Activation characteristics of the viscoelastic properties of a heat-resistant Ni-Co-Cr based alloy, hardened by internal.pdf Введение Для изготовления деталей горячего тракта современных газотурбинных авиационных двигателей (жаровые трубы камеры сгорания, элементы сопла и форсажной камеры) широко применяют жаропрочные материалы, способные работать при температурах ~ 1050 С и выше [1, 2]. В основном, это конструкционные никелевые сплавы. Высокие рабочие температуры обеспечивают большую удельную мощность и реактивную тягу двигателя. Современные исследования литых и порошковых жаропрочных сплавов направлены не только на разработку новых материалов с повышенной жаропрочностью и заданными физическими свойствами, но и на улучшение характеристик имеющихся перспективных сплавов за счет использования, в частности, методов химико-термической обработки (ХТО). Известно, что одним из эффективных способов повышения служебных характеристик жаропрочных материалов является высокотемпературное объемное азотирование, обеспечивающее появление в структуре мелкодисперсных частиц нитридов [3-5]. Получаемый таким образом материал в ходе дисперсного упрочнения становится наноструктурированным. Создание и освоение в инженерной практике группы дисперсно-упрочненных сплавов, дополнительно упрочняемых методами ХТО, представляет сегодня большой интерес. Данная технология обеспечивает значительное улучшение основных механических свойств (микротвердости, длительной прочности) и других показателей. В настоящее время активно осваивается промышленностью сплав нового поколения ВЖ171, разработанный на основе системы Ni-Co-Cr и имеющий рабочую температуру около 1250 С, что в среднем на 175 С выше, чем у серийных жаропрочных сплавов [6, 7]. Повышение рабочих температур было достигнуто за счет упрочнения матрицы сплава стабильными частицами нитридов титана, образующихся в процессе азотирования. Изделия из дисперсно-упрочненных сплавов при эксплуатации подвергаются нагружению и, как следствие, пластической деформации, ведущей к формоизменению. Одним из факторов, обеспечивающих требуемое сопротивление пластической деформации жаропрочных сплавов при высоких температурах, является температурный порог Tcr перехода материала из упругого в вязкоупругое состояние. Возникающие при Т > Tcr релаксационные процессы приводят к развитию нелинейных вязкоупругих свойств материала. К числу прямых методов исследования вязкоупругих свойств относят изучение явлений ползучести, упругого последействия и релаксации напряжений. Определенную перспективу представляет также использование метода внутреннего трения (ВТ), широко применяемого для исследования физических механизмов деформации, контролирующих в том числе и явления вязкоупругости [8, 9]. Кроме того, известна связь между сопротивлением к действию внешнего нагружения, в том числе и при повышенных температурах, и неупругими свойствами (внутренним трением) материала, что обусловлено общими для обоих эффектов механизмами микропластической деформации локальных объемов. В дисперсно-упрочненных сплавах, к числу которых относятся и жаропрочные сплавы, основные процессы пластической деформации локализуются в зонах контактов включений и матрицы, где формируются пластически деформированные микрообъемы. Известно, что движение вакансий и дислокаций, связанные с этим диффузионные процессы и развитие процессов пластического сдвига на границах раздела включение - матрица являются основными механизмами формирования высокотемпературного фона ВТ [10]. Построение и анализ температурных зависимостей ВТ в области повышенных температур используются для изучения процессов, ответственных за сопротивление микротекучести и повышение длительной прочности дисперсно-упрочненных и структурно-неоднородных сплавов [11, 12]. Полученные результаты могут быть использованы как для определения энергетических характеристик точечных дефектов, так и для установления температурных границ, масштабов развития и физических механизмов вязкоупругости, что может представлять интерес для исследования и конструирования жаропрочных материалов. В связи с этим основной целью данной работы является изучение высокотемпературного фона внутреннего трения жаропрочного сплава ВЖ171 в неазотированном и азотированном (упрочненном) состояниях, а также сравнительный анализ активационных параметров процессов, формирующих вязкоупругие свойства материала. Теория Высокотемпературный фон внутреннего трения Согласно имеющимся представлениям [13], температурная зависимость фона внутреннего трения представляет собой непрерывно возрастающую функцию, которая в области повышенных температур (Т D) достаточно хорошо описывается эмпирическим выражением вида Рис. 1. Общий вид фона внутреннего трения для металлов и сплавов , (1) где D - температура Дебая; параметр Y может зависеть от температуры Т и частоты циклического нагружения; параметр H - энергия активации процесса, ответственного за формирование фона ВТ; k - постоянная Больцмана. На рис. 1 представлен характерный график зависимости фона внутреннего трения материала от обратной температуры. Такой вид внутреннего трения был получен, например, в работах Чемберса по монокристаллическому Al, а также другими исследователями [14]. В нижней части рисунка схематически отмечены границы высокотемпературной (I), переходной (II) и низкотемпературной (III) областей. В низкотемпературной области III кривая температурной зависимости фона ВТ имеет слабо выраженный подъем. Физический механизм процессов, формирующих фон ВТ в области III, в основном, связывают с явлением термоупругости и различными процессами релаксации в локальных зонах концентрации внутренних напряжений, во многих случаях связанных с миграцией вакансий. В переходной области II процессы миграции атомов и вакансий получают свое дальнейшее развитие. Основу физических механизмов высокотемпературного фона ВТ (область I) составляют явления вязкоупругости различной природы, связанные с изменением при повышенных температурах пространственного расположения, механизмов взаимодействия и подвижности различных дефектов структуры от вакансий и межузельных атомов до дислокаций и внутренних поверхностей раздела [10, 13-15]. Особо отмечается существенная роль вакансий в действии физических механизмов, ответственных за формирование высокотемпературного фона внутреннего трения в материалах [16, 17]. Для описания формы температурной зависимости фона ВТ используют аналитические выражения, представляющие собой: a) эмпирические зависимости (пример - формула (1)), б) расчетные формулы, полученные методами механики сплошной среды при анализе вязкоупругого поведения материала, свойства которого описываются различными реологическими моделями, в) результаты анализа физических моделей, основанных на рассмотрении диффузии точечных дефектов, консервативного и неконсервативного движения дислокаций, дислокационного скольжения, контролируемого диффузионной подвижностью дислокационных атмосфер, и т.п. Физические модели Для анализа высокотемпературного фона внутреннего трения были сформулированы в разное время различные физические механизмы [16, 17], в которых исследуется связь вязкоупругих свойств материалов с механизмами и динамикой движения дефектов структуры различных типов под действием внешнего нагружения. Некоторые микроскопические теоретические модели низкочастотной релаксации (т.е. для частот внешнего нагружения

Скачать электронную версию публикации