CC BY
44
УДК 620.178.746.22, 620.172.24
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-962-965
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ТРУБНОЙ СТАЛИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ В УСЛОВИЯХ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЙ
© Л.С. Деревягина, А.И. Гордиенко
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: lsd@ispms.tsc.ru
В ходе статических испытаний на растяжение низкоуглеродистой стали 12ГБА, обработанной интенсивной теплой прокаткой, обнаружено, что вплоть до температур испытания Тисп = -196 °С в ней сохраняется вязкий характер разрушения. Напротив, в стали в крупнозернистом состоянии происходит смена микромеханизма на хрупкий скол. В более жестких условиях испытания ударным изгибом в интервале Тисп от +20 до -20 °С вязкий микромеханизм разрушения в прокатанной стали сохраняется, при этом величина ее ударной вязкости (KCV+20 °С = 2,8 МДж/м2) ^ в 3 раза превышает величину KCV исходной стали. Однако в интервале температур испытания от -20 до -70 °С происходит смена микромеханизма разрушения на хрупкий скол. Величины ударной вязкости обработанной стали резко снижаются (KCV-40 °С = 0,9 МДж/м2), но остаются на достаточно высоком уровне.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь; теплая прокатка; микромеханизмы разрушения; ударная вязкость.
Потребности современной промышленности в хладостойких материалах инициируют развитие технологий создания новых и улучшения свойств существующих трубных сталей, а также методов корректной оценки их свойств. Поскольку свойства сталей определяются не только улучшенными параметрами микроструктуры, но и условиями эксплуатации, требуется аттестация свойств в разных температурно-скоростных режимах испытаний.
В связи с этим цель настоящей работы - в условиях статических и динамических нагружений в широком интервале температур провести аттестацию механических свойств и характеристик процесса разрушения низкоуглеродистой стали 12ГБА, улучшенной воздействием интенсивной теплой прокатки. Провести сравнительный анализ свойств с исходным крупнозернистым (КЗ) состоянием.
Механические испытания на статическое растяжение проведены на установке типа Поляни в интервале температур Тисп от +20 до -196 °С. Ударные испытания на изгиб стандартных образцов 10x10x55 мм с V-об-разным надрезом проводили на маятниковом копре INSTRON MPX 450 в диапазоне Тисп от +20 до -70 °С с записью диаграмм разрушения в координатах «усилие F - перемещение бойка S». Построены зависимости характеристик прочности и пластичности, ударной вязкости разрушения, работ зарождения и распространения трещин от температуры. С использованием растрового электронного микроскопа марки Philips SEM 515 детально исследованы стадийность продвижения трещины и микромеханизмы разрушения на каждой стадии.
После обработки стали интенсивной теплой прокаткой по режиму, описанному в [1], была получена ультрамелкозернистая полосовая структура со средними размерами зерна d = 2,4 мкм и субзерна d = 0,2-0,5
мкм. Общая плотность границ зеренно-субзеренной структуры при этом увеличилась в ~ 8 раз по сравнению с КЗ состоянием. Изменилось соотношение боль-шеугловых и малоугловых границ зерен за счет роста последних. Еще одной особенностью структурного состояния обработанной стали является изменение пластинчатой морфологии карбидной фазы в перлитных зернах на глобулярную, а также формирование однокомпонентной текстуры {111}<101>, характерной для текстуры плоской деформации а-фазы. Такая текстура более других способствует повышению пластичности и, как следствие, реализации вязких микромеханизмов разрушения.
РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
В ходе испытаний на растяжение при комнатной температуре обнаружено, что применение интенсивной прокатки стали приводит к повышению ее пределов текучести а0д почти в 2 раза и прочности ств ~ на 25 % (табл. 1). При этом пластичность стали епол сохранилась на достаточном уровне (епол = 16,4 %). С понижением Тисп до -80 °С в обоих исследованных состояниях стали прочностные и пластичные характеристики меняются слабо. Однако с дальнейшим уменьшением Тисп от -80 до -196 °С прочностные свойства обработанной стали возрастают ~ на 45 %, в то время как в стали с КЗ состоянием наблюдали рост показателей ст0д и ств более чем в 2 раза (табл. 1). Интенсивный рост предела текучести стали в КЗ состоянии происходит вследствие резкого увеличения напряжения Пайрлса-Наббаро (сопротивление решетки металла движению свободных дислокаций) при снижении Тисп. Слабой температурной зависимости предела текучести в стали после прокатки способствуют дефектная зеренно-субзеренная структу-
Таблица 1
Механические характеристики стали 12ГБА
Т, Тисп, °С Исходная сталь Об работанная
^0,2, МПА СТв, МПА £пол, % ^0,2, МПА СТв, МПА £пол, %
+20 310 580 27 600 740 16,4
-80 360 640 26 675 810 16
-196 880 1140 19 870 1025 13
= +20 °С
90 °С
Рис. 1. Микромеханизмы разрушения стали 12ГБА: а, б) КЗ состояние; в, г) - после прокатки
ра, в которой облегчено дислокационное скольжение, эффект снижения от перлитного упрочнения вследствие трансформации пластинок цементита в глобули, а также формирование благоприятной текстуры.
При исследовании поверхностей разрушения образцов стали в КЗ состоянии после испытаний при комнатной температуре обнаружен вязкий, ямочный микромеханизм разрушения (рис. 1а). По всей поверхности излома наблюдали ямки воронкообразного типа параболической формы диаметром до 25 мкм, что сопоставимо с размером зерен. Ямки глубокие, что свидетельствует о большой степени пластического течения в месте разрушения, т. е. большой вязкости разрушения. При снижении Тисп данный микромеханизм сохраняется, но плотность и глубина ямок уменьшаются, появляются низкоэнергоемкие микромеханизмы разрушения типа расслоения и трещины с «ручьистым» изломом на их берегах. При температуре жидкого азота вязкий микромеханизм разрушения полностью заменяется транскристаллитным хрупким сколом (рис. 1б). Таким образом, резкий рост предела текучести приводит к хрупкому разрушению крупнозеренной стали при Тисп = -196 °С.
Характер разрушения прокатанной стали при комнатной температуре также вязкий, путем порообразования (рис. 1в). Размеры ямок составляют 2-5 мкм, что согласуется с величиной среднего размера зерен. С уменьшением Тисп в изломе появляются широко раскрытые вязкие трещины (рис. 1г), стенки которых покрыты периодично расположенными ступеньками соскальзывания. Плотность трещин с приближением к
Тисп = -196 °С возрастает, но вязкий характер их раскрытия сохраняется.
РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Испытания на ударный изгиб позволяют оценить поведение материала в более «жестких» условиях на-гружения. Из общего вида диаграмм разрушения обработанной стали видно, что в интервале температур Тисп = +20 ^ -20 °С образцы разрушаются с большой величиной энергоемкости разрушения, характеризующейся площадью под кривой ударного нагружения (рис. 2а). По мере снижения Тисп величина нагрузки, необходимая для зарождения трещины, уменьшается и смещается в сторону меньших значений S. В интервале от -20 до -70 °С наблюдается резкое снижение величины энергоемкости процесса разрушения (рис. 2а).
Температурные зависимости полной работы разрушения Аобщ, работ зарождения Аз и распространения трещины Ар равных, соответственно, полной площади под кривой нагружения, площадям под восходящей и нисходящей частями кривой ударного нагружения, представлены на рис. 2б. В интервале Тисп от +20 до -20 °С на работу зарождения трещины затрачивается = 1/6 от общей работы разрушения (рис. 2б), тогда как в интервале от -40 до -70 °С работа Аз близка к нулю, что свидетельствует о низкой способности материала к релаксации напряжений путем пластической деформации. При температурах испытания от -40 до -70 °С работа распространения трещины превышает работу зарождения трещины = в 12 раз, поэтому в данном интервале температур общая энергия разрушения определяется главным образом скоростью распространения трещины.
Обработка стали 12ГБА теплой прокаткой в интервале температур испытания от +20 до -20 °С привела к повышению ударной вязкости разрушения KCV = в 3 раза по сравнению с исходным состоянием (рис. 3а).
IоГ / о
Так, KCV+ необработанной стали = 1 МДж/м , а KCV+20 °С стали после прокатки = 2,8 МДж/м2. Такие высокие величины KCV соответствуют значениям ударной вязкости, предъявляемым к современным трубным сталям класса прочности К60-К65 (KCV = 3,0 МДж/м2). Повышению показателей KCV способствуют измельчение зеренной структуры стали, а также более благоприятные с точки зрения сопротивления процессу разрушения - глобулярная форма карбидов в перлите и текстура прокатки {111 }<101>. При снижении Тисп величина KCV обработанной стали уменьшается, при этом ее значения на = 50 % выше, чем KCV стали в исходном состоянии (соответственно, KCV-40 °С = 0,9 МДж/м2
JT\i 1 т„чл
{U ^
у \
$ \
«
d
<1 I-
Vdla*
V
t
UqtCMl'IIKHliC.4M
а)
б)
Рис. 2. Диаграммы ударного нагружения образцов стали 12ГБА: а) после теплой прокатки; б) температурные зависимости общей работы разрушения (4оещ), работ зарождения (Аз) и распространения трещины (Ар)
б
г
Рис. 3. Температурные зависимости ударной вязкости стали 12ГБА: а) кривая 1 - КЗ состояние [2], кривая 2 - после теплой прокатки; б) изломы стали после испытаний на ударный изгиб при +20 °С; в) изломы стали после испытаний на ударный изгиб при -70 °С
В отличие от этого, в образцах после испытаний при -20 ^ -70 °С утяжка и «губы» среза практически отсутствуют (рис. 3а). Микростроение излома таких образцов свидетельствует о хрупком микромеханизме разрушения транскристаллитным сколом (рис. 3в). Небольшие вязкие участки разрушения наблюдаются только в области надреза. Таким образом, резкий спад на кривой температурной зависимости ударной вязкости (рис. 3а, кривая 2) связан со сменой микромеханизма разрушения от вязкого к хрупкому.
Смену микромеханизма разрушения при низких Тисп, по-видимому, могут вызывать повышенные напряжения на границах вытянутых зерен. Для их снижения проводят дополнительный отжиг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В результате структурных изменений в стали 12ГБА после теплой прокатки ее предел текучести повышается почти в 2 раза, а ударная вязкость KCV = в 3 раза по сравнению с исходным состоянием при испытаниях в интервале температур от -10 до -20 °С. Тхв прокатанной стали смещается в область более низких температур (на 5 °С).
2. В условиях испытаний на статическое растяжение изломы обработанной стали характеризуются вязкими микромеханизмами разрушения вплоть до криогенных температур. В более жестких условиях испытания ударным изгибом вязкий микромеханизм разрушения сохраняется лишь в интервале от +20 до -20 °С. С дальнейшим понижением температуры происходит смена микромеханизма разрушения на транкристал-литный скол.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
и KCV = 0,5 МДж/м ). Температура вязко-хрупкого перехода Тхв для стали после теплой прокатки смещается на 5 °С в сторону отрицательных температур.
Совместный анализ фрактографических исследований и диаграмм разрушения дополняют представления о процессе разрушения стали. Так, для образцов, испытанных при температурах от +20 до -20 °С, макрокартина излома характеризуется большой степенью утяжки на боковых гранях (рис. 3а), отражающей макропла-стическую деформацию образца при вязком разрушении. Вязкое разрушение также подтверждают наличие однородной сдвиговой зоны (характерной для высоковязких сталей) и обширные зоны «губы» среза и доло-ма в периферийных областях. Во всех зонах наблюдается ямочный микромеханизм разрушения (рис. 3б) с разной морфологией и размером ямок.
1. Derevyagina L.S., Panin V.E., Korznikov А.У., Gordienko A.I. Meso-and Microstructural Features of Steel 12GBA Produced by Different Methods of Thermomechanical Treatment // Advanced materials with hier archical structure for new technologies and reliable structures, AIP Conference Proceedings / ed. by V.E. Panin, S.G. Psakhie, V.M. Fo-min. N. Y., 2015. V. 1683. 020037-020040.
2. Сафаров И.М., Сергеев С.Н., Галеев Р.М., Корзников А.В., Глад-ковский С.В., Бородин Е.М., Пышминцев И.Ю. Прочность и ударная вязкость низкоуглеродистой стали 12ГБА с волокнистой УМЗ-структурой // ФММ. 2014. Т. 115. № 3. С. 1-9.
БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы выражают благодарность доктору технических наук А.В. Корзникову за образцы стали 12ГБА после интенсивной теплой прокатки, предоставленные для исследования.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 620.178.746.22, 620.172.24
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-962-965
FRACTURE SPECIFICS OF TUBE STEEL WITH ULTRA-FINE GRAIN STRUCTURE UNDER STATIC AND DYNAMIC LOADING
© L.S. Derevyagina, A.I. Gordienko
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, Russian Federation,
e-mail: lsd@ispms.tsc.ru
The viscous fracture under the static tension was found to retained in low-carbon steel 12GBA after severe warm rolling up to the test temperature T = -196 °C. On the contrary, brittle fracture micromechanism occurs in the coarse-grained steel. In more severe conditions of impact bending test the viscous fracture microme-chanics are remained in the rolled steel in the temperature range from T +20 to -20 °C the value of the impact strength (KCV+20 °c = 2.8 MJ/m2) is = 3 times higher than the one for the coarse-grained steel. However, cleavage fracture is observed in the rolled steel in the temperature range from -20 to -70 °C the value of the rolled steel impact strength sharply reduces (KCV-40 °c = 0.9 MJ/m2). Key words: low-carbon steel; warm rolling; micromechanics of fracture; impact strength.
REFERENCES
1. Derevyagina L.S., Panin V.E., Korznikov A.V., Gordienko A.I. Meso- and Microstructural Features of Steel 12GBA Produced by Different Methods of Thermomechanical Treatment. Advanced materials with hier archical structure for new technologies and reliable structures, AIP Conference Proceedings. New York, 2015, vol. 1683, 020037-020040.
2. Safarov I.M., Sergeev S.N., Galeev R.M., Korznikov A.V., Gladkovskiy S.V., Borodin E.M., Pyshmintsev I.Yu. Prochnost' i udarnaya vyazkost' nizkouglerodistoy stali 12GBA s voloknistoy UMZ-strukturoy. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2014, vol. 115, no. 3, pp. 1-9.
GRATITUDE: The authors appreciate doctor of technics A.V. Korznikova for the steel examples 12GBA after intensive warm rolling provided for the research.
Received 10 April 2016
Деревягина Людмила Сергеевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, e-mail: lsd@ispms.tsc.ru
Derevyagina Lyudmila Sergeevna, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Leading Research Worker, e-mail: lsd@ispms.tsc.ru
Гордиенко Антонина Ильдаровна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, e-mail: mirantil@sibmail.com
Gordienko Antonina Ildarovna, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Junior Research Worker, e-mail: mirantil@sibmail.com
