ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 11-18
ТЕОРИЯ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.71 721:621.785.375.001
ИЗУЧЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗВРАТА В СПЛАВЕ ЛМгб С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
© 2004 г. Д. А. Мирзаев*, Ю. Д. Корягин*, Я. С. Добрынина*, А. А. Звонков**
*Южно-Уралъский государственный университет, 454080 Челябинск, просп. им. В.И. Ленина, 76 **Государственный ракетный центр "КБ им. академика В.П. Макеева", 456300 Челябинская областъ, г. Миасс, Тургоякское шоссе, 1 Поступила в редакцию 12.01.2004 г.
Приведены результаты исследования кинетики возврата в сплаве АМгб. Процессы возврата в на-гартованном сплаве АМгб с достаточной точностью описываются теорией Кульман- Коттрелла-Эйтекина, т.е. зависимость предела текучести от логарифма времени при длительных выдержках линейна. На основании теории Кульман-Коттрелла-Эйтекина получено уравнение изменения предела текучести сплава во времени. На основе полученных результатов разработана методика прогнозирования изменения механических свойств в процессе длительной выдержки или эксплуатации. С учетом особенностей процессов возврата в исследуемом сплаве получено новое общее уравнение возврата, которое, в отличие от теории Кульман-Коттрелла-Эйтекина, учитывает уменьшение скорости возврата по мере приближения предела текучести нагартованного сплава к исходному до деформации значению.
ВВЕДЕНИЕ
Летательные аппараты и устройства могут длительное время храниться в предпусковом или законсервированном состояниях. Но даже в таких условиях происходит изменение физико-механического состояния материала деталей. Помимо процессов коррозии и растрескивания в упруго напряженных узлах конструкции могут проходить процессы возврата нагартованных деталей, обусловленные стремлением структуры перейти в более равновесное состояние. Это стремление кинетически реализуется с помощью миграции вакансий, потоками которых управляют коллективные поля напряжений от дислокаций, заторможенных препятствиями различной природы. В итоге миграция точечных дефектов приводит в движение систему более массивных дефектов -дислокаций. Их движение сопровождается аннигиляцией, в силу чего уменьшается плотность дислокаций и, как следствие, предел текучести.
Между тем феноменология процессов возврата и кинетический механизм возврата изучены достаточно подробно для многих конкретных сталей и сплавов. Существует несколько дислокационных теорий возврата, каждая из которых применима для определенного круга сплавов. Поскольку эти теории предсказывают реалистичную зависимость предела текучести от времени возврата, то после установления физических и кинетических констант теории их можно использовать для прогнозирования долговечности эксплуатации деталей, работающих в условиях возврата.
Цель настоящей работы заключается в создании теории прогнозирования ресурса работы (хранения) изделий из нагартованного сплава АМгб, применяемого для важнейших деталей летательных аппаратов, у которых в процессе эксплуатации при температуре, близкой к комнатной, наблюдаются явления возврата.
ПРИМЕНИМОСТЬ ТЕОРИИ КУЛЬМАН-КОТТРЕЛЛА-ЭЙТЕКИНА
Кульман [1], а также Коттрелл и Эйтекин [2] предложили приближенную теорию возврата, в которой было принято, что вероятность преодо-
и(ау
ЯГ
ления энергетического барьера есть ехр | -причем энергия активации
и (а) = и 0 - V *а,
(1)
где а - внутреннее напряжение, которое приходится преодолевать внешнему напряжению, а по существу предел текучести; V * - активационный объем; и0 - высота энергетического барьера. Уравнение для скорости возврата в этой теории имеет вид
£ = -С ехр а
йт Ч ЯГ
(2)
где т - время выдержки. Его решение легко приводится к виду
ов, 00.2, МПа 500
А
450.
400,
350 -
300 10
10'
10
102
103
|4
10
т, дней
1 2 10
т, лет
Рис. 1. Изменение механических свойств образцов сплава АМгб в ходе выдержки при комнатной температуре для двух степеней наклепа: О - данные настоящего исследования, Л - данные [3].
0 = 00- 11п ( 1 + т
(3)
1 1 (иоо- V*0о
то = р сехр I"-
(4)
1, т К 1
0 - 0о- в ^Т = 0о + в1пто-в1пт, Р то Р Р
(5)
1/ V*, 1/А 0.0020 г0<3 2000 г
0.0015
0.0010
0.0005
*
Ь § 1500 ^
ю о
й
3
н н
о к я а
я к
т
м
1000
500
050 200 250 300 350 400 450 Исходный предел текучести 00, МПа
Рис. 2. Влияние исходного уровня предела текучести на активационный объем V* в процессе разупрочнения
(возврата) при комнатной температуре; ©о ~ 165 МПа.
Для того, чтобы построить точную математическую модель, необходимо было определить из экспериментальных данных параметры С, V * и и0. Для исходного предела текучести 394 МПа находим коэффициент наклона прямой
А©,
о, 2
1
"Р
ЯТ
А 1п т р V* откуда активационный объем
= -7.54 МПа,
где 00 - исходный после наклепа предел текучести; в = V */ЯТ, а т0 - характеристическое время процесса
V * =
¡Л . 314 3 х 29 5 7.54 х 106
(6а)
(66)
= 325.2 см3/моль = 54о А3/препятствие.
где С - кинетическая константа. Очевидно, что если т > т0, то в выражении под логарифмом можно пренебречь единицей по сравнению с т/т0, и тогда
т.е. должна существовать линейная зависимость предела текучести от логарифма времени возврата.
На рис. 1 представлены данные авторов по исследованию возврата, дополненные результатами работы [3], которые относятся к сплавам близкого состава, исходно деформированным на одинаковую прочность. Изменение предела текучести сплава АМгб со временем в логарифмическом масштабе действительно описывается линейной зависимостью, следовательно, процесс возврата в сплаве АМгб подчиняется теории Кульман-Кот-трелла-Эйтекина.
Видно, что активационный объем существенно превышает объем атома алюминия а3/4 = 16.6 А3, где а - параметр кристаллической решетки алюминия. Относительно большой активационный объем обуславливает сильное влияние напряжений на энергию активации процесса возврата, определенную выражением (1).
АНАЛИЗ АКТИВАЦИОННОГО ОБЪЕМА V *
Найденная величина активационного объема (по порядку) может быть отнесена к нескольким дислокационным процессам. Чтобы выяснить, какой дислокационный механизм ответственен за возврат при комнатной температуре, была построена зависимость V * от исходного уровня предела текучести в наклепанном состоянии (рис. 2). Расчет активационного объема проводили аналогично (66). Интересно, что уменьшение степени наклепа, а следовательно, и значения 00, приводит к непрерывному прогрессирующему увеличению активационного объема V * по мере того, как
0
предел текучести приближается к пределу текучести а0 для недеформированного сплава. Наоборот, в области больших значений а0 активаци-онный объем почти не изменяется. Величина 1/У * в интервале пределов текучести 210-270 МПа линейно убывает при уменьшении предела текучести. Если экстраполировать зависимость 1/у * = ф(а0) до пересечения с осью абсцисс, то обнаруживается (см. рис. 2), что 1/У * = 0 при а0 = = 165 МПа, что соответствует пределу текучести неупрочненного сплава.
Согласно дислокационной теории [4]
ат = а0 = а0 + атОЬТр, (7)
где а ~ 1/5 - геометрическая постоянная; т - ори-ентационный фактор; О - модуль сдвига; Ь - вектор Бюргерса (Ь = а 72 /2); р - плотность дислокаций, созданная при холодной пластической деформации. Величина 1/л/р имеет смысл среднего междислокационного расстояния I. Основываясь на выражении (7), легко показать, что
К
I =
0
(8)
кация длиной Л прошла путь х, пересекая дислокации леса [7], то она приобретет рЛх/2 ступенек со средним расстоянием между ними
i =
Тогда с учетом (8) у * = гьа = ьй
2Л = 2 рЛх рх'
2_3-~,2, 3ч 1/2
(4а2 mJ О2 Ь
К1
0
^0-
(9)
(10)
где К = ат ОЬ, т.е. I имеет такую же зависимость от напряжения текучести, что и активационный объем У *. Следовательно, величина У * пропорциональна I. Благодаря этому обстоятельству мы смогли для исследуемого сплава сразу исключить целый ряд возможных дислокационных механизмов, которые обычно связывают с возвратом: 1) механизм переползания краевых дислокаций разного знака из своих плоских скоплений с последующей аннигиляцией [5]; 2) механизм поперечного скольжения расщепленных винтовых дислокаций, скопившихся у барьеров Ломера-Коттрелла при деформации гранецентрирован-ных кристаллов [6]. Активационные объемы в этих теориях имеют иные, чем в выражении (8), зависимости от напряжения.
Из всех известных термически активируемых процессов наиболее реальным нам представляется движение винтовых дислокаций со ступеньками, которые возникают в результате пересечения дислокаций первичных и вторичных систем скольжения. Эти ступеньки имеют краевую ориентацию и должны двигаться вдоль линии винтовой дислокации. Принудительное движение винтовой дислокации ведет к движению ступенек перпендикулярно к линии дислокации, но в этом случае они обязаны генерировать вакансии [6].
Пересечение дислокаций происходило в ходе предварительного наклепа. Рассмотрим изменение активационного объема У * = 1Ьй в зависимости от степени упрочнения. Если винтовая дисло-
где I - среднее расстояние между ступеньками; й -диаметр образования дефекта, К - константа для данного металла. Именно такого типа зависимость активационного объема от напряжений мы наблюдали для относительно малых напряжений текучести.
Если бы закон (10) сохранялся до напряжений течения 394-427 МПа, то активационный объем был бы равен примерно 250 А3 (см. рис. 2). В действительности наблюдается вдвое большее значение. Дело в том, что при пересечении дислокации с петлей на первой возникают ступеньки разных знаков, которые довольно легко перемещаются вдоль дислокации, а при встрече аннигилируют. При малых расстояниях между ступеньками вероятность аннигиляции увеличивается, вследствие чего расстояние между ступеньками возрастает [7]. Таким образом, экспериментальные результаты находят разумное объяснение в рамках гипотезы о движении винтовых дислокаций со ступеньками.
Баррет и Никс [8] получили выражение для скорости скольжения винтовых дислокаций со ступеньками, содержащее гиперболический синус. Если а У */ЯТ > 1, то их выражение примет вид
2 ( ид - У * а
^ = Т^ехр
(1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.