CC BY
45
УДК 539.4.016.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1016-1019
МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ, ПОДВЕРГНУТОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОТЖИГУ
© А.М. Иванов
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск, Российская Федерация, e-mail: a.m.ivanov@iptpn.ysn.ru
Исследовано влияние комбинированных методов интенсивной пластической деформации и отжига на прочность и характер разрушения низколегированной стали при нагружении растяжением. Приведены данные по механическим свойствам и графики нагружения образцов из низколегированной стали 09Г2С в различном состоянии. Показано, что комбинированная деформационная обработка приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали 09Г2С. При этом дополнительный отжиг не приводит к существенному изменению механических свойств материала по сравнению с состоянием после комбинированного воздействия экструзией и винтовым прессованием. Установлено, что микрорельефы изломов образцов из стали 09Г2С после комбинированного деформирования экструзией и винтовым прессованием, а также дополнительного отжига на исследованных участках не имеют значительных отличий по сравнению с исходным состоянием. Разрушение образцов вязкое с образованием ямочного микрорельефа.
Ключевые слова: сталь; экструзия и винтовое прессование; отжиг; разрушение; излом.
Физико-механические свойства, закономерности деформирования, механизм разрушения и другие характеристики зависят от состояния материала. Для изменения структурно-фазового состояния сталей с целью повышения их прочности применяются методы деформационной обработки, в т. ч. интенсивной пластической деформации (ИПД). ИПД позволяет обеспечить металлическим материалам уникальные физико-механические свойства [1-6]. Комбинированные методы ИПД расширяют возможности управления структурой и фазовым состоянием сплавов металлов [7].
В работе исследовано влияние комбинированного воздействия экструзией и винтовым прессованием, а также отжига на механические свойства и механизм разрушения низколегированной конструкционной стали 09Г2С.
Для проведения исследований объемные заготовки из стали 09Г2С размером 012x60 мм вначале были подвергнуты комбинированной обработке экструзией и винтовым прессованием (ЭВП) в 1 проход при температуре 673 К. Комбинированная обработка реализуется в одном устройстве в течение одного технологического процесса [8]. В результате обработки методом ЭВП получали винтовые профили [7]. Второй этап обработки заключался в их отжиге при температуре 623 К со временем выдержки 60 мин. и остыванием в отключенной муфельной печи.
Химический анализ проведен на атомно-эмиссион-ном спектрометре «Foundry-Master» (WAS AG). Химический состав объекта исследования - низколегированной стали 09Г2С: в % - 0,1 С, 0,85 Si, 1,41 Mn, 0,17 Cr, 0,18 Ni, 0,35 Cu, остальное Fe.
Механические испытания на одноосное растяжение цилиндрических образцов проводились при комнатной температуре на универсальной машине «Инстрон-1195». Образцы для испытаний на одноосное растяже-
ние из заготовок после ЭВП были вырезаны из центральной части. Фрактографические исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе HITACHI TM 3030 в режиме вторичных электронов1.
Механические характеристики стали 09Г2С до и после обработки приведены в табл. 1.
Комбинированная обработка стали 09Г2С посредством ЭВП приводит к повышению предела текучести в 1,8-2 раза, предела прочности в 1,4-1,5 раза и снижению пластичности в 1,6-1,75 раза.
Характеристики прочности и пластичности 09Г2С в результате отжига при температуре 623 К практически остаются на том же уровне, что и после ЭВП. При данных режимах обработки можно говорить лишь о качественных изменениях: наблюдается тенденция к снижению прочности и повышению пластичности стали 09Г2С в результате отжига по сравнению с состоянием после ЭВП.
Таблица 1
Механические характеристики стали 09Г2С
Состояние материала СТт, МПа СТв, МПа ^к, %
1 .Состояние поставки 361 521 36,65
2. Экструзия + винтовое прессование в 1 проход при 673 К 741 793 20,85
3. (Экструзия + винтовое прессование в 1 проход при 673 К) + отжиг при 623 К 732 786 21,55
1 Съемки фрактограмм выполнены Н.Д. Коваленко.
ст, МПа 1000 -,
750 -
500 -
250 -
0
10
20
30
1.. 8, %
Рис. 1. Диаграмма нагружения образцов из стали 09Г2С в различных состояниях: 1 - исходное состояние; 2 - после ЭВП в 1 проход при 673 К и 3 - после ЭВП в 1 проход при 673 К и отжига при 623 К (60 мин.)
Представленные на рис. 1 диаграммы нагружения образцов подтверждают данные, приведенные в табл. 1, и отражают характер их деформирования. Для упрочненных сталей характерна большая степень деформации до наступления текучести при меньшей пластичности по сравнению с исходным состоянием.
Анализ поверхностей разрушения образцов из стали 09Г2С в различных состояниях показал следующее.
Вязкое разрушение образцов сопровождается значительной утяжкой в области локализованной пластической деформации, что свидетельствует о значительной пластической деформации до разрыва образца. Поверхность разрушения матовая, с большой шероховатостью. Вязкое разрушение произошло в результате протекания различных стадий - зарождения, роста и объединения пор внутри образца. Разрушение имеет волокнистый излом, микростроение которого имеет ямочный характер (рис. 2).
Наблюдаемый вязкий излом состоит из двух основных зон: центральной, в котором зарождается и развивается трещина, а также периферийной, представляющей губы среза (рис. 2в). То есть разрушение произошло в условиях стабильного роста трещины. Вязкое разрушение с образованием ямочного микрорельефа произошло после значительной пластической деформации,
б)
А
1
. ... ч .ч* *••>«> ■. х-*.*
..... ..: •
Т* 2*. ' ' Ш* I
Х2Ы-С001
N 04 0 «*>
В)
д)
Рис. 2. Макро- и микрорельефы изломов образцов из стали 09Г2С: а) зона 1 в исходном состоянии; б) зона 1 после ЭВП в 1 проход при 673 К; после ЭВП в 1 проход при 673 К и отжига при 623 К - в) общий вид излома, г) в зоне 1 и д) в зоне 2
г)
на внутренней поверхности ямок наблюдаются следы пластической деформации в виде волновых линий. На дне некоторых ямок, возможно, имеются включения, формы и размеры которых разные.
Размеры ямок варьируются в широком диапазоне. Средний размер ямок сдвига в периферийной зоне меньше ямок вязкого излома в центральной зоне - зоне волокнистого излома. На гребнях крупных ямок наблюдается вереница мелких ямок. Мелкие ямки также имеются на боковой поверхности крупных ямок. Диаметры мелких ямок в центральной зоне можно оценить примерно как ~0,5 мкм, а крупных до 35 мкм.
Таким образом, деформационная обработка низколегированной стали 09Г2С комбинированным воздействием экструзией и винтовым прессованием, а также в случае дополнительного отжига обеспечивает повышение прочности и понижение пластичности материала. Механизм разрушения стали 09Г2С, как в исходном состоянии, так и в упрочненном состоянии, при испытаниях одноосным растяжением в условиях комнатной температуры носит вязкий характер с образованием ямочного микрорельефа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций
и разрыва. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1955. 444 с.
2. Salishchev G.A., Valiakhmetov O.R., Galeyev R.M. Formation of submicrocrystalline structure in the titanium alloy VT8 and its influence on mechanical properties // Journal of Materials Science. 1993. V. 28. № 11. P. 2898-2902.
3. Валиев Р.З., Александров И.В. Парадокс интенсивной пластической деформации металлов // Доклады Академии наук. 2001. Т. 380. № 1. С. 34-37.
4. Zhu Y.T., Jiang H., Huang J., Lowe T.C. A new route to bulk nano-structured metals // Metallurgical and Materials Transactions A. 2001. V. 32. P. 1559-1562.
5. Сегал В.М. Развитие обработки материалов интенсивной сдвиговой деформацией // Металлы. 2004. № 1. С. 5-14.
6. Завдовеев А.В. Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии // Физика и техника высоких давлений. 2013. Т. 23. № 4. С. 100-106.
7. Иванов А.М., Петрова Н.Д., Лепов В.В. Влияние экструзии и винтового прессования на структуру и механические свойства низколегированной стали // Наука и образование. 2015. № 4 (80). С. 87-90.
8. Иванов А.М., Рааб Г.И., Петрова Н.Д. Способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовки: Пат. 2570271 (РФ). 2015.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках научного проекта № Ш.28.1.1 по программе Ш.28.1 СО РАН.
Поступила в редакцию 7 апреля 201б г.
UDC 539.4.G16.2
DOI: 1G.2G31G/181G-G198-2G16-21-3-1G16-1G19
FRACTURE MECHANISM OF LOW-ALLOY STEEL SUBJECTED COMBINED SEVERE PLASTIC DEFORMATION AND ANNEALING
© A.M. Ivanov
V.P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, SB RAS, Yakutsk, Russian Federation,
e-mail: a.m.ivanov@iptpn.ysn.ru
In this work the influence of the combined methods of severe plastic deformation and annealing on the strength and nature of the destruction of low-alloy steel in tension loading was studied. The data on the mechanical properties and load diagrams from low alloyed steel 09G2S in a different state were presented. It is shown that the combined treatment of deformation leads to increased of the strength and decreased of the ductility of the 09G2S steel. Additional annealing does not significantly change the mechanical properties of the material as compared with the state after the combined effects of extrusion and screw pressing. It is found that the microreliefs of the specimens breaks of steel 09G2S after combined deformation and screw pressing, and further annealing on the investigated areas do not have significant differences compared to initial state. The destruction of the sample is viscous to form a pit microrelief.
Key words: steel; extrusion and screw-shaped compaction; burn-in; destruction; breaking.
REFERENCES
1. Bridzhmen P.V. Issledovanie bol'shikhplasticheskikh deformatsiy i razryva. Moscow, Inostrannaya literatura Publ., 1955. 444 p.
2. Salishchev G.A., Valiakhmetov O.R., Galeyev R.M. Formation of submicrocrystalline structure in the titanium alloy VT8 and its influence on mechanical properties. Journal of Materials Science, 1993, vol. 28, no. 11, pp. 2898-2902.
3. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Paradoks intensivnoy plasticheskoy deformatsii metallov. Proceedings of the Russian Academy of Sciences, 2001, vol. 380, no. 1, pp. 34-37.
4. Zhu Y.T., Jiang H., Huang J., Lowe T.C. A new route to bulk nanostructured metals. Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, vol. 32, pp. 1559-1562.
1G18
5. Segal V.M. Razvitie obrabotki materialov intensivnoy sdvigovoy deformatsiey. Metally — Russian metallurgy (Metally), 2004, no. 1, pp. 5-14.
6. Zavdoveev A.V. Osobennosti formirovaniya struktury i svoystv malouglerodistoy stali pri teploy vintovoy ekstruzii. Fizika i tekhnika vysokikh davleniy — High pressure physics and technics, 2013, vol. 23, no. 4, pp. 100-106.
7. Ivanov A.M., Petrova N.D., Lepov V.V. Vliyanie ekstruzii i vintovogo pressovaniya na strukturu i mekhanicheskie svoystva nizkolegi-rovannoy stali. Nauka i obrazovanie, 2015, no. 4 (80), pp. 87-90.
8. Ivanov A.M., Raab G.I., Petrova N.D. Sposob kombinirovannoy intensivnoy plasticheskoy deformatsii zagotovki. Patent RF, no. 2570271, 2015.
GRATITUDE: The work is fulfilled within framework of scientific project no. III.28.1.1 on the program III.28.1 SB RAS Received 7 April 2016
Иванов Афанасий Михайлович, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск, Российская Федерация, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: a.m.ivanov@iptpn.ysn.ru
Ivanov Afanasiy Mikhaylovich, V.P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, SB RAS, Yakutsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Leading Research Worker, e-mail: a.m.ivanov@iptpn.ysn.ru
