Zjawisko pełzania metali - część 2

Artykuł ten jest kontynuacją tekstu o pełzaniu metali. Znajdziesz tu informacje o teorii pełzania na podstawie teorii dyslokacji, a także zapoznasz się z przebiegiem próby pełzania metali.

Teoria pełzania na podstawie teorii dyslokacji

Jedną z teorii najdokładniej objaśniających zjawisko pełzania jest teoria dyslokacji. Hamowanie pełzania w pierwszym jego okresie zakłada hamowanie w nim ruchu dyslokacji na przeszkodach, co determinuje zanikanie procesu. Dalsze przemieszczanie się dyslokacji wymaga dostarczenia dodatkowej energii cieplnej, która aktywuje proces. 

W drugim okresie pełzania (pełzanie ustalone) prędkość pełzania określana jest przez tworzenie się dyslokacji oraz jej ruch przez sieć, a także przez anihilację oraz nowe rozmieszczenie dyslokacji spowodowane nawrotem i poligonizacją metalu.

W drugim okresie pełzania wysokotemperaturowego nie obserwuje się znacznego wzrostu gęstości dyslokacji, przez co czynnik tworzenia się jej bardzo słabo wpływa na prędkość pełzania. Natomiast powstawanie nowych dyslokacji, czyli uruchomienie działania źródeł Franka-Reeda wymaga zbyt dużej energii aktywacji cieplnej. Dopiero zwiększenie się temperatury uwalnia dyslokację od skondensowanych atmosfer i powoduje uruchomienie się źródeł Franka-Reeda.

Ruch dyslokacji przez sieć może być zjawiskiem określającym prędkość pełzania. Związane jest to z występowaniem fluktuacji cieplnych w różnych obszarach mikroobjętości materiału. Wówczas dyslokacje mogą łatwiej pokonywać lokalne przeszkody – np. las dyslokacji, uskoki na dyslokacji, czy obce atomy rozłożone w osnowie.

Nawrót oraz poligonizacja określają zachowanie się materiału w drugim okresie pełzania wysokotemperaturowego. Podczas tych zjawisk występują anihilacja i nowe rozmieszczenie dyslokacji. Podczas pełzania metali i ich stopów zjawisko nawrotu może być wywołane głównie przez wspinanie się dyslokacji krawędziowych i przez poprzeczny poślizg dyslokacji śrubowych. Zjawisko nawrotu wywołane przez poślizg dyslokacji jest charakterystyczne dla pełzania niskotemperaturowego. W przypadku pełzania wysokotemperaturowego zjawisko nawrotu związane jest z anihilacją dyslokacji przy jednoczesnej poligonizacji.

Dyslokacje spiętrzone na przeszkodach podczas wspinania się opuszczają zablokowane płaszczyzny poślizgu, zmieniając rozkład struktury materiału oraz częściowo anihilując się. W ten sposób powstaje stan równowagi, co prowadzi do powstania pełzania ustalonego.

Trzeci okres pełzania oznacza się na krzywej wzrostem prędkości odkształcania, które prowadzi do uszkodzenia materiału. Zniszczenie przy pełzaniu zachodzi zwykle na granicach ziaren. Zwiększająca się prędkość pełzania powiązana jest z akumulowaniem się wakansów w kolonie, zmianami fazowymi, wzrostem naprężeń wywołanym przewężeniem próbki, a także początkiem rekrystalizacji oraz innymi czynnikami.

Próba pełzania metali

Próba pełzania metali polega na ogrzaniu próbki do określonej temperatury i obciążeniu jej stałą siłą rozciągającą. Podczas próby mierzone są wydłużenia próbki w czasie, a także czas rozerwania próbki. Na podstawie uzyskanych wyników zostaje sporządzony wykres w zależności wydłużenia próbki w czasie.

Próbę pełzania przeprowadza się w urządzeniach zwanych pełzarkami. Podczas badania wyznacza się czasową granicę pełzania i czasową granicę wytrzymałości na pełzanie. Czasowa granica pełzania określa granice pełzania, która powstaje po oddziaływaniu na próbkę obciążenia przez określony czas w stałej temperaturze, które spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wartość. Wytrzymałość na pełzanie jest stałym obciążeniem podzielonym przez przekrój początkowy próbki, który po upływie określonego czasu spowoduje rozerwanie próbki.

Granicę pełzania należy rozumieć jako wielkość naprężania stałego, które po upływie 1000 godzin pełzania w stałej temperaturze 800^oC odkształci próbkę trwale nie bardziej niż na 0,1%. W przypadku wytrzymałości na pełzanie naprężenie powodujące rozerwanie próbki oddziałuje na nią w czasie nie mniejszym niż 100 godzin w temperaturze 900^oC. Podczas próby rekomendowane jest używanie próbek o przekroju kołowym i średnicy nie mniejszej niż 4 mm.

Czas próby pełzania wynosi między kilkudziesięciu a kilkudziesięciu tysięcy godzin. Stale dedykowane budowie kotłów, turbin parowych i wykorzystywanych w energetyce poddawane są próbom trwającym 10 tys. - 30 tys. godzin. Próby stopów żarowytrzymałych stosowanych do budowy silników lotniczych i turbin gazowych trwają zwykle od 100 do 1000 godzin.