ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЯЗКОСТИ СТАЛЕЙ ТИПА 06Г2Б С УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНО/МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 8
1.1 Химический состав, структура и механические свойства
современных строительных сталей 8
1.2 Виды разрушения металлов 12
1.3 Особенности вязкого разрушения 20
1.4 Вязкость разрушения и методы ее оценки 34
1.5 Постановка цели и задач исследования 44
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1 Материал исследования 46
2.2 Методики структурных исследований 46
2.3 Испытания механических свойств 47
3 ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 52
3.1 Изменение геометрических размеров образцов 52
3.2 Область пластической деформации магистральной трещины 57
3.3 Микротвердость приповерхностных областей изломов 61
3.4 Выводы по главе 3 80
4 ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 82
4.1 Инструментальная оценка ударной вязкости 82
4.2 Энергоемкость разрушения в отдельных зонах излома 98
4.3 Выводы по главе 4 103
5 СТРУКТУРНО - ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 105
5.1 Структура и дисперсные частицы 105
5.2 Механизм образования расщеплений 109
5.3 Расщепления - слоистые трещины в толстолистовом прокате.... 135
5.4 Выводы по главе 5 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 8
1.1 Химический состав, структура и механические свойства
современных строительных сталей 8
1.2 Виды разрушения металлов 12
1.3 Особенности вязкого разрушения 20
1.4 Вязкость разрушения и методы ее оценки 34
1.5 Постановка цели и задач исследования 44
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1 Материал исследования 46
2.2 Методики структурных исследований 46
2.3 Испытания механических свойств 47
3 ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 52
3.1 Изменение геометрических размеров образцов 52
3.2 Область пластической деформации магистральной трещины 57
3.3 Микротвердость приповерхностных областей изломов 61
3.4 Выводы по главе 3 80
4 ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 82
4.1 Инструментальная оценка ударной вязкости 82
4.2 Энергоемкость разрушения в отдельных зонах излома 98
4.3 Выводы по главе 4 103
5 СТРУКТУРНО - ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЯЗКОСТИ 105
5.1 Структура и дисперсные частицы 105
5.2 Механизм образования расщеплений 109
5.3 Расщепления - слоистые трещины в толстолистовом прокате.... 135
5.4 Выводы по главе 5 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149
Актуальность темы исследования
В настоящее время хорошо известны и сравнительно легко достижимы факторы повышения прочностных свойств сплавов. Однако большинство из них приводит к уменьшению вязкопластических характеристик. Хотя в общем плане пути повышения вязкопластических характеристик известны: диспергирование структуры, повышение чистоты по вредным примесям и др. В конце прошлого столетия был достигнут существенный прогресс в этом направлении, состоящий в разработке и использовании в значительных объемах толстолистового проката из сверхнизкоуглеродистых гетерофазных сталей класса прочности К65 (Х80) и выше, получаемого по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Стали обладают уникальным комплексом механических свойств: сочетанием повышенной прочности (ов ~ 730 МПа, о, ~ 600 МПа), пластичности (5 >22%) и высокой вязкости (КСУ-40> 250 Дж/см2). Ключевым моментом использования высоковязких сталей в сварных строительных конструкциях (газопроводах высокого давления, высотных зданиях, судостроительстве и пр.) является их надежность, которая во многом определяется трещиностойкостью материала.
Другая задача: отыскание научно обоснованных критериев и способов оценки трещиностойкости при натурных и лабораторных испытаниях высоковязких сталей. Так как большинство разработанных ранее подходов касались вопросов оценки вязкохрупкого перехода. Например, в образцах Шарпи наиболее вязкие стали К65(Х80) не разрушались вплоть до -60 °С, испытывая лишь пластический изгиб.
Все это позволило сформулировать технически достижимое требование - полностью исключить к конструкциях хрупкое разрушение. В тоже время в большинстве работ рассматривается поведение сталей вблизи вязкохрупкого перехода, а параметры разрушения высоковязких материалов изучены сравнительно слабо. Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленной в работе цели.
Степень разработанности темы исследования
Подавляющее большинство работ [1-5] по изучению вязкости посвящено критериям вязкохрупкого перехода и оценке температуры и условий начала хрупкого разрушения. Высоковязкие стали разработанные в последнее десятилетия, обладают столь высокой вязкостью, что у них вязкохрупкий переход находится в районе крайне низких температур (<80 ОС).
Вопросы оценки резерва вязкости подобных высоковязких сталей не разработаны, и имеются значительные затруднения определения уровня трещиностойкости (вязкости) сталей, у которых уровень ударной вязкости в интервале Тисп от 20 до -20 ОС составляет >350 Дж/см2.
Цель работы
На основе структурных, энергетических и фрактографических исследований, разрушенных динамическим изгибом образцов гетерофазных сталей типа 06Г2Б с ультрамелкой структурой, установить основные факторы, ответственные за их высокую вязкость, и разработать рекомендации по ее оценке.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. На основе совместного анализа диаграмм нагружения и фрактографических данных образцов Шарпи сталей типа 06Г2Б оценить энергоемкость стадий зарождения и распространения трещины, отдельных областей (зон) на поверхности изломов и их вклад в вязкость.
2. Выявить структурные и фрактографические параметры, ответственные за высоковязкое состояние.
3. Изучить природу особых очаговых трещин - расщеплений на основе детального исследования процессов их зарождения и роста, их вклад в вязкость сталей.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
- впервые с привлечением фрактографического анализа выявлена связь отдельных участков диаграмм ударного разрушения с зонами на поверхности излома образцов Шарпи сталей типа 06Г2Б;
- показано, что в слоевой структуре горячекатаного листа ферритные зерна имеют малоугловые границы (9...110), то есть внутри слоев формируется полигонизированная структура, обладающая высокой конструктивной прочностью;
- установлено, что при всех температурах испытаний наибольший вклад
(до 60 %) в энергоемкость разрушения исследованных сталей вносит зона
однородного вязкого излома;
- изучен механизм возникновения в образцах, вырезанных из толстолистового проката, особых очаговых трещин - расщеплений; включающий образование пор и тонких трещин, их многократное объединение, приводящее к возникновению зародышей расщеплений сборно-ступенчатой морфологии, а также их последующий рост по границам слоев;
- выявлены структурные параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Практическая значимость работы:
- предложен способ оценки вязкости для металлических материалов при испытаниях на ударный изгиб с записью диаграмм разрушения (патент № 2570237). Предлагаемый способ можно использовать его для аттестации вязкости любых металлических материалов при наличии возможности инструментальной записи кривой разрушения;
- сформулированы практические рекомендации по фрактографическим методам оценки трещиностойкости;
- результаты работы использованы при разработке учебных пособий по инструментальным испытаниям на ударный изгиб и измерение микротвердости металлических материалов для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов»;
- результаты исследования используются в курсе лекции по дисциплине «Прочность сплавов» на кафедре Термообработки и физики металлов Института Материаловедения и металлургии.
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой исследования послужили труды ведущих и зарубежных ученых в области изучения высоковязких сталей, зарубежные и государственные стандарты РФ, а также положения теории вязкохрупкого перехода, теории разрушения сталей и сплавов.
Для достижения поставленной цели и задач в диссертационной работе были использованы методы: инструментальные испытания на ударную вязкость и микротвердость, металлография, световой и электронный фрактографический анализ, анализ текстуры методом БВЗИ, просвечивающая электронная микроскопия.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
- инструментальная оценка ударной вязкости;
- вклад в энергоемкость разрушения отдельных зон на поверхности изломов образцов Шарпи;
- исследование областей пластической деформации, формирующихся при разрушении образца Шарпи;
- структурные и фрактографические параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Степень достоверности результатов диссертации определяется применением комплекса современной экспериментальной техники и измерительных приборов, комплекса современных методов исследования, а также воспроизводимостью и непротиворечивостью результатов полученными различными методами.
Личный вклад соискателя заключается в постановке цели и задач, обработке и анализа результатов, формулировании выводов, написании сталей и тезисов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XVIII международной научно-технической конференции «Трубы» (г. Челябинск, 2010); Х1-ХУ! международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2010-2015); научно-практической конференции «Актуальные вопросы конструкционный прочности и износостойкости деталей машин» (г. Нижний Тагил, 2014); XXII уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Оренбург, 2014); III международной уральской научно-практической конференции «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования техническое диагностирование и экспертиза промышленной безопасности» (г. Челябинск, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 5 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент РФ на изобретение.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Фарберу Владимиру Михайловичу за помощь и руководство на всех этапах выполнения диссертации, а также д.т.н. профессору Попову Артемию Александровичу и коллективу кафедры «Термообработки и физики металлов» за помощь в проведении экспериментов.
В настоящее время хорошо известны и сравнительно легко достижимы факторы повышения прочностных свойств сплавов. Однако большинство из них приводит к уменьшению вязкопластических характеристик. Хотя в общем плане пути повышения вязкопластических характеристик известны: диспергирование структуры, повышение чистоты по вредным примесям и др. В конце прошлого столетия был достигнут существенный прогресс в этом направлении, состоящий в разработке и использовании в значительных объемах толстолистового проката из сверхнизкоуглеродистых гетерофазных сталей класса прочности К65 (Х80) и выше, получаемого по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Стали обладают уникальным комплексом механических свойств: сочетанием повышенной прочности (ов ~ 730 МПа, о, ~ 600 МПа), пластичности (5 >22%) и высокой вязкости (КСУ-40> 250 Дж/см2). Ключевым моментом использования высоковязких сталей в сварных строительных конструкциях (газопроводах высокого давления, высотных зданиях, судостроительстве и пр.) является их надежность, которая во многом определяется трещиностойкостью материала.
Другая задача: отыскание научно обоснованных критериев и способов оценки трещиностойкости при натурных и лабораторных испытаниях высоковязких сталей. Так как большинство разработанных ранее подходов касались вопросов оценки вязкохрупкого перехода. Например, в образцах Шарпи наиболее вязкие стали К65(Х80) не разрушались вплоть до -60 °С, испытывая лишь пластический изгиб.
Все это позволило сформулировать технически достижимое требование - полностью исключить к конструкциях хрупкое разрушение. В тоже время в большинстве работ рассматривается поведение сталей вблизи вязкохрупкого перехода, а параметры разрушения высоковязких материалов изучены сравнительно слабо. Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленной в работе цели.
Степень разработанности темы исследования
Подавляющее большинство работ [1-5] по изучению вязкости посвящено критериям вязкохрупкого перехода и оценке температуры и условий начала хрупкого разрушения. Высоковязкие стали разработанные в последнее десятилетия, обладают столь высокой вязкостью, что у них вязкохрупкий переход находится в районе крайне низких температур (<80 ОС).
Вопросы оценки резерва вязкости подобных высоковязких сталей не разработаны, и имеются значительные затруднения определения уровня трещиностойкости (вязкости) сталей, у которых уровень ударной вязкости в интервале Тисп от 20 до -20 ОС составляет >350 Дж/см2.
Цель работы
На основе структурных, энергетических и фрактографических исследований, разрушенных динамическим изгибом образцов гетерофазных сталей типа 06Г2Б с ультрамелкой структурой, установить основные факторы, ответственные за их высокую вязкость, и разработать рекомендации по ее оценке.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. На основе совместного анализа диаграмм нагружения и фрактографических данных образцов Шарпи сталей типа 06Г2Б оценить энергоемкость стадий зарождения и распространения трещины, отдельных областей (зон) на поверхности изломов и их вклад в вязкость.
2. Выявить структурные и фрактографические параметры, ответственные за высоковязкое состояние.
3. Изучить природу особых очаговых трещин - расщеплений на основе детального исследования процессов их зарождения и роста, их вклад в вязкость сталей.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
- впервые с привлечением фрактографического анализа выявлена связь отдельных участков диаграмм ударного разрушения с зонами на поверхности излома образцов Шарпи сталей типа 06Г2Б;
- показано, что в слоевой структуре горячекатаного листа ферритные зерна имеют малоугловые границы (9...110), то есть внутри слоев формируется полигонизированная структура, обладающая высокой конструктивной прочностью;
- установлено, что при всех температурах испытаний наибольший вклад
(до 60 %) в энергоемкость разрушения исследованных сталей вносит зона
однородного вязкого излома;
- изучен механизм возникновения в образцах, вырезанных из толстолистового проката, особых очаговых трещин - расщеплений; включающий образование пор и тонких трещин, их многократное объединение, приводящее к возникновению зародышей расщеплений сборно-ступенчатой морфологии, а также их последующий рост по границам слоев;
- выявлены структурные параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Практическая значимость работы:
- предложен способ оценки вязкости для металлических материалов при испытаниях на ударный изгиб с записью диаграмм разрушения (патент № 2570237). Предлагаемый способ можно использовать его для аттестации вязкости любых металлических материалов при наличии возможности инструментальной записи кривой разрушения;
- сформулированы практические рекомендации по фрактографическим методам оценки трещиностойкости;
- результаты работы использованы при разработке учебных пособий по инструментальным испытаниям на ударный изгиб и измерение микротвердости металлических материалов для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов»;
- результаты исследования используются в курсе лекции по дисциплине «Прочность сплавов» на кафедре Термообработки и физики металлов Института Материаловедения и металлургии.
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой исследования послужили труды ведущих и зарубежных ученых в области изучения высоковязких сталей, зарубежные и государственные стандарты РФ, а также положения теории вязкохрупкого перехода, теории разрушения сталей и сплавов.
Для достижения поставленной цели и задач в диссертационной работе были использованы методы: инструментальные испытания на ударную вязкость и микротвердость, металлография, световой и электронный фрактографический анализ, анализ текстуры методом БВЗИ, просвечивающая электронная микроскопия.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
- инструментальная оценка ударной вязкости;
- вклад в энергоемкость разрушения отдельных зон на поверхности изломов образцов Шарпи;
- исследование областей пластической деформации, формирующихся при разрушении образца Шарпи;
- структурные и фрактографические параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Степень достоверности результатов диссертации определяется применением комплекса современной экспериментальной техники и измерительных приборов, комплекса современных методов исследования, а также воспроизводимостью и непротиворечивостью результатов полученными различными методами.
Личный вклад соискателя заключается в постановке цели и задач, обработке и анализа результатов, формулировании выводов, написании сталей и тезисов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XVIII международной научно-технической конференции «Трубы» (г. Челябинск, 2010); Х1-ХУ! международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2010-2015); научно-практической конференции «Актуальные вопросы конструкционный прочности и износостойкости деталей машин» (г. Нижний Тагил, 2014); XXII уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Оренбург, 2014); III международной уральской научно-практической конференции «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования техническое диагностирование и экспертиза промышленной безопасности» (г. Челябинск, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 5 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент РФ на изобретение.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Фарберу Владимиру Михайловичу за помощь и руководство на всех этапах выполнения диссертации, а также д.т.н. профессору Попову Артемию Александровичу и коллективу кафедры «Термообработки и физики металлов» за помощь в проведении экспериментов.
Анализ параметров вязкости сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной феррито-бейнитно/мартенситной структурой позволяет заключить, что высоковязкое состояние (КСУ-40 ~ 350 Дж/см2) характеризуется:
- большими уровнями усилия страгивания магистральной трещины (Б ~ 22 кН) и энергоемкости ее распространения (-360 Дж);
- повышенной пластичностью, при том, что значительная часть огромной пластичности (мобильности дислокаций), обусловленной высокодисперсной полигональной структурой феррита, «отнята» на упрочнение (твердорастворное, дислокационное, дисперсионное); повышенная пластичность обуславливает экстремальные значения макродеформации (крайне большой при зарождении и, особенно, распространении магистральной трещины изгиб 8, оставляющий недоломанными образцы Шарпи, степень деформации в утяжке достигает 60 %, в губах среза - 50 %) и микродеформации - 56 %, судя по микротвердости в области, окружающей магистральную трещину площадью до -55 мм2;
- разрушением на верхнем плате сериальной кривой ударной вязкости, происходящим с формированием внутри излома однородной вязкой зоны 1< с максимальной удельной энергоемкостью -700 Дж/см2.
Взаимосвязь указанных основных характеристик высоковязкого состояния сталей обусловлена их общей первопричиной - мобильностью дислокаций, которая для сочетания повышенной прочности и необходимой пластичности должна находиться на оптимальном уровне.
Выход из высоковязкого состояния (ниспадающий участок сериальной кривой ударной вязкости) связан с образованием и увеличением размера зоны волокнистого вязкого разрушения Ьв, снижением ее удельной энергоемкости (КУВс/ЬС), уменьшением величины зоны 1.С и всех параметров макро- и микродеформации образцов Шарпи. Поскольку внутри волокон в изломе зоны Ьв, как и в зоне ЬС, формируется вязкий чашечный излом, то сравнительно низкая удельная энергоемкость разрушения в зоне Бв (~100 Дж/см2) объясняется наличием хрупкой компоненты разрушения по поверхности волокон.
Анализ энергосиловых, структурно-фрактографических параметров разрушения позволил заключить, что возникновение в зоне Бв особых очаговых трещин - расщеплений, иногда прорастающих в зону !<• и даже надрез, не может существенно влиять на энергоемкость разрушения образцов Шарпи, вырезанных из толстолистового проката. Однако массовое образование расщеплений в районе климатических температур нежелательно, так как может ослабить несущую способность конструкций.
Таким образом, по работе можно сделать следующие выводы.
1. Установлено, что объективным и легкодоступным методами оценки трещиностойкости высоковязких сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной гетерофазной структурой являются исследования ударного изгиба с осциллографической записью диаграмм нагружения и фрактографический анализ разрушенных образцов. Найдена закономерная связь между отдельными участками диаграмм нагружения с зонами на поверхности изломов. Анализ различных параметров кривых нагружения показал, что наилучшая корреляция (Я2=0,93) с общим уровнем КСУ образцов наблюдается для параметра КВ (Дж/мм), включающего в себя произведение суммы усилий на начальной и конечной стадиях линейного резкого снижения нагрузки на протяженность этого участка на диаграмме разрушения. Данный способ определения вязкости (КСУ) сталей по параметру КВ защищен патентом РФ.
2. Обосновано, что высокому уровню КСУ исследованных сталей способствует формирование в результате безрекристаллизационной контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением ультрадисперсной структуры (средний размер зерен 3...9 мкм), в которой, как показал БВЗБ анализ, ~90 % ферритных кристаллов являются, по существу, субзерна с малоугловыми границами (О ~ 2.7°). Образование такой полигональной структуры обеспечивает возникновение в изломе образцов Шарпи уникальной однородной вязкой зоны БС.
3. В зоне Ьс пластическая деформация получает наибольшее развитие, что следует из максимального уровня микротвердости ее приповерхностных областей (340 НУ) по сравнению с таковыми у зоны вязкого волокнистого разрушения Ьв (300 НУ). Из совместного анализа энергетических и фрактографических данных найдено, что зона Ьс, имеющая максимально большую удельную энергоемкость (~700 Дж/см2), вносит наибольший вклад (до 60 %) в энергоемкость разрушения образцов Шарпи изученных сталей, тогда как доля зоны Ьв с удельной энергоемкостью ~100 Дж/см2 составляет 8...10°/о, протяженность зоны Ьс контролирует общий уровень вязкости образцов.
4. Найдено, что по границам пластического шарнира в вязкой области долома ЬД образцов Шарпи возникают две очаговые трещины сдвига, распространяющиеся навстречу магистральной трещине отрыва, но не объединяющиеся с нею. Согласно диаграмме нагружения, работа, затрачиваемая магистральной трещиной при прохождении зоны ЬД, сравнительно невелика. Это, очевидно, связано с тем, что область, где после разрушения образца возникает зона ЬД, вносит значительный вклад в энергоемкость разрушения при макропластической деформации до страгивания магистральной трещины и прохождению ею предшествующих зон.
5. Прослежена последовательность процессов, приводящих к образованию в образцах Шарпи особых очаговых трещин - расщеплений (РЩ): возникновение пор на частицах Т1(НЬ)С,И, которые тяготеют к большеугловым границам (0>50°), унаследованным от безрекристаллизационной высокотемпературной пластической деформации; их объединение тонкими трещинами, что приводит к формированию исключительно в зоне Ьв зародышей расщеплений, принимающих сборноступенчатую форму, чему способствует, как показал анализ карт БВЗЭ, сильная ориентация {001}<110> окружающих слоев; два-три РЩ при пластическом сдвиге их берегов прорастают через всю зону Ьв, а иногда и в надрез.
Анализ эволюции РЩ и их стенок показал, что большинство РЩ являются межслоевыми хрупкими трещинами, хотя на всех этапах их образования обнаруживается существенный вклад пластического течения.
6. Показано, что РЩ в зависимости от стадии их эволюции могут вносить различный вклад в уровень вязкости образцов. Наиболее крупные РЩ, проходящие через всю зону Ьв и окруженные областями релаксации (по площади более чем в 2,5 раза большей, чем само РЩ), вносят слабый положительный вклад в общую вязкость сталей. Наиболее мелкие РЩ длиной менее 0,6 мм, не имеющие областей релаксации, очевидно, оказывают слабо отрицательный вклад в КСУ.
7. Анализ параметров вязкости сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной феррито-бейнитно/мартенситной структурой позволяет заключить, что высоковязкое состояние (КСУ-40 ~ 350 Дж/см2) достигается благодаря:
- большому уровню усилия страгивания магистральной трещины (Б ~ 22 кН) и энергоемкости ее распространения (-360 Дж);
- повышенной пластичности, при том, что значительная часть огромной пластичности (мобильности дислокаций), обусловленной высокодисперсной полигональной структурой феррита, «отнята» на упрочнение (твердорастворное, дислокационное, дисперсионное);
- разрушению на верхнем плате сериальной кривой ударной вязкости, происходящему с формированием внутри излома однородной вязкой зоны БС с максимальной удельной энергоемкостью -700 Дж/см2.
Выход из высоковязкого состояния (ниспадающий участок сериальной кривой ударной вязкости) связан с образованием и увеличением размера зоны волокнистого вязкого разрушения Бв и, соответственно, уменьшением величины зоны БС и всех параметров макро- и микродеформации образцов Шарпи.
В качестве перспектив дальнейшей разработки данной тематики можно сформулировать следующие направления:
- изучение закономерностей разрушения, установленных при исследовании образцов Шарпи, на разрушение полномасштабных изделий (толстого листа) при натурных (полигонных) испытаний;
- исследование закономерностей разрушения образцов тех же сталей после различных режимов термообработки, снимающих полосовую структуру, унаследованную металлом от горячей прокатки с ускоренным охлаждением;
- широкое использование в практике исследовательских центров и заводских лабораторий копров с инструментальной записью диаграмм нагружения с их подробным анализом, как это сделано в настоящей диссертации;
- увеличение масштаба применения фрактографического анализа методами световой и растровой электронной микроскопии, а также глубоких статистических оценок размер зерен, количества структурных составляющих и их локальных ориентировок, элементов структуры изломов.
- большими уровнями усилия страгивания магистральной трещины (Б ~ 22 кН) и энергоемкости ее распространения (-360 Дж);
- повышенной пластичностью, при том, что значительная часть огромной пластичности (мобильности дислокаций), обусловленной высокодисперсной полигональной структурой феррита, «отнята» на упрочнение (твердорастворное, дислокационное, дисперсионное); повышенная пластичность обуславливает экстремальные значения макродеформации (крайне большой при зарождении и, особенно, распространении магистральной трещины изгиб 8, оставляющий недоломанными образцы Шарпи, степень деформации в утяжке достигает 60 %, в губах среза - 50 %) и микродеформации - 56 %, судя по микротвердости в области, окружающей магистральную трещину площадью до -55 мм2;
- разрушением на верхнем плате сериальной кривой ударной вязкости, происходящим с формированием внутри излома однородной вязкой зоны 1< с максимальной удельной энергоемкостью -700 Дж/см2.
Взаимосвязь указанных основных характеристик высоковязкого состояния сталей обусловлена их общей первопричиной - мобильностью дислокаций, которая для сочетания повышенной прочности и необходимой пластичности должна находиться на оптимальном уровне.
Выход из высоковязкого состояния (ниспадающий участок сериальной кривой ударной вязкости) связан с образованием и увеличением размера зоны волокнистого вязкого разрушения Ьв, снижением ее удельной энергоемкости (КУВс/ЬС), уменьшением величины зоны 1.С и всех параметров макро- и микродеформации образцов Шарпи. Поскольку внутри волокон в изломе зоны Ьв, как и в зоне ЬС, формируется вязкий чашечный излом, то сравнительно низкая удельная энергоемкость разрушения в зоне Бв (~100 Дж/см2) объясняется наличием хрупкой компоненты разрушения по поверхности волокон.
Анализ энергосиловых, структурно-фрактографических параметров разрушения позволил заключить, что возникновение в зоне Бв особых очаговых трещин - расщеплений, иногда прорастающих в зону !<• и даже надрез, не может существенно влиять на энергоемкость разрушения образцов Шарпи, вырезанных из толстолистового проката. Однако массовое образование расщеплений в районе климатических температур нежелательно, так как может ослабить несущую способность конструкций.
Таким образом, по работе можно сделать следующие выводы.
1. Установлено, что объективным и легкодоступным методами оценки трещиностойкости высоковязких сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной гетерофазной структурой являются исследования ударного изгиба с осциллографической записью диаграмм нагружения и фрактографический анализ разрушенных образцов. Найдена закономерная связь между отдельными участками диаграмм нагружения с зонами на поверхности изломов. Анализ различных параметров кривых нагружения показал, что наилучшая корреляция (Я2=0,93) с общим уровнем КСУ образцов наблюдается для параметра КВ (Дж/мм), включающего в себя произведение суммы усилий на начальной и конечной стадиях линейного резкого снижения нагрузки на протяженность этого участка на диаграмме разрушения. Данный способ определения вязкости (КСУ) сталей по параметру КВ защищен патентом РФ.
2. Обосновано, что высокому уровню КСУ исследованных сталей способствует формирование в результате безрекристаллизационной контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением ультрадисперсной структуры (средний размер зерен 3...9 мкм), в которой, как показал БВЗБ анализ, ~90 % ферритных кристаллов являются, по существу, субзерна с малоугловыми границами (О ~ 2.7°). Образование такой полигональной структуры обеспечивает возникновение в изломе образцов Шарпи уникальной однородной вязкой зоны БС.
3. В зоне Ьс пластическая деформация получает наибольшее развитие, что следует из максимального уровня микротвердости ее приповерхностных областей (340 НУ) по сравнению с таковыми у зоны вязкого волокнистого разрушения Ьв (300 НУ). Из совместного анализа энергетических и фрактографических данных найдено, что зона Ьс, имеющая максимально большую удельную энергоемкость (~700 Дж/см2), вносит наибольший вклад (до 60 %) в энергоемкость разрушения образцов Шарпи изученных сталей, тогда как доля зоны Ьв с удельной энергоемкостью ~100 Дж/см2 составляет 8...10°/о, протяженность зоны Ьс контролирует общий уровень вязкости образцов.
4. Найдено, что по границам пластического шарнира в вязкой области долома ЬД образцов Шарпи возникают две очаговые трещины сдвига, распространяющиеся навстречу магистральной трещине отрыва, но не объединяющиеся с нею. Согласно диаграмме нагружения, работа, затрачиваемая магистральной трещиной при прохождении зоны ЬД, сравнительно невелика. Это, очевидно, связано с тем, что область, где после разрушения образца возникает зона ЬД, вносит значительный вклад в энергоемкость разрушения при макропластической деформации до страгивания магистральной трещины и прохождению ею предшествующих зон.
5. Прослежена последовательность процессов, приводящих к образованию в образцах Шарпи особых очаговых трещин - расщеплений (РЩ): возникновение пор на частицах Т1(НЬ)С,И, которые тяготеют к большеугловым границам (0>50°), унаследованным от безрекристаллизационной высокотемпературной пластической деформации; их объединение тонкими трещинами, что приводит к формированию исключительно в зоне Ьв зародышей расщеплений, принимающих сборноступенчатую форму, чему способствует, как показал анализ карт БВЗЭ, сильная ориентация {001}<110> окружающих слоев; два-три РЩ при пластическом сдвиге их берегов прорастают через всю зону Ьв, а иногда и в надрез.
Анализ эволюции РЩ и их стенок показал, что большинство РЩ являются межслоевыми хрупкими трещинами, хотя на всех этапах их образования обнаруживается существенный вклад пластического течения.
6. Показано, что РЩ в зависимости от стадии их эволюции могут вносить различный вклад в уровень вязкости образцов. Наиболее крупные РЩ, проходящие через всю зону Ьв и окруженные областями релаксации (по площади более чем в 2,5 раза большей, чем само РЩ), вносят слабый положительный вклад в общую вязкость сталей. Наиболее мелкие РЩ длиной менее 0,6 мм, не имеющие областей релаксации, очевидно, оказывают слабо отрицательный вклад в КСУ.
7. Анализ параметров вязкости сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной феррито-бейнитно/мартенситной структурой позволяет заключить, что высоковязкое состояние (КСУ-40 ~ 350 Дж/см2) достигается благодаря:
- большому уровню усилия страгивания магистральной трещины (Б ~ 22 кН) и энергоемкости ее распространения (-360 Дж);
- повышенной пластичности, при том, что значительная часть огромной пластичности (мобильности дислокаций), обусловленной высокодисперсной полигональной структурой феррита, «отнята» на упрочнение (твердорастворное, дислокационное, дисперсионное);
- разрушению на верхнем плате сериальной кривой ударной вязкости, происходящему с формированием внутри излома однородной вязкой зоны БС с максимальной удельной энергоемкостью -700 Дж/см2.
Выход из высоковязкого состояния (ниспадающий участок сериальной кривой ударной вязкости) связан с образованием и увеличением размера зоны волокнистого вязкого разрушения Бв и, соответственно, уменьшением величины зоны БС и всех параметров макро- и микродеформации образцов Шарпи.
В качестве перспектив дальнейшей разработки данной тематики можно сформулировать следующие направления:
- изучение закономерностей разрушения, установленных при исследовании образцов Шарпи, на разрушение полномасштабных изделий (толстого листа) при натурных (полигонных) испытаний;
- исследование закономерностей разрушения образцов тех же сталей после различных режимов термообработки, снимающих полосовую структуру, унаследованную металлом от горячей прокатки с ускоренным охлаждением;
- широкое использование в практике исследовательских центров и заводских лабораторий копров с инструментальной записью диаграмм нагружения с их подробным анализом, как это сделано в настоящей диссертации;
- увеличение масштаба применения фрактографического анализа методами световой и растровой электронной микроскопии, а также глубоких статистических оценок размер зерен, количества структурных составляющих и их локальных ориентировок, элементов структуры изломов.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЯЗКОСТИ СТАЛЕЙ ТИПА 06Г2Б С УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНО/МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
Авторефераты (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2016