данных с экспериментальными обнаруживается качественное соответствие, однако количественно результаты отличаются друг от друга почти на порядок величины..

• Анализ формоизменения урана и его сплавов при термо-циклировании с многократными полиморфными превращениями дан в работах [88, 279], где необратимое формоизменение рассматривается как результат пластической деформации, происходящей одновременно с полиморфными превращениями. По данным [279], общее изменение формы образцов урана зависит от направления фронта фазовой перекристаллизации. Путем сопоставления двух типов фазовых превращений было показано, что при неизменных направлении и ориентации фазовой границы конечная форма зависит от относительной прочности фаз, а величина изменения — от объемного эффекта фазового перехода. Согласно данным работ [88, 279], необходимыми условиями необратимого формоизменения при фазовом превращении являются:

Авторы работы [265], используя методы вакуумной металлографии, проследили за размерными и структурными изменениями железа по достижении конечных температур цикла. Образец нагревали пропусканием электротока, и по предварительно нанесенным отпечаткам микротвердомера оценивали изменение размеров различных участков неравномерно нагретого образца. В средней части образца, где температурные градиенты были невелики, наблюдалось различие в линейных изменениях, происходящих при нагреве и охлаждении. В участках с большими температурными градиентами это различие отсутствовало и относительные изменения длины при прямом и обратном полиморфных превращениях оказались близкими к объемному эффекту фазового перехода (примерно 1%). Девятикратное повторение нагрева и охлаждения не изменило характера необратимого формоизменения образцов. На основании данных о структурных изменениях, происходящих на разных этапах термоцикла, авторы работы [265] заключили, что различие размерных изменений при нагреве и охлаждении образцов связано с характером фазовой перекристаллизации. При нагреве средней части образца возникает много зародышей аустенита, которые растут с приблизительно одинаковой скоростью во всех направлениях. В этом случае изменение длины составляет примерно 1/3—2/3 объемного эффекта превращения. При повышении температуры кристаллы аустенита последовательно растут в участках, где существуют продольные температурные градиенты, и приобретают столбчатое строение. Последовательное распространение фронта фазовой перекристаллизации вдоль образца не сопровождается изменением его поперечного сечения, и изменение длины соответствует объемному эффекту полиморфного превращения. Поскольку при охлаждении новые кристаллы феррита не зарождаются, обратное полиморфное превращение происходит путем роста сохранившихся в холодной части образца кристаллов феррита. В результате последовательной перекристаллизации столбчатые кристаллы феррита прорастают в средней части образца, что не сопровождается изменением его поперечного сечения. Таким образом, необратимое формоизменение происходит лишь в средней части образца, где

У12 увеличивались в длине. После интенсивных теплосмен по режиму 960 ** 600° С с одинаковым временем нагрева и охлаждения тонкие образцы, в сечении которых температурные градиенты отсутствовали, не испытывали заметных изменений размеров [32]. Несмотря на высокие скорости нагрева и охлаждения (примерно 25 град/сек), образцы стали независимо от содержания углерода (0,1—0,8%) и формы (лента или круглая проволока) сохраняли свои размеры. Полиморфные превращения железа, сопровождающиеся растворением и выделением цементита, при использованных в работах [32, 123] условиях термоциклирования реализовались нормальным механизмом перестройки решетки. Для заметного формоизменения были необходимы большие температурные градиенты в образцах. Иначе остаточное формоизменение невелико и можно ожидать обратимости дилатометрических кривых нагрева и охлаждения стали. Для образцов технических железоуглеродистых сплавов наличие температурных градиентов не является необходимым условием необратимого формоизменения при термоцик-лировании. Неодновременность полиморфных превращений в образце может быть связана не только с температурными градиентами, но и с химической и структурной неоднородностью. Известно, например, что холодная пластическая деформация снижает температуру начала а ->- у-превраще-ния [99]. Зарождению фаз способствуют неметаллические включения, свободные поверхности, несплошности, границы зерен. Эффективна и ликвация примесей, смещающих температурный интервал полиморфных превращений. Наличие в образцах структурной и химической неоднороднос-тей, особенно при направленном характере их размещения, например в деформированных и текстурованных образцах, означает, что полиморфные превращения будут совершаться неодновременно, и это может быть причиной необратимого изменения размеров и профиля образцов [32]. В качестве примера укажем на аномальное поведение образцов кипящей стали 08кп, термоциклирование которой в вакууме приводило не только к остаточным изменениям размеров, но и к трансформации круглого профиля в квадратный (рис. 13). Влияние ликвационного квадрата на изменение профиля проволоки не вызывает сомнений и свидетельствует о необходимости тщательного выбора однородного исходного материала, используемого для экспериментального исследования роли различных факторов при формо-

Авторы работы [324] привели многочисленные примеры размерной нестабильности различных углеродистых и легированных сталей при термоциклировании, сопровождающемся полиморфными превращениями. Литые образцы мало изменяли свои размеры, горячедеформированные — сильно. В зависимости от того как вырезанный образен ориентирован относительно направления деформации, при термоциклах длина его увеличивалась или уменьшалась. Авторы [324] не обнаружили влияния скорости нагрева и охлаждения на формоизменение стали при термоциклировании. Линейные изменения образцов при варьировании темпа смены температуры 12 и 80 град/сек были близкими. Коэффициент роста составлял приблизительно 0,1%, и наблюдалась относительная независимость его от числа циклов. Приведенные в работе [324] данные свидетельствуют о том, что при термоциклировании технических сталей возникают факторы, действие которых перекрывает эффект температурных градиентов. Причины необратимого формоизменения деформированной стали в указанной работе не обсуждаются, возможно, они связаны с текстурой и химической неоднородностью образцов.

Металлы с окружающей средой взаимодействуют и в изотермических ^условиях. Различные случаи описаны в специальной литературе и здесь не рассматриваются. Ниже изложены некоторые примеры воздействия среды на формоизменение при термоциклировании. Это воздействие может вызывать размерную нестабильность металлов или накладываться на другие механизмы необратимого формоизменения. Иллюстрацией этого положения служит описанная выше роль окисления в развитии растворно-осадительного механизма роста графитизированных сплавов. Взаимодействие с окружающей средой часто является причиной нестабильности коэффициента роста во время испытания. С появлением на поверхности образцов слоя с иными физико-механическими свойствами изменяются условия теплопередачи, появляются внутренние напряжения, возникают термические деформации даже в отсутствии температурных градиентов и т. д.

Приведенные примеры взаимодействия некоторых металлов и сплавов с кислородом и водородом не исчерпывают проблемы формоизменения под влиянием окружающей среды. Они лишь иллюстрируют часть вопросов этой проблемы. Большие размерные и структурные изменения происходят и при термоциклировании в среде, содержащей серу, галогены и их соединения, жидкие металлы и т. д. При этом могут иметь место разнообразные явления. Так, в теплообменных аппаратах с жидкометаллическим теплоносителем размерные изменения вызваны и массопереносом из одной части детали в другую [97, 180]. Материалы ядерного реактора «распухают» вследствие выделения газообразных продуктов деления [220]. Но и в тех случаях, когда взаимодействие со средой не сопряжено с большими размерными изменениями, оно сказывается на поведении металлов при термоциклировании даже в отсутствие значительных температурных градиентов в сечении детали. Предпосылкой для необратимого формоизменения металлов может явиться неодновременность развития фазовых превращений благодаря наличию в детали химической и структурной неоднородностей.

Многие из указанных материалов и методов обработки применяются при изготовлении деталей, подвергающихся при эксплуатации периодическим нагревам. Чаще качество этих деталей оценивают по прочности связи слоев, отличающихся друг от друга составом, и по способности сопротивляться образованию трещин термической усталости. Однако с гетерогенизацией структуры и свойств в пределах поперечного сечения детали появляются условия для необратимого формоизменения. Ниже рассмотрены некоторые вопросы влияния химической макронеоднородности на размерную стабильность стали. Роль микроскопической неравномерности распределения компонентов сплава, обусловленной гетерофазной микроструктурой материала, дендритной ликвацией и др., обсуждалась ранее.