CC BY
75
УДК 539.4:620.17
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1166-1169
МИКРОМЕХАНИЗМЫ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ
© В.М. Мишин
Северо-Кавказский федеральный университет, г. Пятигорск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Изучены микромеханизмы локального замедленного разрушения мартенситных, двуфазных аустенито-мартен-ситных и мартенситностареющих сталей. Установлена зависимость локальной прочности границы зерна мар-тенситной стали при различных уровнях остаточных внутренних микронапряжений от атомной концентрации примеси фосфора на границе зерна. Микромеханизм замедленного разрушения мартенситной стали основан на термически активированном процессе зарождения трещины в месте действия остаточных внутренних микронапряжений и обогащении фосфором границ зерен, приводящем к ослаблению межзеренного сцепления. Склонность к замедленному разрушению аустенито-мартенситных сталей после проведения холодной деформации понижается, что связано с релаксацией остаточных внутренних микронапряжений, локализованных на границах зерен. Замедленное разрушение мартенситностареющей стали реализуется в результате одновременного воздействия остаточных внутренних микронапряжений, локализованных на межфазной когерентной границе ин-терметаллид - матрица, и обогащением границы зерна примесными атомами, понижающими межзеренную связь.
Ключевые слова: сталь; замедленное разрушение; локальное разрушение; зарождение трещины; водородосо-держащая среда; микромеханизм разрушения.
Явление замедленного хрупкого разрушения (ЗХР) мартенситосодержащих сталей является следствием неравновесного структурного состояния [5]. Поэтому изучение влияния особенностей структуры стали на процесс локального замедленного разрушения весьма актуально. Интеркристаллитный характер замедленного разрушения указывает на необходимость изучения прочности границ зерен. Снижение прочности границ зерен связано с рядом микроструктурных факторов: остаточные микронапряжения, сегрегации охрупчи-вающих примесей на границах, наличие водорода в решетке железа, давление водорода в областях объемного растяжения и др., воздействие которых имеет локальный характер [1; 5-7]. Поэтому важно определить силовые условия локального разрушения и с их помощью объяснить различия микромеханизмов замедленного разрушения сталей в различных структурных состояниях.
Материалы и методика испытаний на замедленное разрушение. Изучали влияние на процесс локального замедленного разрушения факторов: остаточных микронапряжений и примеси фосфора - на стали 18Х2Н4ВА; соотношение мартенсита с различным уровнем остаточных внутренних микронапряжений - в двуфазных аустенито-мартенситных сталях 50Н7Х6 и 50Х8Н5; старения - на модельной мартенситностареющей стали Н18М2Т2. Режимы термомеханических обработок для каждой стали регламентировались поставленными задачами.
Испытания на замедленное хрупкое разрушение (ЗХР) проводили по методике [3] путем нагружения образцов сосредоточенным изгибом или растяжением до заданной нагрузки и дальнейшей выдержке до раз-
рушения. Применялись образцы типа Шарпи с концентратором напряжений и образцы на растяжение с кольцевым надрезом. С помощью акустической эмиссии регистрировали момент зарождения трещины. По итогам испытаний строили зависимости времени до регистрации трещины от уровня напряжений. Пороговые напряжения определяли как напряжения, ниже уровня которых зарождение трещины не регистрировалось за базовое время испытаний. Содержание примеси фосфора на поверхности излома определяли методом ОЖЕ-спектрометрии.
Определение силовых характеристик локального разрушения на основе метода конечных элементов. Расчет упруго-пластических полей напряжений производили с помощью метода конечных элементов (МКЭ). На рис. 1 представлены поля деформаций для стандартного образца Шарпи и цилиндрического образца с кольцевым концентратором напряжений.
/
Рис. 1. Поле деформаций в вершине концентратора напряжений образца Шарпи и цилиндрического образца, рассчитанное с помощью МКЭ
ренних микронапряжений, да - газообразного водо-
рода и Дас
зернограничной сегрегации охрупчи-
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая зарождение трещины в месте локализации максимального локального растягивающего напряжения ^ в зоне стеснения деформации в вершине
надреза
Определяли максимальные локальные растягивающие напряжения ст11тах в вершине концентратора напряжений в зоне стеснения деформации для всех приложенных к образцу нагрузок (рис. 2) [2; 4].
Общий микромеханизм локального замедленного разрушения мартенситосодержащих сталей. Границы зерен стали с мартенситной структурой обнаруживают меньшую прочность по сравнению с телом зерен за счет того, что: 1) они представлены в виде неправильной кристаллической решетки и являются местом стыковки различно ориентированных кристаллических решеток; 2) в местах выхода крупных кристаллов мартенсита на границы исходных аустенитных зерен образуются области объемного растяжения (ООР); 3) в условиях наводороживания в ООР возникает избыточное давление водорода; 4) представляют собой места сосредоточения сегрегаций охрупчиваю-щих примесей серы, фосфора, сурьмы [1; 3; 5; 7]. Все эти факторы способствуют тому, что в мартенситосо-держащих сталях зарождение трещины при замедленном разрушении реализуется на границе исходного аустенитного зерна [5].
Выразим временное сопротивление микросколу границы зерна а1^™ в явном виде [7-8]:
, КТ ч !П — + °11max + Давн + ДоН + Д°сегр = О?3"' (1) У(°вн > °и) Т0 р
где правая часть а^™ характеризует сопротивление неохрупченной границы зерна микросколу; левая часть критериального условия (1) состоит из термоактиваци-онной компоненты (характеризующей температурно-временное условие флуктуационного разрыва атомных связей железа, ослабленных остаточными микронапряжениями ст и/или водородом ) и силовых
компонент: О - максимальное локальное растяги-
11max г
вающее напряжение, вызванное внешней нагрузкой и эффектом концентрации напряжений перед концентратором напряжений; снижение локальной прочности границы зерна в ООР за счет да - остаточных внут-
вающих примесей. Термически активированный объем у(стт , стн), зависящий от ослабления силы атомных
связей железа за счет остаточных микронапряжений и атомарного водорода, определяет наклон кривых замедленного разрушения в координатах 1п т — Ст] 1тах .
Локальное замедленное разрушение мартенсит-ных сталей. Были проведены испытания на замедленное разрушение сосредоточенным изгибом образцов Шарпи закаленной стали. С помощью метода конечных элементов [2] приложенную нагрузку пересчитывали в максимальные локальные растягивающие напряжения Стцшах в зоне локального разрушения перед концентратором напряжений вблизи границы упругой и пластической зон.
Изменение времени отдыха после закалки позволяло создавать различные уровни остаточных внутренних микронапряжений. Впервые установлена количественная зависимость локальной прочности границы зерна при различных уровнях остаточных внутренних микронапряжений (рис. 3) от атомной концентрации примеси фосфора на границе зерна в местах его сегрегации.
Установленные зависимости порогового локального напряжения от атомной концентрации примеси фосфора на границах исходных аустенитных зерен (рис. 3) количественно доказывают, что снижение прочности границ зерен вызвано зернограничной сегрегацией примеси фосфора в соответствии с представлениями (1) об аддитивности вкладов охрупчивающих факторов.
Таким образом, показано количественно, что обогащение фосфором границ зерен в аустените - зерно-граничная сегрегация фосфора, приводит к ослаблению межзеренного сцепления и облегчению зарождения и развития трещины по границам исходных аустенитных зерен.
Локальное замедленное разрушение аустенито-мартенситных сталей. Проводили испытания на ЗХР модельных сталей 50Х8Н5 и 50Н7Х6 после закалки, содержащих 40 и 50 % мартенсита соответственно. Экспериментально установили, что существует склонность
Рис. 3. Зависимости локальной прочности границ зерен от атомной концентрация фосфора на границе зерна стали 18Х2Н4ВА. Отдых: 1 - 100 ч; 2 - 50 ч; 3 - 30 мин.
к замедленному разрушению двухфазных аустенито-мартенситных сталей. Далее изменяли содержание мартенсита двумя способами: путем проведения холодной пластической деформации в двухфазном состоянии и охлаждением до температуры ниже комнатной. В результате испытаний на ЗХР двух партий образцов из стали 50Н7Х6 в двухфазном состоянии, имеющих одинаковое общее содержание мартенсита (75 %), но полученное разными способами, установлено, что сталь после холодной пластической деформации менее склонна к ЗХР. Для объяснения этого были определены уровни локальной прочности границ зерен двухфазных аустенито-мартенситных сталей с различным содержанием мартенсита с высоким и низким уровнем остаточных внутренних микронапряжений: для стали 50Х6Н7 (охлаждение при -50 °С, содержание мартенсита 75 %; холодная прокатка на 27 %, содержание мартенсита 75 %) и стали 50Х8Н5 (содержание мартенсита 40 %; холодная прокатка на 25 %, содержание мартенсита 85 %).
Установлено увеличение локальной прочности границ зерен аустенито-мартенситных сталей в двухфазном состоянии в результате холодной пластической деформации. Это доказывает, что именно протекание процессов релаксации микронапряжений в результате пластической деформации приводит к снижению уровня остаточных внутренних микронапряжений, привносящих основной вклад в ослабление границ зерен и подтверждает (1).
Локальное замедленное разрушение мартенсит-ностареющих сталей. Экспериментально получали временные зависимости 1п т-ст11шах замедленного локального разрушения мартенситностареющей стали Н18М2Т2 при испытаниях в воздушной среде и при электролитическом наводороживании образцов с надрезом. Показано, что в ходе старения данной стали изменяется состояние границ исходных аустенитных зерен, что способствует развитию трещины по границам зерен при замедленном разрушении. Обнаружено, что изменение состояния границ зерен связано с упругими искажениями, образуемыми в результате распада по границам и с обогащением границ зерен примесными атомами, ослабляющими межзеренную связь.
Микромеханизм замедленного хрупкого разрушения мартенситностареющей стали Н18М2Т2 реализуется в результате одновременного воздействия максимальных локальных растягивающих напряжений, вы-
званных концентрацией напряжений перед надрезом и остаточных внутренних микронапряжений, локализованных на межфазной когерентной границе интерме-таллид - матрица [5]. Насыщение границ зерен водородом приводит к значительному снижению их прочности, характеризуемой уровнем порогового сопротивления зарождению трещины a^lth, в сравнении с пороговым сопротивлением зарождению трещины без наво-дороживания allt(l. Водород оказывает максимальное охрупчивающее действие на локальную прочность границ зерен при одновременном выполнении двух условий: в локальной зоне концентрации напряжений действуют максимальные локальные растягивающие напряжения и достигается критическая концентрация водорода.
Таким образом, в основе явления замедленного разрушения мартенситностареющей стали лежат процессы разупрочнения границ зерен, протекающие на начальной стадии старения. Возникновение в структуре стали локальных упругих напряжений, локализованных на межфазной когерентной границе интерметал-лид - матрица, приводит к снижению сопротивления границ зерен хрупкому разрушению и подтверждает положение (1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волоконский М.В., Мишин В.М. Оценка прочности границ зерен стали, ослабленных фосфором и остаточными напряжениями // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 3. С. 104-105.
2. Мишин В.М., Сибилев А.Н. Критерии хладноломкости стальных деталей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 11. С. 102.
3. Мишин В.М., Береснев А.Г., Саррак В.И. Способ определения склонности к замедленному разрушению стали при одновременном действии водорода и механических напряжений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1986. № 8. С. 69-71.
4. Mishin V.M., Kislyuk I. V., Sarrak V.I. Link of the critical temperature of brittleness with the geometry of the stress concentrator and loading rate // Strength of Materials. 1992. V. 23. № 12. P. 1303-1308.
5. Мишин В.М., Филиппов Г.А. Физика замедленного разрушения сталей: монография. М.-Воды: Полиграфпром, 2013. 455 с.
6. Саррак В.И., Артемова Е.Н., Суворова С.О., Мишин В.М. Силовой критерий замедленного разрушения метастабильной аустенитной стали // Проблемы прочности. 1989. № 11. С. 69-72.
7. Шиховцов А.А., Мишин В.М. Кинетика и микромеханика замедленного разрушения стали // Фундаментальные исследования. 2013. № 4-4. С. 858-861.
8. Шиховцов А.А., Мишин В.М. Разделение силовой и термоактива-ционной компонент разрушения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 11. С. 104105.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.4:620.17
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1166-1169
MICROMECHANISMS DELAYED FRACTURE STEEL
© V.M. Mishin
North-Caucasian Federal University, Pyatigorsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Micromechanisms of local delayed fracture of martensitic, two-phase austenitic-martensitic and maraging steels are studied. The dependence of local strength martensitic steel grain boundaries at different levels of residual internal microstrain of the atomic concentration of phosphorus impurities in the grain boundary is established. Micromechanisms of delayed fracture of martensitic steel is based on a thermally activated process of nucleation Denia crack at the scene of internal residual microstrain and phosphorus enrichment of grain boundaries, resulting in weakening the NlJ-intergrain clutch. The tendency to delayed fracture austenite-martensite steels after cold deformation is reduced, due to the relaxation of internal residual microstrain localized at grain boundaries. Slow destruction of maraging steel is realized as a result of both the first exposure to residual internal microstrain localized at the interface of a coherent border inter-Metallidi - matrix and enriched grain boundary impurity atoms, lowering intergrain connection.
Key words: steel; delayed fracture; local destruction; Nucleation of the crack; hydrogen-containing medium was; the microscopic mechanism of destruction.
REFERENCES
1. Volokonskiy M.V., Mishin V.M. Otsenka prochnosti granits zeren stali, oslablennykh fosforom i ostatochnymi napryazheniyami.
Sovremennye naukoemkie tekhnologii, 2013, no. 3, pp. 104-105.
2. Mishin V.M., Sibilev A.N. Kriterii khladnolomkosti stal'nykh detaley. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy, 2011, no. 11, pp. 102.
3. Mishin V.M., Beresnev A.G., Sarrak V.I. Sposob opredeleniya sklonnosti k zamedlennomu razrusheniyu stali pri odnovremennom deystvii vodoroda i mekhanicheskikh napryazheniy. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 1986, no. 8, pp. 69-71.
4. Mishin V.M., Kislyuk I.V., Sarrak V.I. Link of the critical temperature of brittleness with the geometry of the stress concentrator and loading rate. Strength of Materials, 1992, vol. 23, no. 12, pp. 1303-1308.
5. Mishin V.M., Filippov G.A. Fizikazamedlennogo razrusheniya staley. Mineralnye Vody, Poligrafprom Publ., 2013. 455 p.
6. Sarrak V.I., Artemova E.N., Suvorova S.O., Mishin V.M. Silovoy kriteriy zamedlennogo razrusheniya metastabil'noy austenitnoy stali. Problemy prochnosti, 1989, no. 11, pp. 69-72.
7. Shikhovtsov A.A., Mishin V.M. Kinetika i mikromekhanika zamedlennogo razrusheniya stali. Fundamental'nye issledovaniya - International Journal of Applied and Fundamental Research, 2013, no. 4-4, pp. 858-861.
8. Shikhovtsov A.A., Mishin V.M. Razdelenie silovoy i termoaktivatsionnoy komponent razrusheniya. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy, 2011, no. 11, pp. 104-105.
Received 10 April 2016
Мишин Владимир Михайлович, Северо-Кавказский федеральный университет, г. Пятигорск, Российская Федерация, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры строительства, e-mail: [email protected]
Mishin Vladimir Mikhaylovich, North-Caucasian Federal University, Pyatigorsk, Russian Federation, Doctor of Technics, Senior ResearchWorker, Professor of Construction Department, e-mail: [email protected]
