Влияние условий испытаний и структурных факторов на процесс деформации

К условиям испытания ползучести относится температура, нагрузка, время, степень деформирования, газовая среда[18].

Воздействие газовой среды при высоких температурах происходит через структуру керамического материала, т.к. проникновение газов из печного пространства в изделия сопровождается физико-химическими процессами, зависящими от состава газа, вида используемого материала и от температуры. В результате взаимодействия с газами огнеупорные керамические материалы теряют механическую прочность, термостойкость, а в некоторых случаях и огнеупорность. В работе [17] показано, что для образцов керамики, изготовленный изAl₂O₃, значительное отклонение от нестехоометрии маловероятно, т.к. алюминий обладает высоким сродством к электрону, а кислород обладает большой электроотрицательностью. Образцы из оксида алюминия показали практически одинаковое поведение при ползучести вне зависимости от газовой среды испытания при Т .

В других случаях воздействия газовой среды происходит через структуру материала, т.к. при изменения парциального давления кислорода проводит к изменению величины соотношения Ме: О в керамике, что может повлиять на её деформационную устойчивость. Исследования деформации при ползучести в большей части осуществляют в воздухе. Реже испытания проводят в других средах или в вакууме.

Из анализа работ приведенных Бакуновым, можно отметить, что исследования ползучести керамики проводили в основном при относительно низких напряжениях и высоких температурах.

Степень деформирования керамики зависит от химического и фазового состава материалов, размера исходных компонентов и структурной стабильности, технологических параметров изготовления и других факторов.

Выбор величины нагрузки зависит и от вида испытуемого материала. Так, для изучения ползучести стеклокристаллических корундов наименьшее из используемых напряжений составляло 2, 0 МПа, а наиболее высокое напряжение при испытании 6, 0 МПа[33]. Магнезиальные материалы, в отличие от алюмосиликатных, не содержит стеклофазы, что обуславливает возникновение в таких материалах большого количества прямых связей между зернами периклаза и хромита. Связующая часть содержит кристаллические силикаты с более высокой температурой плавления, чем температура размягчения стекол. Указанное обстоятельство обуславливает относительно слабую деформацию магнезиальных материалов и близкое к хрупкому их разрушению[43]. Напряжение для испытания указанных огнеупоров выбрано в интервале от 0, 05 до 1, 0 Мпа. При этом с увеличением температуры испытания с 1300 до 1600 нагрузка на образец изменяется от 1, 0 до 0, 05 Мпа соответственно. Кингери[47] утверждает, что если учитывать влияние пористости и размера кристаллов, разница в поведении керамических материалов при ползучести, возможно, не связана с различием их состава или строения кристаллической решетки, а обусловлена микроструктурой образца. Вместе с тем при повышенных температурах меньшую скорость деформации показывает материалы с преобладанием ковалентных связей, т.е. те вещества, скорость диффузии в которых мала даже при высоких температурах.

Испытание образцов керамических материалов на ползучесть чаще всего осуществляют при температурах близких к температуре начала их размягчения или при температурах ниже или выше температуры 4%-ой деформации образцов[21-24].

Имеются различные уравнения для описания процесса высокотемпературной ползучести: одни из них выведены путем подбора эмпирических формул, удовлетворяющих эксперименту, другие составлены на базе принятых гипотетических представлений о механизмах процесса ползучести с последующей проверкой этих уравнений опытными данными.

Скорость деформации έ керамических материалов при высоких температурах (выше 1000 ) в установившемся режиме ползучести можно представить обобщенным уравнением:

έ =f(T, σ, S)exp[-Q(T, σ, S)/RT], (1.11)

где Т – абсолютная температура; σ – напряжение; Q–энергия активации ползучести (определяется экспериментально), R–универсальная газовая постоянная, S–структурный фактор.

Такая форма записи уравнения показывает, что как предэкспоненциальный множитель, так и Q зависят в общем случае от величины температуры, напряжения и структурного фактора, показывающего роль структуры в процессе ползучести.

Керамические материалы обычно содержат в своем составе аморфные и кристаллические фазы. Ползучесть таких материалов в целом определяется соотношением и структурой кристаллических и аморфных фаз.

Ползучесть чисто аморфных тел (стекол) в период установившейся ползучести прямо пропорциональна приложенному напряжению σ и обратно пропорциональна динамической вязкости η _t:

έ =σ /η _t=σ η ₀^-1ехр[-Е_η /(RT)], (1.12)

гдеЕ_η – энергия активации вязкого течения.

Ползучесть чисто кристаллических тел зависит от наличия дефектов в кристаллической решетке.

Общая скорость деформации έ _общполикристаллических тел равна сумме

έ _общ έ _диф+έ _дисл Аσ d^-m+Bⁿ, (1.13)

гдеέ _диф– диффузионная ползучесть; έ _дисл – дислокационная ползучесть; А, В, n, m– коэффициенты; m=2 при объемной диффузии; m=3 при граничной; для многих керамических материалов показатель n=3÷ 5 при высоких напряжениях и понижается до n=1 при низких понижениях; d–длина диффузионных путей, примерно равная среднему размеру зерна.

В зависимости от значений показателей mи nразличают три вида зависимостей ползучести от напряжения и структуры: έ ~σ - пластическая ползучесть, έ ~σ ⁿ– дислокационная ползучесть и έ ~d^-m – диффузионная ползучесть.

При этом на низких уровнях напряжения деформация возникает вследствие потока вакансий, дающего диффузионную ползучесть. На высоких уровнях напряжения деформация обусловливается скольжением зерен, вызванных движением дислокаций в кристаллической решетке.

При испытании на ползучесть огнеупорных материалов трёхфазной структуры помимо диффузионных и дислокационных процессов, взаимного перемещения зерен и агрегатов могут в условиях ползучести протекать и такие процессы, как раскрытие трещин, деформация стеклофазы и рост трещиноподобных пор – эти процессы идут более интенсивно при растяжении, чем при сжатии. Поэтому обычно у огнеупорных материалов έ _раст< έ _сж, что служит подтверждением протекания процессов раскрытие трещин, деформирования стеклофазы, роста трещиноподобных пор и взаимного перемещения зерен и агрегатов, т.к. диффузионные и дислокационные процессы не зависят от знака напряжения.

Очень часто экспериментальные данные обрабатываются пополуэмпиричесому уравнению скорости деформации при ползучести

έ =S e^-Q/RTf(σ), (1.14) [39]

с предложением, что ползучесть есть термически активируемый процесс с энергией активации ползучести Q; f(σ) есть функция, показывающая зависимость скорости деформации от напряжения.

Наблюдаемая при высоких температурах испытаний энергия активации ползучести практически не чувствительна к напряжению и изменению структуры в процессе ползучести, поэтому влияние переменных факторов на мгновенную скорость деформации может быть разделено:

έ e^-Q/RT=S f(σ)=Z, (1.15)

гдеZ – параметр Зенера-Холломана[48], учитывающий температурную зависимость; последняя отделена от функциональной зависимости Sи σ. Для ползучести при заданных напряжении и температуре έ e^-Q/RT, т.е. Z меняется с деформацией по закону, характер которого определяется изменением структурного фактора.

При высоких температурах скорость ползучести предлагают определять по полуэмпирическим уравнениям:

έ =S’ e^-Q/RTe^{β σ} - для высоких

έ =S’’ e^-Q/RTσ n - для низких напряжений,

здесь έ – скорость деформации, Q–энергия активации, σ – напряжение, Т – температура, R–газовая постоянная, S’ и S’’ показывают роль структуры, β и n(обычно n=1) – постоянные величины для данного материала и условий опыта.

Влияние температуры, напряжения и структуры в полуэмпирическом уравнении для скорости ползучести выражается отдельными сомножителями в соотношении, отображающем степень их воздействия. Однако величина Sменяется не только в зависимости от деформации, но и от напряжения. Вероятно, при каждом новом значении напряжения развивается новая структура, но влияние её изменения незначительно и частично отражает специфически сложенную природу процесса.

Таким образом, в керамических материалах протекают более сложные процессы, чем в металлах.

Следует отметить и то, что в тугоплавких неметаллических соединениях концентрация дислокаций и вакансий ниже, чем у большинства металлов, а скорость деформации невелика. В то же время скорость ползучести огнеупоров не объясняется только дислокационными и диффузионными процессами на атомном уровне. Здесь работают и другие механизмы: проскальзывание зерен, течение аморфной фазы и др.

Используя уравнение Андраде, применяем его для описания кривых ползучести различных видов огнеупоров. Приведенные данные позволяют высказать предположение о том, что большие значения параметра р (0, 6-0, 8) характерны для образцов, структура которых подвергается заметным изменениям в результате ползучести, причем эти изменения могут быть связаны как с уплотнением, так и с разрыхлением образцов. В случае испытаний, при которых структура сохраняется стабильной (низкие температуры), параметр р=0, 30÷ 0, 35, т.е. приближается к классическим значениям уравнения Андраде для металлов.

Это предположение подтверждается результатами обработки кривых ползучести динасового материала, очень устойчивого к ползучести даже при напряжениях 5-10 Н/мм²[34].

Обсуждая особенности поведения керамики при ползучести (по сравнению с металлами), В.С.Бакунов выделяет три аспекта, вытекающие из анализа экспериментальных данных, опубликованных им в работах[18-24].

Во-первых, это особенности кинетики деформирования керамики под влиянием температуры и нагрузки (кривые ползучести). Во-вторых, протекание процесса ползучести на микроскопическом уровне и роль некоторых характеристик структуры в этом процессе. В-третьих, наличие механизмов деформации, определяемых во многом типом химической связи и строением элементарной ячейки, а также структурой материала.

На основе экспериментальных данных и гипотетических предпосылок сегодня предложены различные инженерные теории ползучести, основанные главным образом на теории пластического течения и малых упругопластических деформаций механически сплошных сред. В уравнениях, выведенных в этих теориях, есть эмпирические коэффициенты, которые можно получить, ставя специфические опыты. В настоящее время нельзя установить преимущество какой-либо теории ввиду недостаточности экспериментального материала; необходимы уточнения, которые могут быть сделаны только на основе изучения физической природы ползучести[44-46].

Необходимо отметить, что составление таких уравнений и их решение позволяет получить сведения о поведении конструкций. Задачей материаловедения, в свою очередь, является определение величин механических характеристик, в том числе и ползучести и изменения их в зависимости от внешних условий и структуры материала.

Так, в работе[47] для описания процесса деформирования огнеупорных материалов на основе тугоплавких оксидов металлов использован подход, основанный на модельных представлениях о микроскопической структуре подобных объектов. В модели взаимодействующих компонентов описана деформация пористых тел при сжатии. Получены зависимости пористости от осевой деформации, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными по уплотнению алюмосиликатных огнеупоров, деформированных в режиме высокотемпературной ползучести, вплоть до практически полного исчезновения открытой пористости.