Высокотемпературная ползучесть и охрупчивание материалов в условиях длительной эксплуатации

Под действием сравнительно небольших напряжений и высоких температур металлические материалы становятся хрупкими и разрушаются с небольшой величиной остаточной деформации. Эта проблема известна как проблема тепловой хрупкости металлов. Этот эффект наблюдается в элементах многих важных инженерных объектов, в частности, энергетических и атомных силовых установках, поэтому проблема хрупких разрушений стала предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. При изучении ползучести металлов вплоть до разрушения обычно выделяют два основных механизма разрушения: вязкий и хрупкий. Вязкое разрушение возникает в результате процесса ползучести, характеризующегося большими сдвиговыми деформациями, хрупкое разрушение связано с появлением микропор и микротрещин и их постепенным слиянием. Под воздействием сравнительно небольших напряжений и высоких температур (около половины температуры плавления) в металлических материалах накапливается межзеренная пористость, что способствует переходу материала в хрупкое состояние. Используются различные физико-механические методы для описания процессов деградации металлических материалов при длительном температурном и силовом воздействии. Работоспособность металлов определяется главным образом процессами повреждения, способствующими охрупчиванию материала и появлению эффекта тепловой хрупкости. Физическими методами исследований было установлено, что явление тепловой хрупкости свойственно всем металлическим материалам и связано с процессами накопления пористости по границам зерен по механизму диффузии вакансий и зернограничного проскальзывания.
В работе эти процессы рассматриваются феноменологически, с использованием методов рассеянного разрушения и механики разрушения. Необратимое изменение плотности (разрыхление) материала рассматривается как параметр поврежденности. С учетом этих положений сформулированы взаимосвязанные кинетические уравнения для параметра поврежденности и деформации ползучести. Получены точные, приближенные аналитические и численные решения этих уравнений. Построены соответствующие теоретические кривые и сопоставлены с экспериментальными результатами для определения закономерностей накопления повреждений в условиях высокотемпературной ползучести, полученных для различных металлов и сплавов. Показано, что экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими. На временном интервале 30-500 часов они представлены в виде прямых линий и имеют общий характер независимо от материала и температурно-силовых воздействий, что указывает на существование единого закона процессов разрушения и косвенно подтверждает правильность выбора физического параметра поврежденности.