Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов
Представлены результаты обработки экспериментальных данных по длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов ЖС36 и СМSХ-4 с ориентациями <001> и <111> в интервале температур 1023...1373 К. Приведены численные значения коэффициентов уравнений температурно-силовой завис...
Gespeichert in:
| Datum: | 2002 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Schriftenreihe: | Проблемы прочности |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46741 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов / Е.Р. Голубовский, И.Л. Светлов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 5-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46741 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-467412013-07-06T17:46:51Z Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов Голубовский, Е.Р. Светлов, И.Л. Научно-технический раздел Представлены результаты обработки экспериментальных данных по длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов ЖС36 и СМSХ-4 с ориентациями <001> и <111> в интервале температур 1023...1373 К. Приведены численные значения коэффициентов уравнений температурно-силовой зависимости времени до разрушения и построены кривые длительной прочности монокристаллов с указанными ориентациями в диапазоне долговечностей до 10^5 ч. Установлены три различные температурно-временные области изменения коэффициента анизотропии длительной прочности, в которых характер анизотропии обусловлен различными механизмами ползучести и определяется эволюцией микроструктуры монокристаллов. Наведено результати обробки експериментальних даних щодо тривалої міцності монокристалів нікелевих жароміцних сплавів ЖC36 та CMSX-4 з орієнтаціями <001> і <111> в інтервалі температур 1023...1373 К. Представлено числові значення коефіцієнтів рівнянь температурно-силової залежності часу до руйнування і побудовано криві тривалої міцності монокристалів з указаними орієнтаціями в діапазоні довговічностей до 10^5 г. Установлено три різні температурно-часові області зміни коефіцієнта анізотропії тривалої міцності, в яких зумовлений різними механізмами повзучості характер анізотропії визначається еволюцією мікроструктури монокристалів. We present results of processing the experimental data on long-term strength of single crystals of the Ni-base superalloys ZhS36 and CMSX-4 with orientations <001> and <111> over the temperature range from 1023 to 1373 K. We calculate coefficients of equations of the temperature- force dependence of the creep-rupture strength and construct long-term strength diagrams for single crystals with the given orientations and o in the lifetime scope up to 10^5. We determine three different time-temperature ranges of variation of the coefficient of long-term strength anisotropy, in which the anisotropic character is conditioned by various creep mechanisms and determined by the microstructure evolution of single crystals. 2002 Article Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов / Е.Р. Голубовский, И.Л. Светлов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 5-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46741 539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Голубовский, Е.Р. Светлов, И.Л. Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов Проблемы прочности |
| description |
Представлены результаты обработки экспериментальных данных по длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов ЖС36 и СМSХ-4 с ориентациями <001> и <111> в интервале температур 1023...1373 К. Приведены численные значения коэффициентов уравнений температурно-силовой зависимости времени до разрушения и построены кривые длительной прочности монокристаллов с указанными ориентациями в диапазоне долговечностей до 10^5 ч. Установлены три различные температурно-временные области изменения коэффициента анизотропии длительной прочности, в которых характер анизотропии обусловлен различными механизмами ползучести и определяется эволюцией микроструктуры монокристаллов. |
| format |
Article |
| author |
Голубовский, Е.Р. Светлов, И.Л. |
| author_facet |
Голубовский, Е.Р. Светлов, И.Л. |
| author_sort |
Голубовский, Е.Р. |
| title |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| title_short |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| title_full |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| title_fullStr |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| title_full_unstemmed |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| title_sort |
температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2002 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46741 |
| citation_txt |
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик
длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных
сплавов / Е.Р. Голубовский, И.Л. Светлов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 5-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT golubovskijer temperaturnovremennaâzavisimostʹanizotropiiharakteristikdlitelʹnojpročnostimonokristallovnikelevyhžaropročnyhsplavov AT svetlovil temperaturnovremennaâzavisimostʹanizotropiiharakteristikdlitelʹnojpročnostimonokristallovnikelevyhžaropročnyhsplavov |
| first_indexed |
2025-07-04T06:11:35Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:11:35Z |
| _version_ |
1836695679187025920 |
| fulltext |
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ
РАЗДЕЛ
УДК 539.4
Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик
длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных
сплавов
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
ВИАМ, Москва, Россия
Представлены результаты обработки экспериментальных данных по длительной проч
ности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов ЖС36 и СМБХ-4 с ориентациями
<001> и <111> в интервале температур 1023...1373 К. Приведены численные значения
коэффициентов уравнений температурно-силовой зависимости времени до разрушения и
построены кривые длительной прочности монокристаллов с указанными ориентациями в
диапазоне долговечностей до 105 ч. Установлены три различные температурно-временные
области изменения коэффициента анизотропии длительной прочности, в которых характер
анизотропии обусловлен различными механизмами ползучести и определяется эволюцией
микроструктуры монокристаллов.
Клю чевы е слова : длительная прочность, монокристаллы, жаропрочные сплавы,
анизотропия.
Введение. В отличие от поликристаллических материалов с равноосной
структурой, монокристаллы конструкционных жаропрочных никелевых
сплавов (ЖНС) обладают значительной анизотропией характеристик меха
нических и физических свойств. Характеристики упругости монокристаллов
ЖНС (модули нормальной упругости и сдвига, коэффициенты Пуассона)
могут быть рассчитаны для любого из кристаллографических направлений в
ГЦК-решетке по соотношениям теории упругости [1].
Анизотропия характеристик кратковременных механических свойств
(пределы прочности и текучести, удлинение) и их температурная зависи
мость достаточно подробно экспериментально исследованы на монокристал
лах различных ЖНС при разных скоростях деформации [2-5]. Однако
несомненный интерес представляет изучение закономерностей изменения
анизотропии механических характеристик, зависящих от времени, так как
пределы длительной прочности (ДП) и ползучести являются базовыми
характеристиками при ресурсном проектировании рабочих лопаток авиаци
онных ГТД и энергетических ГТУ. При этом для определения напряженно-
деформированного состояния в различных сечениях лопатки турбины не
обходимо знать ориентационную зависимость пределов длительной проч
ности и ползучести, по крайней мере иметь соответствующие данные для
трех кристаллографических направлений <001>, <011> и < 111> в интервале
рабочих температур и долговечностей.
© Е. Р. ГОЛУБОВСКИЙ, И. Л. СВЕТЛОВ, 2002
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 2 5
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
Известные из литературных источников данные по влиянию кристалло
графической ориентации растягивающей силы на ДП монокристаллов ЖНС
весьма противоречивы.
Так, исследования ориентационной зависимости характеристик жаро
прочности монокристаллов сплава MAR M-200 [6] показали, что при темпе
ратуре 1023 К минимальное время до разрушения (г ) и максимальная
длительная пластичность характерны для монокристаллов с ориентациями
вблизи угла <011> стандартного стереографического треугольника, тогда как
максимальную долговечность (г max) имеют монокристаллы с ориентацией
<111>. Промужуточные значения времени до разрушения г р отмечаются
для монокристаллов с ориентацией <001>. Результаты исследования моно
кристаллов из сплава CMSX-2 свидетельствуют о том, что при температуре
1023 К анизотропия долговечности существенно зависит от размера частиц
упрочняющей у'-фазы [7]. При минимальном размере частиц у'-фазы
(0,23 мкм) максимальные значения г max имеет ориентация <111>, при
максимальном размере частиц (0,45 мкм) - ориентация <001>. При средних
размерах частиц (0,3 мкм) значения долговечности г p становятся близкими
для монокристаллов обеих ориентаций.
С повышением температуры степень анизотропии характеристик кратко
временной и длительной прочности снижается, а последовательность ориен
таций <011 >, <001>, <111> в порядке возрастания ДП в одних литературных
источниках подтверждается, в других указывается такая последовательность:
<001>, <011>, <111> [8, 9]. Следует также отметить, что на анизотропию
характеристик длительной прочности и ползучести в значительной степени
оказывает влияние химический состав сплава [10].
Таким образом, анизотропия ДП монокристаллов ЖНС зависит от
многих внешних факторов и внутренних параметров, среди которых важ
ными являются температура, напряжения, химический состав сплава и его
структурное состояние. Последнее определяется не только режимами терми
ческой обработки, от которых зависит исходный размер частиц у'-фазы, но и
условиями внешнего температурно-силового воздействия на сплав.
В настоящей работе проведен анализ экспериментальных данных по
длительной прочности монокристаллов двух кристаллографических ориен
таций - <001> и <111>. Монокристаллы с ориентацией <011> не рассматри
вали, поскольку весьма ограниченный объем экспериментальных данных не
позволяет корректно провести статистическую обработку и сделать обосно
ванные выводы о влиянии этой ориентации на ДП.
Для количественной оценки степени анизотропии использовался коэф
фициент анизотропии ДП [8]:
_<hkl>
к <hkl> _ ° г , .
к г <001> , (1)
_ <НЫ> _<001> 1| | | ^где о г и о г - пределы ДП монокристаллов с ориентацией растяги
вающей силы в направлениях <М/> и <001> соответственно за время г.
6 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
Коэффициент анизотропии можно также определить как отношение
времени до разрушения или времени накопления заданной деформации
ползучести при одном и том же уровне напряжений для монокристаллов с
различной ориентацией [11]:
г <кк!>
к = 'о <001>
г о
Иногда используют также отношение обратных величин минимальных ско
ростей ползучести.
Противоречивые данные об анизотропии характеристик длительной
прочности и ползучести во многом объясняются разными способами опреде
ления коэффициента анизотропии для монокристаллов одного и того же
сплава. Значения коэффициента могут различаться не только по величине,
но и по физическому смыслу. Для инженерных расчетов коэффициент анизо
тропии определяется по формуле (1), а для выяснения физической природы
анизотропии и механизмов ползучести целесообразно использовать отноше
ния времени накопления деформации ползучести е (е = 0,5 или 1% и т.д.).
Цель работы заключалась в определении температурно-временной зави
симости коэффициента анизотропии К <111> и интерпретации этой зависи
мости на основе физических механизмов накопления деформации в про
цессе ползучести. Рассмотрен также прогноз ориентационной зависимости
длительной прочности монокристаллов ЖНС при низких напряжениях и
соответственно больших долговечностях, т.е. при условиях работы моно-
кристаллических лопаток в стационарных газотурбинных установках.
М атериалы и методика обработки данных. В работе использовались
результаты испытаний на ДП монокристаллов отечественного сплава ЖС36
и широко известного зарубежного сплава СМБХ-4. Эти сравнительно новые
модификации сплавов содержат рений. Экспериментальные данные для
сплава ЖС36 получены в интервале температур 1173...1373 К и долговеч
ностей до гр ~ 1000 ч. Наиболее представительная выборка результатов
испытаний на ДП монокристаллов сплава СМБХ-4 в интервале температур
1023...1273 К и долговечностей до 30000 ч опубликована в [4]. В обоих
случаях использовались цилиндрические образцы диаметром 5 мм, а про
дольные оси образцов отклонялись от точных кристаллографических на
правлений <001> и < 111> на величину углов, не превышающую 10...120.
После стандартной (для этих сплавов) термической обработки размер частиц
упрочняющей у'-фазы составлял ~ 0,4...0,45 мкм.
При обработке результатов испытаний весь температурный интервал
разбивался на три: низкотемпературный (до 1023 К), промежуточный
(1073...1123 К) и высокотемпературный (1173...1373 К). Такое разбиение
основано на определенных физических представлениях о структурном со
стоянии ЖНС в процессе ползучести. При испытаниях монокристаллов ниже
промежуточного уровня температур достаточно продолжительное время со
храняется кубоидная морфология частиц упрочняющей у'-фазы, тогда как
выше этого уровня частицы интенсивно коагулируют специфическим обра
зом. Соответственно механизмы деформации ползучести выше и ниже проме
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2 7
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
жуточного уровня температур существенно различаются. Низкие темпера
туры (1023 К) характерны для условий работы замка лопатки, а высоко
температурный уровень соответствует горячим зонам пера лопатки в авиа
ционных ГТД.
Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использова
нием уравнения температурно-силовой зависимости времени до разрушения
[8, 11]:
г р = £ Т то ~ п е х р ^ У ^ ). (2)
Методика численного определения коэффициентов £, т, п , и 0 , у под
робно изложена ранее [11]. С использованием полученных значений этих
коэффициентов строили кривые длительной прочности для монокристаллов
двух вышеуказанных ориентаций, определяли пределы длительной проч
ности и по ним рассчитывали коэффициенты анизотропии К ^ 111> в интер
вале долговечностей 10...105 ч на каждом температурном уровне.
Результаты и их обсуждение. В таблице представлены численные
значения коэффициентов уравнения (2), полученные путем обработки ре
зультатов испытаний на ДП. На рис. 1 и 2 показаны кривые длительной
прочности соответственно для сплавов СМБХ-4 и ЖС36, рассчитанные по
уравнению (2) с численными значениями коэффициентов (таблица); точками
отмечены результаты испытаний образцов.
Значения коэффициентов уравнения (2) для сплавов ЖС36 и СМ8Х-4
Сплав Температурный
интервал, К
Кристалло
графическая
ориентация,
<М/>
т п 1п £ и 0,
кДж/моль
У,
Дж
моль • Па
СМБХ-4 1023...1073 <001> 0 0 -31,69 440,2 146,0
1073...1173 <001> 2 0 -57,65 536,3 129,6
<111> 1 4 -38,96 667,9 157,7
1173...1273 <001> 2 4 -28,34 441,0 24,9
<111> 2 0 -58,91 587,2 236,3
ЖС36 1173...1273 <001> 1 2 -40,18 546,5 119,3
<111> 2 4 -45,41 644,3 91,4
1273...1373 <001> 2 4 -29,86 462,9 58,8
<111> 2 3 -48,78 635,3 144,5
Как видно, наблюдается весьма удовлетворительное совпадение резуль
татов эксперимента и расчета. С учетом этого, а также на основании опыта
обработки экспериментальных данных значительного числа жаропрочных
никелевых сплавов с использованием уравнения (2) и прогнозирования
характеристик ДП на 1...1,5 порядка по логарифмической шкале времени
[11] были построены расчетные кривые ДП в интервале долговечностей до
8 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
105 ч. При этом необходимо отметить, что для сплава ЖС36 прогнозируемый
интервал долговечностей превышает указанный выше предел в 1,5 порядка,
однако авторы сознательно пошли на этот шаг с целью установить воз
можную общность изменения закономерностей анизотропии ДП в сплавах
СМБХ-4 и ЖС36 на весьма большом временном интервале.
Время до разруш ения, ч
а
Время до разруш ения, ч
б
Рис. 1. Кривые длительной прочности монокристаллов сплава СМБХ-4 с ориентациями
<001> (а) и <111> (б) в интервале температур 1023...1273 К.
На рис. 3,а и 4,а приведены расчетные кривые ДП монокристаллов
соответственно сплавов СМБХ-4 и ЖС36 с ориентацией <001> и <111>.
Согласно рис. 3,а, можно выделить три температурно-временные облас
ти, которые ограничены прямыми линиями, проведенными через точки
пересечения кривых ДП монокристаллов <001> и <111>. В области I (левее
линии АВ) ДП монокристаллов <001> превышает ДП монокристаллов
<111>. В области I I (между линиями А В и С Б) имеет место инверсия, и
монокристаллы < 111> становятся более жаропрочными, чем монокристаллы
<001>. В области II I (правее линии СБ) при низких напряжениях и больших
долговечностях ситуация такая же, как и в области I.
Температурно-временные зависимости коэффициентов анизотропии
К ^ 111> представлены на рис. 3,б семейством кривых с максимумами, поло
жение которых смещается в сторону меньших времен при повышении
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2 9
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
температуры. Очевидно, что в областях I и III, где выполняется неравенство
<7<т > < <7<001> , коэффициенты анизотропии К <ш > < 1 , а в области I I
неравенства обратные. Значения (К <111> )тах характеризуют максимальную
степень анизотропии длительной прочности монокристаллов при данных
температурно-силовых условиях испытания. С повышением температуры
значение (К < 111> )тах уменьшается с 1,357 при 1173 К до 1,12 при 1273 К,
т.е. максимальное превышение пределов длительной прочности монокристал
лов <111> по сравнению с монокристаллами <001> составляет 36 и 12% при
соответствующих температурах.
а
Время до разрушения, ч
б
Рис. 2. Кривые длительной прочности монокристаллов сплава ЖС36 с ориентациями <001>
(а) и <111> (б) в интервале температур 1173...1373 К: 1 - Т = 1173 К; 2 - Т = 1273 К; 3 -
Т = 1373 К.
Кривые на рис. 3,а позволяют прогнозировать температурно-силовые
условия длительных испытаний монокристаллов с ориентацией <001> и
< 111> для получения заданного коэффициента анизотропии.
Закономерности, установленные на сплаве СМБХ-4, подтверждаются
результатами испытаний монокристаллов сплава ЖС36. На рис. 4 приведены
расчетные кривые ДП монокристаллов этого сплава, а также температурно
временная зависимость коэффициентов анизотропии К <111>. Как видно,
характер этих зависимостей остается практически неизменным, однако по
ложение точек инверсии и численные значения (К <111> )тах отличаются,
поскольку химический состав сплавов и режимы термической обработки
различны.
10 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
Время до разруш ения, ч
а
1 ,4 - з
0,6 -------------------------------- ,------—----------------------- ,-------------------------------- ,---------------------------------1
ю 100 1000 1 0 0 0 0 100 000
Время д о разруш ения, ч
б
Рис. 3. Кривые длительной прочности монокристаллов с ориентациями <001> и <111> в
интервале температур 1073...1273 К - а и зависимость К^ш > от времени до разру
шения и температуры - б: 1 - Т = 1073 К; 2 - Т = 1123 К; 3 - Т = 1173 К; 4 - Т = 1223 К;
5 - Т = 1273 К.
Таким образом, установленные закономерности влияния ориентации
монокристаллов на ДП в исследованном интервале температур и долго
вечностей имеют общий характер для данного класса ЖНС. Кроме того, из
рис. 3, 4 следует важный вывод о том, что в процессе длительных испы
таний монокристаллов при промежуточных и высоких температурах коэф
фициенты анизотропии являются немонотонными функциями от времени с
четко выраженными максимумами. По мере увеличения базы испытания
(уменьшение напряжений) изотермические коэффициенты анизотропии в
областях I и II I меньше единицы, а в области I I больше единицы.
Поэтому для полного описания характера и степени анизотропии жаро
прочных свойств монокристаллов ЖНС необходимо иметь кривые ДП в
широком интервале температур и долговечностей. Представляется некор
ректной оценка характера анизотропии ДП на основе отдельных результатов
испытаний монокристаллов с разной ориентацией при одной-двух темпера
турах и одном-двух уровнях напряжений. Такой подход неизбежно приводит
к ошибочным или неоднозначным выводам. К сожалению, во многих извест
ных литературных источниках используется именно такой подход к оценке
анизотропии ДП монокристаллов. В качестве иллюстрации рассмотрим ре
зультаты работы [9], в которой исследована анизотропия ползучести моно
кристаллов сплава СМБХ-4 с ориентацией, близкой к углам стандартного
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2 11
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
стереографического треугольника, при температурах 1123 и 1253 К. На
первом температурном уровне испытания проводили при напряжениях 500 и
650 МПа, на втором - при 350 МПа. О степени анизотропии судили по
времени накопления деформации ползучести 0,5 и 2%. На основе полу
ченных результатов авторы сделали однозначный вывод о том, что наиболее
сильной ориентацией является <001>, наиболее слабой - ориентация < 111>.
Время до разрушения, ч
а
Время до разрушения, ч
б
Рис. 4. Кривые длительной прочности монокристаллов с ориентациями <001> и <111> в
интервале температур 1173...1373 К - а и зависимость К^ > от времени до разрушения и
температуры - б: 1 - Т = 1173 К; 2 - Т = 1273 К; 3 - Т = 1323 К; 4 - Т = 1373 К.
Как следует из рис. 3, указанные условия испытания соответствуют
области I, в пределах которой соблюдается указанная последовательность.
Однако при меньших напряжениях, которые соответствуют области II, более
сильной ориентацией является <111>, а не <001>. При дальнейшем сниже
нии напряжений возможен переход в область III. Аналогичный подход к
оценке анизотропии ДП монокристаллов ряда жаропрочных сплавов исполь
зовали также авторы работы [10].
Нелинейная зависимость кривых ДП и наличие точек инверсии сви
детельствуют о том, что в процессе длительных испытаний на ползучесть
при постоянной температуре пластическая деформация монокристаллов
12 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
осуществляется различными механизмами. Поэтому полученные результаты
необходимо трактовать с учетом механизмов ползучести, действующих в
каждой температурно-временной области.
Физические механизмы низкотемпературной ползучести монокристал
лов ЖНС достаточно хорошо исследованы. В настоящее время можно счи
тать установленным тот факт, что деформация ползучести реализуется сколь
жением дислокаций в различных системах сдвига. При этом скольжение
может происходить по одной или многим системам сдвига в зависимости от
ориентации монокристаллов. В ГЦК монокристаллах ЖНС пластическая
деформация ползучести осуществляется сдвигом в направлении плотной
упаковки атомов < 110> по плоскостям двух типов - октаэдра {111} и куба
{001}. При низких температурах действующей системой скольжения явля
ется октаэдрическая - {111} < 110>, а при высоких включается и кубическая
система - {001} <110>. Всего имеется 12 октаэдрических и 6 кубических
систем скольжения, поэтому анализ следует проводить с учетом возможного
скольжения по всем 18 системам.
В соответствии с законом Шмида, пластическая деформация начинается
в той системе скольжения, где приведенные касательные напряжения пре
высят критическую величину. В аналитической форме этот закон пред
ставляется в виде
где о - приложенное напряжение; Ф = cos % • cos р - фактор Шмида; % - угол
между осью растяжения и нормалью к плоскости скольжения; р - угол
между осью растяжения и направлением скольжения. Полагая о = о 0 2 ,
можно определить критические напряжения сдвига г кр для монокристал
лов данной ориентации и действующей системы скольжения.
Накопление деформации ползучести монокристаллов при 1023 К осу
ществляется скольжением дислокаций a/2 < 110> по октаэдрическим плос
костям после короткого инкубационного периода. На первой стадии ползу
чести дислокационные петли распространяются в прослойках матрицы и
либо огибают частицы у'-фазы по механизму Орована, либо перерезают эти
частицы с образованием сверхструктурных дислокаций Шокли a/3 <112>.
Наличие таких дефектов упаковки с антифазными границами в частицах у'-
фазы неоднократно наблюдали методами трансмиссионной электронной
микроскопии [12]. В процессе деформации монокристаллов с аксиальной
ориентацией низкой симметрии ось образца может поворачиваться, что
активирует вторичные системы сдвига, которые могут отличаться от первич
ных. Анизотропия ДП монокристаллов ЖНС при низких температурах
определяется деформационным упрочнением благодаря мультиплетному-
скольжению и ориентационной зависимости факторов Шмида для систем
скольжения <011> {111} и < 112> {111}.
При повышенных температурах наряду с ориентационным фактором
Шмида следует учитывать также эффекты, обусловленные характерными
изменениями микроструктуры в процессе ползучести, а именно: направлен
ной коагуляцией частиц у'-фазы. В результате направленной коагуляции
кубоидных частиц у'-фазы в монокристаллах <001> образуется специфи
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2 13
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
ческая микроструктура, которая представляет собой набор пластин у'- и
у-фаз, перпендикулярных оси приложенного напряжения, так называемая
рафт-структура (или структура плота). В монокристаллах <011> направлен
ная коагуляция происходит по двум плоскостям куба под углом 45° к направ
лению нагружения, а в образцах <111> образуется “ЗВ-паркетная” структура
по трем плоскостям куба, которые образуют угол = 55° с направлением
<111>. Схема направленной коагуляции частиц у'-фазы с образованием
рафт-структуры в монокристаллах <001> и “ЗБ-паркетной” структуры в
образцах <111> показана на рис. 5. Следует подчеркнуть, что рассмотренные
микроструктуры характерны для монокристаллов с ориентациями, близкими
к кристаллографическим направлениям <001> и <111>. В случае абсолютно
точной ориентации растягивающей силы вдоль этих направлений образу
ющиеся в процессе высокотемпературной ползучести микроструктуры будут
иными [13, 14]. Движущая сила и диффузионные механизмы коагуляции
частиц у'-фазы в процессе высокотемпературной ползучести монокристал
лов <001> подробно рассмотрены в работах [15-17].
Рис. 5. Схема направленной коагуляции частиц у'-фазы с образованием рафт-структуры при
ориентации растягивающей силы в направлении <001> (а) и “3Б-паркетной” структуры при
ориентации <111> (б).
Оценим величину движущей силы для монокристаллов трех ориента
ций - <001>, <011> и <111>. Согласно [18], движущая сила f процесса
направленной коагуляции частиц у'-фазы пропорциональна произведению
параметра д, который характеризует несоответствие периодов кристалли
ческих решеток у'- и у-фаз, и разности Д а N нормальных составляющих
внешнего напряжения а о, действующих на кубические грани частицы у'-
фазы: f ^ д Д а ^ .
В монокристаллах <001> для плоскостей [001], вдоль которых образу
ется рафт-структура, нормальная составляющая а N = а 0 , для плоскостей
[100] и [010] - а N = 0. Тогда движущая сила будет f 001 = д а 0.
В монокристаллах с точной ориентацией <011> на гранях куба [001] и
[010] нормальные компоненты а N = а 0 cos %, где % - угол между нор
14 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
малью к плоскости куба и направлением <011>. На грани куба (100) нор
мальная компонента равна нулю. В этом случае имеем / 011 = 0,5 д а 0.
Для монокристаллов с ориентацией [111] на гранях (001), (100) и (010)
кубической частицы у'-фазы действуют равные нормальные компоненты
внешнего напряжения а N = а 0/3 . Тогда движущая сила будет / 111 = 0. В
таких монокристаллах не должна наблюдаться направленная коагуляция, и в
процессе высокотемпературной ползучести морфология частиц у'-фазы оста
ется кубоидной, как и в исходном состоянии, хотя размеры частиц будут
увеличиваться.
Однако при отклонении ориентации оси монокристаллических образ
цов от точных кристаллографических направлений <001>, <011> и < 111>
или незначительной разориентировке частиц у'-фазы необходимо вводить
поправки на косинус угла отклонения. В этих случаях направленная коа
гуляция будет происходить вдоль тех граней куба, на которых разность
нормальных компонент внешнего напряжения максимальна. Тогда в моно
кристаллах с ориентацией, близкой к < 111>, возникает отличная от нуля
движущая сила, вызывающая направленную коагуляцию и образование “3Б-
паркетной” структуры.
Таким образом, в процессе испытаний на ползучесть при одинаковых
температурах и напряжениях скорость направленной коагуляции в моно
кристаллах с разной ориентацией различна. Исходя из оценочных значений
движущей силы наиболее высокая скорость направленной коагуляции на
блюдается в монокристаллах <001>, затем в <011>, и наконец, в образцах
<111>. Кроме того, в двух последних случаях образуется пространственная
структура по двум эквивалентным плоскостям {001} в монокристаллах
<011> и трем плоскостям куба в монокристаллах < 111>.
Вышеизложенное наглядно иллюстрируется серией микроструктур
(рис. 6), полученных на разных стадиях ползучести монокристаллов сплава
ЖС32 с ориентациями <001> и <111> при температуре 1273 К и напря
жении 250 МПа. В монокристаллах с ориентацией <001> рафт-структура
формируется уже через 10 ч, тогда как в образцах < 111> сохраняется
исходная кубоидная морфология частиц у'-фазы при тех же условиях испы
тания. На середине стационарной стадии ползучести, что соответствует 50 и
120 ч испытаний, направленная коагуляция полностью прошла в обоих
образцах. В монокристаллах с ориентацией <001> образуются почти парал
лельные пластины у- и у'-фаз, в монокристаллах < 111> формируется “3Б-
паркетная” структура в результате срастания частиц у'-фазы по трем экви
валентным (относительно приложенного напряжения) плоскостям куба. По
следние две микроструктуры отвечают образцам после разрушения через
100 и 300 ч соответственно. Как видно, обе микроструктуры одинаковы и
отличаются только ориентацией фазовых составляющих.
Следует отметить важную особенность микроструктур после разру
шения, а именно: топологическую инверсию. В исходном состоянии одно
связной фазой является твердый раствор, т.е. двигаясь только по прослой
кам у-фазы, можно прийти в любую произвольную точку этой фазы, не
пересекая частицы у'-фазы. После разрушения, напротив, односвязной ста
новится у'-фаза, а изолированные темные прослойки представляют собой
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 2 15
Е. Р. Голубовский, И. Л. Светлов
твердый раствор. Такая топологическая инверсия происходит при переходе
от стационарной к ускоренной стадии ползучести. Принимая во внимание
рассмотренные выше механизмы ползучести при низких температурах, а
также эволюцию микроструктуры монокристаллов с различной ориентацией
на разных стадиях высокотемпературной ползучести, наблюдаемые темпера
турно-временные зависимости коэффициентов анизотропии можно объяс
нить следующим образом.
Рис. 6. Монокристаллические образцы с аксиальной ориентацией [001] - а-в и [111] - г-е.
(Образование рафт- и “3П-паркетной” структуры на разных стадиях ползучести. Режим
испытаний - Т = 1273 К, а= 250 МПа. Продолжительность испытаний: а, г - г в = 10 ч;
б - г в = 50 ч; д - г в = 120 ч; в, е - гр = 100 и 300 ч соответственно.)
В условиях низкотемпературной ползучести при 1023 К анизотропия
ДП определяется деформационным упрочнением благодаря мультиплетному
скольжению и ориентационной зависимостью фактора Шмида для дейст
вующих систем сдвига.
При промежуточных и повышенных температурах в области I моно
кристаллы < 111> обладают меньшей жаропрочностью по сравнению с
образцами <001> до тех пор, пока в первых сохраняется кубоидная морфо
логия упрочняющих частиц у'-фазы, а во вторых рафт-структура уже сфор
мировалась полностью. Качественно этот эффект объясняется следующим
образом. Формирование параллельной рафт-структуры в монокристаллах
<001> повышает сопротивление ползучести, так как движение дислока
ционных петель поперек прослоек твердого раствора блокируется поверх
ностями раздела у /у ', на которых образуются устойчивые сетки эпитакси
альных дислокаций. Экспериментально не наблюдали следов перерезания
пластин у'-фазы на стационарной стадии ползучести в виде сверхструктур-
ных дислокаций и антифазных границ. Отметим, что при движении вдоль
прослоек твердого раствора дислокационные петли не встречают препят
ствий и распространяются на большие расстояния.
16 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
По мере увеличения длительности испытаний термически активиру
емые процессы диффузии вызывают направленную коагуляцию у'-фазы в
монокристаллах <111> с образованием “3В-паркетной” структуры иной
ориентации относительно направления приложенной нагрузки. Можно пред
положить, что “3В-паркетная” структура в таких образцах значительно
упрочняет сплав, так как ограничивает движение дислокаций во всех на
правлениях. По этой причине в области I I пределы длительной прочности
монокристаллов < 111> превышают таковые монокристаллов <001>, и коэф
фициенты анизотропии К ^ 111> становятся больше единицы.
Таким образом, в монокристаллах <001> (область I) формирование
регулярно ориентированной рафт-структуры завершается достаточно быстро
на неустановившейся стадии ползучести, тогда как в образцах < 111> еще
сохраняется исходная морфология частиц у'-фазы. Область I I соответствует
температурно-временным условиям образования полностью скоагулирован-
ной структуры в монокристаллах обеих ориентаций.
При больших временных базах испытания микроструктура монокрис
таллов деградирует за счет огрубления и искажения пластин у'-фазы, что
влечет за собой разупрочнение сплава. При этом максимальная скорость
разупрочнения вследствие деградации структуры наблюдается в монокрис
таллах <111>, минимальная - в монокристаллах <001>. Вероятно, это обус
ловлено более высоким отношением длины пластин к их толщине в
регулярной рафт-структуре, чем в “3Б-паркетной” структуре. Поэтому по
следняя обладает меньшей термической стабильностью и быстрее дегра
дирует. Процесс деградации микроструктуры при ползучести монокристал
лов ЖНС во многом аналогичен термической нестабильности направленно-
закристаллизованных эктектик с пластинчатой структурой. Известно, что
направленные эвтектики с совершенной пластинчатой структурой обладают
чрезвычайно высоким сопротивлением ползучести. Однако различные де
фекты структуры в виде окончаний и ветвления пластин существенно сни
жают термическую стабильность монокристаллов и приводят к их огруб
лению путем миграции этих дефектов, что влечет за собой снижение ДП.
Таким образом, наличие максимумов на кривых температурно-временной
зависимости коэффициентов анизотропии объясняется конкуренцией про
цессов упрочнения и разупрочнения монокристаллов в результате формиро
вания регулярной рафт- и “3Б-паркетной” структуры с последующей их
деградацией с различными скоростями.
В области III при больших долговечностях, когда прошел топологи
ческий переход и микроструктура становится полностью нерегулярной и
идентичной для монокристаллов всех кристаллографических направлений,
пределы длительной прочности вновь определяются ориентационной зави
симостью фактора Шмида, а коэффициенты анизотропии К ^ 111> становят
ся меньше единицы, как и в области I.
Заключение. В результате анализа представительных выборок резуль
татов испытаний на жаропрочность монокристаллов различных ЖНС с
ориентациями, близкими к <001> и <111>, в интервале температур 1023...
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 2 17
E. P. Голубовский, И. Л. Светлов
...1373 К и долговечностей до 105 ч установлены закономерности изменения
ДП в зависимости от кристаллографической ориентации приложенной на
грузки.
Коэффициенты анизотропии K <111> существенно зависят от темпера
туры и длительности испытания. При средних и высоких температурах они
являются немонотонными функциями времени с четко выраженными макси
мумами.
Температурно-временная зависимость K <111> обусловлена эволюцией
микроструктуры монокристаллов ЖHC в процессе высокотемпературных
длительных испытаний и различными механизмами накопления деформации
ползучести.
Авторы признательны А. И. Епишину за участ ие в дискуссии и замеча
ния при обсуж дении результат ов работы.
Р е з ю м е
Наведено результати обробки експериментальних даних щодо тривалої
міцності монокристалів нікелевих жароміцних сплавів ЖC36 та CMSX-4 з
орієнтаціями <001> і <111> в інтервалі температур 1023...1373 К. Пред
ставлено числові значення коефіцієнтів рівнянь температурно-силової за
лежності часу до руйнування і побудовано криві тривалої міцності моно
кристалів з указаними орієнтаціями в діапазоні довговічностей до 105 г.
Установлено три різні температурно-часові області зміни коефіцієнта анізо
тропії тривалої міцності, в яких зумовлений різними механізмами повзу
чості характер анізотропії визначається еволюцією мікроструктури моно
кристалів.
1. Кривко А. И., Епишин А. И., Светлов И. Л. и др. Упругие свойства
монокристаллов никелевых сплавов ll Пробл. прочности. - 1988. - № 2.
- C. б8 - 75.
2. Светлов И. Л., Суханов H. H., Самойлов А. И. и др. Температурно
ориентационные зависимости характеристик кратковременной прочнос
ти, модуля Юнга и коэффициента линейного расширения монокристал
лов сплава ЖC6Ф ll Там же. - 1987. - № 1. - C. 51 - 5б.
3. Koji K akehi. Influence of precipitate size and crystallographic orientation on
strength of a single crystal Nibase superalloy ll Mat. Trans., JIM. - 1999. -
40, No. 2. - P. 159 - 1б7.
4. Bullough C. K., Toulios M., Oehl M., and Lukas P. The characterization of
the single crystal superalloy CMSX-4 for industrial gas turbine blading
applications ll Mater. Adv. Power Eng. - 1998. - P. 8б1 - 878.
5. M iner R. V., Voigt R. C., Cayda J., and Cabb T. P. Orientation and
temperature dependence of some mechanical properties of the single crystal
nickel-base superalloy Rene 4: Pt.1. Tensile behavior ll Metallurg. Trans. -
198б. - 17A, No. 3. - P. 491 - 49б.
18 ISSN Q556-171X. Проблемы прочности, 2QQ2, № 2
Температурно-временная зависимость анизотропии
6. K ear B. H. and Piearcy B. J. Tensile and creep properties of single crystals
of the nickel-base superalloy MAR-M200 // Trans. Met. Soc. AIME. - 1967.
- 239. - P. 1209 - 1215.
7. Caron P., Ohta Y., Nakagawa Y. G., and Khan T. Creep deformation
anisotropy in single crystal Ni-base superalloy // Superalloys’88. - P. 215 -
225.
8. Голубовский E. P., Толораия В. H., Светлов И. Л. и др. К вопросу о
влиянии кристаллографической ориентации на длительную прочность и
ползучесть никелевого сплава. Сообщ. 1 // Пробл. прочности. - 1987. -
№ 9. - С. 11 - 17.
9. Sass V., Glatzel U., and Feller-Kniepmeir M. Creep anisotropy in mono
crystalline nickel-base superalloys CMSX-4 // Superalloys’96. - P. 283 -
290.
10. Shah D. M. and Cetel A. Creep anisotropy of nickel-base superalloy single
crystals // Superalloys’96. - P. 273 - 282.
11. Каблов E. H., Голубовский E. P. Жаропрочность никелевых сплавов. -
М.: Машиностроение, 1998. - 464 с.
12. N athalM . V., M ackay R. A., and M iner R. V. The deformation mechanism of
y'-precipitation hardened nickel-base superalloy // Metallurg. Trans. - 1989.
- 20A. - P. 133 - 141.
13. Tien J. K. and Copley S. M. The effect of uniaxial stress on the periodic
morphology of coherent gamma prime precipitates in nickel-base superalloy
crystals // Ibid. - 1971. - 2. - P. 215 - 219.
14. Tien J. K. and Copley S. M. The effect of orientation and sense of applied
uniaxial stress on the morphology of coherent gamma prime precipitates in
stress annealed nickel-base superalloy crystals // Ibid. - P. 543 - 553.
15. Епишин А. И., Светлов И. Л., Брукнер У. и др. Высокотемпературная
ползучесть монокристаллов жаропрочных сплавов с ориентацией <001>
// Материаловедение. - 1999. - № 5. - С. 32 - 42.
16. Svetlov I. L., Golovko B. A., Epishin A. I., and Abalakin N. P. Diffusional
mechanism of y'-phase particles coalescence in single crystals of nickel-base
superalloys // Scr. Met. - 1992. - 26, No. 9. - P. 1353 - 1358.
17. Epishin A., Kablov E., Golubovskiy E., e t al. Rupture lifetime prediction and
deformation mechanisms during creep o f single crystals nickel-base
superalloys // Proc. of 5th IUTAM Symposium on Creep in Structures
“Creep in Structures 2000” (Nagoya, Japan). - Dordrecht; Boston; London:
Kluwer Academic Publishers, 2000. - P. 231 - 240.
18. Nabarro F. R. Rufting in superalloys // Metallurg. Mater. Trans. - 1996. -
27A, No. 3. - P. 513 - 529.
Поступила 06. 09. 2001
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2 19
|