Эволюция структуры и фазового состава стали 60ГС2 при усталости с импульсным токовым воздействием Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.046: 621.789: 620.179

ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА СТАЛИ 60ГС2 ПРИ УСТАЛОСТИ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

© О.В. Соснин, В.В. Целлермаер, А.В. Громова, Э.В. Козлов, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов

Sosnin O.V., Tscllermacr V.Ya.. Gromova A.V., Kozlov E.V.. Ivanov U.F., Gromov V.E. Structure and phase composition evolution in 60GS2 steel during fatigc with impulse electric current influence. The changes of structure, phase composition and dislocation substructure of 60GS2 steel (0,60 % C, S I % Mn, S 2 % Si) after multicycle fatique tests and action of pulsed electric current (elcctrostimulation) have been studied by the optic and ТЕМ methods. It is shown that electrostimulation effect consists in the increasing of the scalar density of dislocations, dissolution of the ccmentite particles, relaxation of the faracting stress fields in ferrite and forming of the stress fields in globular ccmentite.

Методами оптической и дифракционной электронной микроскопии исследовано изменение структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали 60ГС2 при многоцикловом усталостном нагружении и воздействии импульсным электрическим током (электростимулировании).

Данный метод был испытан на образцах различных структурных классов, подвергнутых критическому уровню усталостного нагружения. Он фиксировался по резкому спаду скорости распространения ультразвука (начало третьей стадии изменения зависимости скорости распространения ультразвука от числа циклов нагружения). Было показано, что обработка таких образцов электрическими импульсами привела к возрастанию скорости ультразвука до величины, соответствующей исходному состоянию материала. При этом существенно возрос ресурс усталостной прочности образцов, они оказались способны дополнительно выдержать большее число циклов нагружения по сравнению с необработанными образцами [1-3].

Исследовали структуру стали в исходном состоянии и после усталостного нагружения при N = 50000 циклов, что соответствовало концу второй стадии зависимости скорости распространения ультразвука от числа циклов нагружения и после электростимулирования нагруженной стали. Изменение среднего размера зерен в исследуемой стали после перечисленных выше воздействий приведено в табл. I.

Исследования тонких фольг показали, что в стали в результате предварительной термической обработки была сформирована феррито-перлитная структура. Перлит в большинстве случаев имеет пластинчатую морфологию, в отдельных случаях обнаруживаются островки глобулярного перлита.

Таблица I

Состояние зеренного ансамбля стали 60ГС2, подвергнутой усталости и последующему электростимулированию

Состояние стали D, мкм о, мкм

Исходное 18,9 8,6

После усталостных испытаний 8,3 2,9

Усталостные испытания + 7,6 4

+ электростимулирование

В ферритнон составляющей перлитных колоний и в зернах свободного феррита наблюдается дислокационная субструктура в виде хаоса или сеток. В первом случае скалярная плотность дислокаций не превышает ~ МО9 см 2, во втором - составляет ~ 7109 см

Усталостные испытания стали 60ГС2 при числе циклов нагружения > 50000 приводят к быстрому снижению скорости распространения ультразвука в материале. Изменения дефектной структуры и фазового состава стали на данной стадии усталости заключаются, во-первых, в повышении скалярной плотности дислокаций и эволюции дислокационной субструктуры от хаоса и сеток в исходном состоянии к клубково-сетчатой, а в отдельных случаях, к незавершенной ячеистой в нагруженном материале; во-вторых, к частичному разрушению пластин цементита путем их растворения и срезания и, в-третьих, к формированию в материале дальнодействующих полей напряжений, источниками которых являются стыки границ зерен феррита, границы раздела феррнтного и перлитного зерен, карбидные частицы, расположенные на границах зерен.

Рис. I. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям и последующей обработке электрическим током, а, I - структура стали в зоне максимальной нагрузки, б, л - на расстоянии 0,5 мм и в, е - 2.5 мм от данной зоны; а-в дислокационная субструктура зерен а-фазы, г-с - феррнтной составляющей перлитных колоний

После усталостных испытаний электростимулиро-ванне приводит к росту скалярной плотности дислокаций в зернах феррита и ферритной составляющей перлитных колоний ~ в 2 раза. Прн этом, по мере приближения к зоне максимального нагружения образца, дислокационная субструктура в зернах феррита изменяется от хаотической к сетчатой и ячеисто-сетчатой (рис. 1а - 1в). Подобные изменения наблюдаются и в ферритной составляющей перлитных колоний (рис. 5г- 5е).

Токовое воздействие приводит к повторному выделению частиц цементита. В перлите вновь образующиеся частицы имеют продолговатую форму и располагаются на дислокациях в ферритной составляющей колоний. При этом вокруг растворяющейся частицы часто формируется некоторая переходная зона, размеры которой могут изменяться в широких пределах. Если исходные частицы располагались на границах или в стыках границ зерен, то их растворение и повторное выделение новых частиц приводит к формированию некоторой области, прилегающей к границе и содержащей наноразмерные частицы вторичного цементита.

Воздействие импульсного электрического тока приводит к релаксации упругих полей напряжений в ферритных зернах. Наиболее высокий уровень полей напряжений в стали после усталостных испытаний фиксировался в зернах динамической рекристаллизации, границы которых контактировали с частицами карбидной фазы. После электростнмулнрования в таких зернах фиксируется субструктура в виде дислокационного хаоса. Можно предположить, что дислокационная субструктура сформировалась в результате релаксации дальнодействующих полей напряжений. С другой стороны, электростимулирование привело к формированию полей напряжений в глобулярных частицах цементита, источниками которых являются термические напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электростнмулированная малоцикловая усталость / Пол ред. О.В. Соснина. В.Е. Громова, Э.В. Козлова. М.: Недра коммюни-кейшинс ЛТД, 2000. 208 с.

2. Коваленко В.П.. Соснин О.В.. Иванов Ю Ф. и др. Роль электрости-мулироваиня в эволюции дефектной структуры и фазового состава стали 08Х18Н10Т при малоннкловых усталостных испытаниях // ФИЗиХОМ. 2000. № 6. С. 74-80.

3. Попова И.А.. Соснин О.В.. Коновалов С.В. и др. Электроимпульс-ное модифицирование дислокационной субструктуры аустенит-ной марганцовистой стали // ФИЗиХОМ. 2002. № 5. С. 69-75.