Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Влияние интенсивной пластической

Влияние интенсивной пластической деформации на механизм разрушения малоуглеродистой низколегированной стали

Махарова С.Н., Борисова М.З. (bormaria@yandex.ru)

Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН Фундаментальные проблемы физики и химии наноразвитых систем и наноматериалов .

Введение

В последние годы все большее распространение получает новый способ достижения субмикрокристаллического состояния материалов с целью повышения их прочностных характеристик - интенсивная пластическая деформация (ИПД). Используя методы ИПД, можно добиться значительного уменьшения размера зерна и получения высокопрочного состояния без изменения химического состава. Основными методами ИПД являются кручение под высоким давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП). Многочисленные исследования показали, что материалы, подвергнутые ИПД, обладают высокими, а в ряде случаев уникальными свойствами. Это и объясняет все возрастающий интерес к такого рода материалам. Основное внимание ученых мира на данный момент сосредоточено на изучении влияния ИПД на пластичные материалы (медь, алюминий и их сплавы), тогда как влияние ИПД на такой широко распространенный класс материалов как стали мало изучено. Особенно актуально исследование влияния субмикрокристаллической (СМК) структуры на свойства малоуглеродистых низколегированных сталей, в которых получение одновременно высокой прочности и высокой вязкости разрушения традиционными методами упрочнения весьма затруднительно [1].

Материал и методика эксперимента

Эксперименты проведены на широко применяемой в условиях холодного климата конструкционной стали 09Г2С (0,11 % С; 1,28 % Mn; 0,63% Si, 0,08 % Cr; 0, 1 % Ni; 0,02 % Al; 0,18 % Cu) с ферритно-перлитной структурой; средний размер зерна в исходном состоянии 10 мкм. Материал был обработан методом РКУП, сущность которого состоит в том, что заготовка с круглым или прямоугольным сечением продавливается через специальную оснастку в виде двух пересекающихся каналов с одинаковыми сечениями (рис. 1). При проходе заготовки через оснастку в зоне пересечения каналов в материале происходит деформация простого сдвига высокой интенсивности. Степень деформации образца пропорциональна числу проходов РКУП [1].


Рис. 1. Схема равноканального углового прессования [1].



Заготовки стали 09Г2С диаметром 20 мм и длиной 120 мм подвергали РКУП с углом пересечения каналов Ф = 110° по двум режимам:

режим 1 - температура прессования 300°С, число циклов 2;

режим 2 - температура прессования 550°С, число циклов 81.

Структура стали 09Г2С до и после РКУП исследована с помощью светового микроскопа NEOPHOT 32. Ударная вязкость измерялась на образцах Шарпи при температурах испытания +20°С и -40°С. Для фрактографических исследований применялась электронная зондовая микроскопия на мультимикроскопе СММ-2000ТА в туннельном сканирующем режиме и растровая электронная микроскопия (JXA-50A). Прочностные характеристики измерялись с помощью универсальной испытательной машины UTS-20K при скорости деформирования 1 мм/мин и величине предельной нагрузки 1 т.

Результаты исследований

В результате РКУП происходит измельчение структурных составляющих исходной ферритно-перлитной структуры за счет дробления перлита и его размытия в деформирующейся ферритной матрице в виде мелких обособленных зерен величиной 0,3.. .0,5 мкм (рис.2).


По данным механических испытаний на растяжение при температуре -40°С образовавшаяся субмикронная структура повысила предел текучести стали 09Г2С более чем в 2,5 раза, предел прочности почти вдвое. Значения от и ов практически совпадают, что свидетельствует о высокопрочном состоянии материала. Увеличение прочности сопровождается снижением относительного удлинения, особенно значительным после РКУП по режиму 1. Некоторое понижение характеристик прочности при обработке по режиму 2 по сравнению с режимом 1 компенсируется улучшением пластичности и ударной вязкости. Это связано с более мелкодисперсным строением материала после РКУП при повышенной температуре. Особый интерес представляет то, что при при -40°С значение ударной вязкости обработанного по режиму 2 материала выше, чем у материала в исходном состоянии приблизительно на 35% (табл.).

Таблица. Значения ударной вязкости стали 09Г2С.

Состояние стали

KCV +20, МДж/м -2

KCV -40, МДж/м -2

Исходное

0.22

0,13

РКУП при 300 °С

0,13

0,06

РКУП при 550 °С

0,16

0,18

Эксперименты по РКУП проведены в МИСиС (Технологический университет), г. Москва.



Макростроение всех образцов, разрушенных при +20о, соответствует вязкому типу разрушения, но изломы образцов материала, подвергнутого РКУП, имеют более сложный рельеф, что обусловлено, скорее всего, возникновением зонально неоднородных структур деформации. Влияние неоднородности пластических свойств соседних слоев материала особенно четко проявляется при температуре -40°С, способствуя возникновению множественных участков разрушения по механизму вырыва.

Для ответа на вопрос, за счет чего происходит повышение сопротивления ферритно-перлитных сталей хрупкому разрушению после обработки интенсивной пластической деформацией и формирования субмикрокристаллической структуры, проведен электронно-фрактографический анализ поверхностей изломов образцов, испытанных на ударный изгиб. Такой анализ позволяет выявить микромеханизмы разрушения, особенности строения изломов и сделать выводы о том, как достигается в материале тот или иной уровень прочности.

Электронно-микроскопическое исследование поверхности изломов образцов, разрушенных при +20°С, подтвердило вязкий тип разрушения. Для всех образцов характерны чередования более крупных ямок с мелкими (рис. 3); у образцов после РКУП при 300°С и при 550°С наблюдается вязкое разрушение с мелкими ямками, выстроенными в виде протяженных гребней (рис. 3, б, в). Такие гребни формируются при слиянии соседних вязких микротрещин. Фрактографический анализ образцов, разрушенных при -40°С, выявил различия в микромеханизмах разрушения всех образцов. Выявлено, что для образца в исходном состоянии характерно хрупкое разрушение квазисколом за исключением зоны долома, которая характеризуется вязким типом разрушения. После двух проходов РКУП при 300°С строение излома меняется, на поверхности излома наблюдается множество ямок, также на изломе встречаются площадки межзеренного разрушения (рис. 3, г). Сходное строение излома характерно и для образца, подвергнутого РКУП в восемь проходов при 550°С (рис. 3, д).


Рис. 3. Типичные участки поверхности разрушения стали 09Г2С после испытаний на ударный изгиб при +20°С (а - исходное состояние, б - РКУП по режиму 1, в - РКУП по режиму 2) и при -40оС (г - исходное состояние, д - РКУП по режиму 1, е - РКУП по режиму 2); х2000.

По данным анализа поверхности разрушения стали 09Г2С методом туннельной микроскопии прослеживаются различия в степени микрорельефности изломов, соответствующие



изменениям энергоемкости разрушения образцов в исходном состоянии и после обработки методом РКУП (рис. 4). При температуре испытаний -40°С высота бугров в зоне пластической деформации материала в исходном состоянии 12 - 29 нм, значения среднеквадратичной шероховатости лежат в пределах 15-18 нм. Поверхность скана изломов образцов, подвергнутых РКУП при 300°С, отличается сглаженностью рельефа. Высота микропиков составляет до 8 нм, среднеквадратичная шероховатость примерно 5,29 нм. Энергоемкость разрушения на микроуровне также значительно снижена. Поверхность скана излома образца материала, обработанного методом РКУП при 550°С, имеет вид многочисленных ступенек, отличающихся по высоте, максимальная высота достигает 160 нм, среднеквадратичная шероховатость - 49,11 нм.


Рис. 4. Профиль поверхности изломов после испытания на ударный изгиб при - 40оС: а) исходное состояние; б) РКУП при 300оС; в) РКУП при 550оС.

Заключение.

Таким образом, метод равноканального углового прессования может быть применен для создания субмикрокристаллических структур, способных существенно повысить сопротивление ферритно-перлитных сталей хрупкому разрушению при низких температурах за счет смены базового микромеханизма разрушения и увеличения энергоемкости разрушения.

Авторы выражают искреннюю признательность д.т.н., профессору С.В. Добаткину за предоставленные образцы материала, обработанного методом РКУП, и к.т.н. В.В. Лепову за проведение электронного зондового анализа.

Литература

1. Валиев Р. З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. -М.: Логос, 2000. -272 с.

2. Borisova M.Z., Yakovleva S.P., Ivanov A.M. Equal Channel Angular Pressing, its Effect on Structure and Properties of the Constructional Steel St3. - Solid state phenomena, Vol. 114, 2006.-p.97-101.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.