ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

ПОЛЗУЧЕСТЬ (КРИП)

Ползучестью называют необратимую пластическую деформацию материала прн высокой температуре под воздействием напряжений,

Меньших предела прочности.

На рис. 11.10 изображена кри­вая деформации (текучести), сня­тая в изобарпо-изотермических ус­ловиях в зависимости от времени. На кривой наблюдаются три пе­риода: от єо до єі — неустановив­шаяся, или первая, ползучесть; в интервале (єі—є2)—период уста­новившейся, постоянной, скорости ползучести — вторая ползучесть; (є2—ер) — период кратковремен­ной, третьей, ползучести (разру­шение). Разделение на периоды условно, так как ползучесть явля­ется непрерывным процессом. Ус­тановившаяся ползучесть яв­ляется равновесным состоянием процесса. Для этого состояния ско­рость выражается уравнением:

8 = f (S) ап ехр (— E/RT), (11.31)

Где є — скорость ползучести, є = Д///т, мм/(мм-ч); Д/ — линейные изменения образца, мм, за время т, ч; I — начальная длина образ­ца, мм; f(S) — функция структуры, постоянный коэффициент; ап — функция нагрузки; а — нагрузка, кПа; п — коэффициент, завися-
тщий от условий испытания; ехр (—E/RT) — функция температуры и механизма ползучести; Е — кажущаяся энергия активации пол­зучести, Дж/кг; Т — температура, К; R — газовая постоянная, /«8,3 кДж/(кг-К).

Кажущаяся энергия активации ползучести определяется по формуле

E=(l9,lT1T2)lg(h2fe1)/(T2-T1), (11.32)

Где 81 и е2 — скорости ползучести при температурах соответственно Г, И Та.

Коэффициент п в формуле (11.31) зависит от условии испыта­ний, которые принято подразделять так по температуре: Т < 0,2 Тпл — низкие; Т « (0,2 - г - 0,7) Гпл — средние и Т 0,7 Гпл — высокие; и по напряжениям: а^Ю-4 Е — низкие 0« (10_3-ь - т - Ю-2) Е — средние и Ю-2 Е — высокие (Е — модуль упру­гости, кПа).

Для низких напряжений и высоких температур п = 1, в области средних температур и средних и высоких напряжений п> 1.

Огнеупорные материалы могут содержать одновременно аморф­ные и кристаллические конденсированные фазы. Ползучесть этих фаз весьма различна, и поэтому ползучесть огнеупоров определяется в большей мере соотношением между количеством аморфной и кри­сталлической фаз.

Ползучесть чисто аморфных тел — стекол — прямо пропорцио­нальна приложенному напряжению 0 и обратно пропорциональна коэффициенту вязкости г| = rexp{EnIRT):

Е = О/т, = 0^' ехр (- E^IRT), (И.33)

Где Е ц — энергия активации вязкого течения.

Из формулы следует, что с повышением температуры скорость течения быстро возрастает. Вязкость аморфных тел сравнительно низкая, и поэтому текучесть аморфных тел велика.

Ползучесть чисто кристаллических тел зависит от наличия де­фектов в кристаллической решетке. Если бы решетка реального кристалла не содержала дефектов, то при обычных условиях эксплуатации кристаллические тела практически не деформирова­лись бы. В ползучести кристаллов участвуют дефекты двух видов. Точечные дефекты —• вакансии — обусловливают диффузионно-пла­стическое течение кристалла. Линейные дефекты ■— дислокации — вызывают деформацию вследствие диффузионного перемещения дислокаций.

Вообще плотность дислокаций в тугоплавких неметаллических кристаллах значительно меньше, чем в металлах, и дислокационная ползучесть проявляется в условиях лишь высоких напряжений. На­пряжение, при котором зависимость є от а становится сильнее ли­нейной, носит название предела линейной ползучести 0П.

Практически ползучесть чистых поликристаллических тел опре­деляется наложением этих двух механизмов:

® ~ ®днф + ёдисл « Aadrm + Во4'5 , (11.34)

Где А и В — коэффициенты; т=2 при объемной диффузии и ш=3 РИ граничной диффузии; d — длина диффузионных путей, пример - ° Равная среднему размеру зериа,

Из уравнения (11.34) следует, что доля дислокационной со­ставляющей ползучести сильнее возрастает с повышением напряже­ния, чем диффузионная ползучесть. Вклад диффузионной ползучести уменьшается с увеличением размера зерен.

Таким образом, отмечаются три вида зависимости ползучести от напряжения и структуры: є ~ а — пластическая текучесть; 8~сГц — дислокационная текучесть; є— диффузионная те- кучесть.

Значительно сложнее обстоит дело с огнеупорными материала' ми. Скорость текучести огнеупоров описывается общим уравнение] при п> 1, т. е.:

8 = Аа" exp (-E/RT). (II. 35]

Однако тождественность эмпирических уравнений еще не сви­детельствует об адекватности механизмов ползучести. Большие ско­рости ползучести огнеупоров не объясняются диффузионными про­цессами на атомном уровне.

По Вишневскому, ползучесть огнеупоров осуществляется меха-1 низмом макроскопического перемещения зерен и агрегатов другі относительно друга. Пластическая деформация огиеупора обуслов-1 леиа главным образом вязким течением межкристаллического ве-| щества.

В этом случае скорость ползучести определяется кажущейся вязкостью аморфно-кристаллической структуры г)*:

8 = <Т/Т)* = <Т/Т) (co/rf)2, (II. 36^

Где ті ■— вязкость собственно стеклофазы по уравнению (11.33); w — толщина прослойки аморфной фазы вокруг зерна d.

Таким образом, кажущаяся вязкость аморфно-кристаллической структуры т|* в (dfоі)2 раз больше, чем вязкость прослойки г, что при достаточно больших размерах зерен дает г|*/г) « (104-Ь 10е) раз.

Межкристаллитное скольжение со временем приводит к созда иию деформационноустойчивого каркаса благодаря заклиниванию зерен или значительной рекристаллизации. На такой стадии ползу­чести проскальзывание будет затруднено и дальнейшая ползучесть будет идти в режиме пластично-вязкого течения, граничной или объемной диффузии.

Влияние основных факторов на ползучесть

Зависимость от напряжения. В области низких напряжений а ^10 МПа скорость ползучести поликристаллических образцов, как правило, прямо пропорциональна напряжению, что соответст­вует диффузиоино-вязкому течению. Когда n> 1, например п«(3—5) то сг>сгп, что соответствует дислокационной ползучести. При дисло­кационной ползучести даже незначительное увеличение напряжения влечет за собой резкий рост скорости ползучести. Поэтому следует эксплуатировать изделия в режиме линейной ползучести, когдг ОГ<0п.

Влияние размера зерен. При я ~ а и в ~ d~!. Это значит, чтс при увеличении размера зепна в 3 раза скорость ползучести умень­шается приблизительно в 10 раз. Следовательно, процессы рекри-
ггаллизации способствуют повышению сопротивляемости ползу­чести.

Керамика из MgO с меньшим размером кристаллов характери­зуется при одинаковых условиях большей скоростью ползучести и меньшей длительной прочностью.

Влияние пористости. Скорость деформирования поликристалли­ческих материалов при прочих равных условиях возрастает с уве­личением пористости. Очевидная

Причина этого обстоятельства за - 40---------------

Ключается прежде всего в по­вышении действительного напря­жения на беспористое сечеиие об­разца.

Рис. II. П. Влияние размера пор образ­цов на величину пористости, при кото­рой происходит их разрушение вслед­ствие ползучести при 1400° С и одина­ковой эффективной нагрузки (т. е. на­грузки на беспористое сечение) 600 кПа. Образцы МХС обожжены при 1750° С

Существенно, что при увеличении среднего размера пор раз­рушение образца происходит при все более низкой пористости. Причиной разрушения является образование «нарушенной структу­ры» — слоя трещин и слоя пор (рис. 11.11).

Поскольку микротрещиноватаи структура обусловливает повы­шение ползучести изделий и одновременно увеличение их термо­стойкости, то высокие значения крипоустойчивости и термостойко­сти не совместимы в одном изделии.

Влияние примесей. Самая низкая скорость ползучести присуща наиболее чистым образцам. Очевидно, это связано с увеличением скорости диффузионных процессов при образовании твердых раст­воров с примесями. Катастрофически возрастает ползучесть (при­мерно в 104 раза) при введении в корунд нескольких процентов си­ликатов.

Ползучесть массовых огнеупоров. Ползучесть алюмосиликатных огнеупоров подчиняется уравнению (11.35). Механизм деформации заключается во взаимном смещении зерен и их агрегатов под влия­нием напряжения в результате снижения вязкости межкристаллит - 11011 прослойки. Наименьшей ползучестью обладает динас.

Ползучесть в некоторых случаях является определяющим ус­ловием выбора соответствующего огнеупора. Например, при выборе огнеупорных изделий для воздухонагревателей (купол и насадка) Руководствуются прежде всего величиной ползучести, определенной в течение 50 ч и более, поскольку в воздухонагревателях наблюда­ются остаточные изменения при длительной службе в условиях вы­соких нагрузок и температур:

Высокоглинозе- мнстый огнеупор

Содержание, %:

12,2

81,8

Продолжен

Температура, °С, деформации под на­грузкой 0,2 МПа:

Начало деформации

2%-ное сжатие Ползучесть, % . .

1650 1710

0,8

(1600°С; (1500°С;

0,ЗМПа; 50ч) 0,2 МПа; 50 ч

Ползучесть алюмосшшкатных огнеупоров в восстановительно среде больше, чем в окислительной. Повышение давления газово среды также увеличивает ползучесть.

Наиболее низкой скоростью деформации при высоких темпера турах обладают магнезитовые изделия с высоким содержанием ок сида магния, и форстеритовые. В области средних температур само высокое сопротивление ползучести оказывают периклазошпинелид ные огнеупоры.

Уменьшению скорости ползучести магнезиальных огнеупоро способствуют: рост температуры обжига, образование прямой связ кристаллов, повышение чистоты материала (особенно снижение со держания силикатов) и т. п.