CC BY
29НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №2
УДК 620.186 : 620.17
Интенсивная пластическая деформация как способ повышения сопротивления хрупкому разрушению низколегированной стали
С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, М.З. Борисова
Исследовано влияние интенсивной пластической деформации (ИПД) на структуру и свойства низколегированной стали 09Г2С. Показано, что в результате ИПДравноканалъным угловым прессованием (РКУП) по различным режимам может быть достигнуто субмикрокристаллическое (СМК) состояние стали 09Г2С. Полученные в ходе РКУП структурные изменения привели к значительному приросту прочности. При испытаниях на ударную вязкость выявлено повышение сопротивления стали 09Г2С в СМК состоянии хрупкому разрушению. Установлено, что увеличение энергоемкости разрушения стали 09Г2С с СМК структурой обусловлено сменой базового микромеханизма разрушения.
The influence of severe plastic deformation (SPD) on structure and properties of low-carbon low-alloy steel 09Г2С was investigated. The results show, that after equal channel angular pressing (ECAP) under different conditions the ultrafine-grained (UFG) structure of steel 09Г2С was achieved. The structural changes, received by ECAP, resulted in considerable increase of strength. At impact toughness tests the increase of resistance of UFG steel 09Г2С to fragile fracture was revealed. Was determined, that the increase of power intensity of destruction results in change of the base micromechanism of fracture and the of steel 09Г2С with UFG structure.
Введение
В последние годы внимание исследователей привлек новый способ получения СМК состояния материалов - интенсивная пластическая деформация [1]. К методам ИПД относятся кручение под высоким квазигидростатическим давлением, всесторонняя ковка и РКУП при температурах, составляющих около 0,3-0,4 от температуры плавления. Структурообразование в ходе РКУП представляет собой сочетание интенсивного наклепа, релаксации напряжений и динамического возврата. При этом структура полученных материалов сильно отличается не только от структур обычных крупнозернистых материалов, но также и от структуры СМК материалов, полученных другими способами. Исследования СМК материалов и их механического поведения при последующем нагружении в большинстве случаев проводятся на относительно пластичных цветных металлах, либо их сплавах, тогда как такой важный класс конструкционных материалов, как стали, изучен недостаточно.
ЯКОВЛЕВА Софья Петровна - д.т.н., зав. отделом ИФТПС СО РАН; МАХАРОВА Сусанна Николаевна - к.т.н., зав. сектором ИФТПС СО РАН; БОРИСОВА Мария Захаровна - м.н.с. ИФТПС СО РАН. 164
Особенно актуально исследование влияния СМК структуры на свойства низколегированных сталей [2], для которых получение одновременно высокой прочности и относительно высокой вязкости разрушения традиционными методами упрочнения весьма затруднительно.
Материал и методы
Эксперименты проведены на широко применяемой в условиях холодного климата конструкционной стали 09Г2С (0,11% С; 1,28% Мп; 0,63% Бц 0,08% Сг; 0, 1% №; 0,02% А1; 0,18% Си) 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 одинакового сечения. 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].
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 8 .
Структура стали 09Г2С до и после РКУП исследована с помощью светового микроскопа 1ЧЕОРНОТ 32. Ударная вязкость измерялась на образцах Шарпи при температурах 20°С и -40°С. Для фрактографиче-ских исследований применялись электронная туннельная сканирующая микроскопия (мультимикро-скоп СММ-2000ТА) и растровая электронная микроскопия (1ХА-50А). Прочностные характеристики измерялись с помощью универсальной испытательной машины иТ8-20К при скорости деформирования 1 мм/мин и величине предельной нагрузки 1 т.
Результаты исследования
Обработка РКУП привела к измельчению 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. 1).
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 [3]. Значения ат и ав практически совпадают, что свидетельствует
0 высокопрочном состоянии материала (рис. 2). 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% (таблица).
вМт
ш
' 9
& 4-<Р #
с с-<* * & * е
й „ в л # & {
9
## £ и*» &
? <>/
$> $
О ¿0
с
» 0
% ^
&
ос -
« с*
е р.
2,
С-
9
0 <
С*
€ О в
л £
Рис. 1. Влияние РКУП на микроструктуру стали 09Г2С: а - исходный материал; б - РКУП при 300°С, число циклов 2; в - РКУП при 550°С, число циклов 8
Значения ударной вязкости стали 09Г2С
Состояние стали
Исходное РКУП при 300 °С РКУП при 550 °С
КСУ
МДж/м "2
0.22 0,13 0,16
КСУ"*7, МДж/м ■
0,13 0,06 0,18
□ Предел текучести □ Предел прочности
Эксперименты по РКУП проведены в МИСиС (Технологический университет), г. Москва. НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №2
исх. режим 1 режим 2
Рис. 2. Влияние режимов РКУП на прочностные свойства (предел прочности, предел текучести, МПа) стали 09Г2С; температура испытаний —40°С
Макростроение всех образцов, разрушенных при 20°С, соответствует вязкому типу разруше-ния, но изломы образцов материала, подвергну-того РКУП, имеют более сложный рельеф, что обусловлено, в частности, возникновением зо-
ЯКОВЛЕВА, МАХАРОВА, БОРИСОВА
а б в
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 -40"С (г - исходное состояние; д - РКУП по режиму 1; е - РКУП по режиму 2); х2000
нально 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-перлит-ных сталей хрупкому разрушению после РКУП 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, а-в); 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), формирующихся при слиянии соседних вязких микротрещин.
Фрактографический анализ образцов, испытанных при -40°С, выявил различия в микромеханизмах разрушения образцов до и после РКУП. Металл в исходном состоянии разрушается квазисколом (рис. 3, г) за исключением зоны долома, микротопография которой указывает на вязкий тип разрушения. После двух проходов РКУП при 300°С строение излома меняется: появляются множественные участки с мелкоямочной структурой (рис. 3, д). Сходное строение излома характерно и для образца, подвергнутого РКУП в восемь циклов при 550°С (рис. 3, е).
Результаты туннельной микроскопии подтверждают различия в степени микрорельефности изломов образцов в исходном состоянии и после обработки методом РКУП, соответствующие изменениям энергоемкости разрушения. Рис. 4 иллюстрирует характерный вид локальных профилей изломов. 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
38.84 rim 156.3 nm )
38.84 nra 13.6Q nrn -85.24 tm l
58.02 nra Û0)
Section{ 55.2* course, -î.696*tiit)
L'rus Hist.
1.773 юкга ( 1.773 mkm) 1.684* Base: 1.773 rnkm 0% 3.98* б
Section ( 0.0' course, 0.307* Sit) S Line HM.
V-, J v^ Ч у -- У."
o.û
2.131 mkm ( 2.131 rrfcm) -2290* Base: 2.121 rnkm ÜX S.QSX
В
Sectbn (-58.3* courte. .9.149* lilt)
Ш Line Hist.
814.0 пл ( 814.0 rrn) 1.35Г Base: 814.0 rrn
0* 5.43X
Рис. 4. Профиль поверхности изломов стали 09Г2С после испытания на ударный изгиб при - 40"С: а) исходное состояние; б) РКУП при 300°С; в) РКУП при 550°С.
По оси абсцисс - длина измеренного профиля, нм; по оси ординат - высота точек профиля, нм, Hist - гистограмма высот точек профиля
чести; предел прочности повысился в 1,5 раза; значение ударной вязкости выше исходного на 35%. По результатам микрофрактографического анализа и оценки параметров шероховатости, наблюдающийся после РКУП рост энергоемкости разрушения обусловлен увеличением степени рельефности излома и сменой основного микромеханизма разрушения: преимущественно хрупкое разрушение квазисколом дополняется микромеханизмом вязкого ямочного разрушения.
Авторы выражают искреннюю признательность д.т.н., профессору C.B. Добаткину за предоставленные образцы материала, обработанного методом РКУП, и к.т.н. В.В. Лепову за проведение электронного зондово-го анализа.
Исследования выполнены в рамках Программы фундаментальных исследований президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразвитых систем и нанома-териалов».
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.
Заключение
РКУП может являться эффективным инструментом повышения характеристик прочности и сопротивления ферритно-перлитных сталей хрупкому разрушению: при температуре испытаний -40°С низколегированная сталь 09Г2С с субмикрокристаллической структурой, полученной РКУП по режиму 550°С, 8 циклов, показала более чем двукратное увеличение предела теку-
Литература
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Нанострук-турные 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. - 2006. - Vol. 114. -P. 97-101.
3. Яковлева С.П., Слепцов О.И., Махарова С.Н., Добаткин С.В. Структура и свойства низколегированной стали в субмикрокристаллическом состоянии // Тр. II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. -Якутск, 2004. - Ч. I. - С. 206-214.
♦> ♦> ♦>
