CC BY
89
Особенности развития пластической деформации на мезо-и макромасштабном уровнях при растяжении образцов нержавеющей стали 12Х18Н9Т, содержащих сварной шов и подвергнутых ультразвуковой ударной обработке
С.В. Панин, В.А. Клименов, О.Н. Нехорошков, В.Е. Панин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
В работе исследовали особенности развития пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в различных зонах сварного соединения стали 12Х18Н9Т, подвергнутой ультразвуковой ударной обработке, при растяжении. Показано, что ультразвуковая ударная обработка обусловливает повышение предела текучести исследованных образцов в два раза по сравнению с необработанными при равенстве величин их относительного удлинения. Выявлено, что сварной шов вовлекается в пластическое течение как единый структурный элемент, испытывающий относительно оси растяжения “знакопеременный изгиб” с формированием в зоне термического влияния деформационной макроструктуры в форме “креста” из двух сопряженных макрополос локализованной деформации. Развитие деформационного рельефа в обработанных ультразвуком образцах нержавеющей стали начинается значительно позже, чем в необработанных, однако вид рельефа при глубоких степенях деформации аналогичен рельефу необработанных образцов.
1. Введение
Данные экспериментальных исследований, проводи-
мых в последнее время в рамках методологии физичес-
кой мезомеханики, выявили особую роль поверхност-
ных слоев нагруженного материала в процессах зарождения и развития пластической деформации [1]. При этом особо отмечается, что изменение состояния поверхностного слоя может кардинально изменять лидирующий масштабный уровень развития пластической деформации, а также ее носители, обусловливая, в конечном итоге, изменение механических характеристик материала. Систематизированное описание этого вопроса проведено в работах [2, 3], в которых зарождение и развитие пластического течения от поверхности образцов пластичной конструкционной стали было блокировано ионным азотированием поверхностных слоев материала. В результате пластическая деформация с самого начала зарождалась и развивалась на мезо- и макромасштабных уровнях путем распространения мезо- и макрополос локализованной пластической деформации.
В работе [4] в поверхностных слоях образцов малоуглеродистой стали специальной обработкой ультразвуком с последующим низкотемпературным отжигом
была сформирована субмикрокристаллическая структура (0.3-0.5 мкм). Размер зерен поликристалла в объеме образца составлял ~10 мкм. При растяжении таких образцов на поверхности обнаружены мезополосы локализованной деформации, распространяющиеся по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Деформирующие напряжения при этом значительно возрастали.
Широкое промышленное использование ультразвуковой обработки в настоящее время обусловлено, прежде всего, возможностью повышения сопротивления усталости сварных соединений. Так, в [5] было показано, что ультразвуковая обработка предотвращает возникновение усталостных трещин в области сварных швов и на границе сплавления “шов - основной метал” при числе циклов нагружения 2 • 106. В качестве основной причины, предопределяющей повышение усталостной долговечности обработанных ультразвуком сварных соединений, в работе [6] называют перераспределение остаточных напряжений в сварном шве при поверхностной ультразвуковой обработке. В работе [7] описаны подобные результаты, когда при ультразвуковой ударной обработке стыковых сварных соединений был уве-
© Панин С.В., Клименов В.А., Нехорошков О.Н., Панин В.Е., 2001
личен предел их циклической выносливости на 20-25 % при нагружении в воздушных и коррозионных средах. Причиной такого результата авторы данной работы считают возникновение при ультразвуковой ударной обработке остаточных сжимающих напряжений. Одновременно ультразвуковая ударная обработка позволяет повышать износостойкость и снижать ползучесть обработанных изделий [8, 9]. Однако ни в одной из работ [4-9] не рассматривается роль деформационной субструктуры в поверхностном слое в зарождении и распространении усталостных трещин, а все обсуждение проводится в терминах распределения и релаксации остаточных напряжений (подход механики сплошной среды).
В работе [10] исследовалось влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и механические характеристики титанового сплава ВТ 1 -0, имевшего поли-кристаллическое и наноструктурное состояние. При этом интерпретация результатов проводилась с позиций физического металловедения.
Попытки проследить влияние ультразвуковой ударной обработки на характер развития мезоскопической пластической деформации образцов алюминиевого сплава АМц 1.6 и малоуглеродистой стали Ст 3 при статическом растяжении предпринимались в работах [11, 12]. В первом случае было выявлено, что ультразвуковая ударная обработка повышает предел текучести алюминиевого сплава в два раза, одновременно вдвое уменьшая его относительное удлинение. Развитие пластической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностно упрочненных образцах АМц 1.6 при их растяжении проявлялось на поверхности боковой грани в виде формирования продольных складок длиной несколько сотен микрон. В образцах стали Ст 3 воздействие ультразвуковой ударной обработки в меньшей степени повышало прочностные характеристики: микротвердость на поверхности увеличивалась в 1.5 раза при глубине проработки около 150 мкм. Деформационный рельеф мезоскопического масштаба на поверхности боковой грани имел вид “продольных слоев”, выявляемых как по расфокусировке оптических изображений, так и по картинам распределения векторов смещений. Таким образом, высокая плотность дефектов в приповерхностном слое образцов, обработанных ультразвуком, обуславливает отличие характера развития пластического течения в нем по сравнению с материалом в объеме образца и сопровождается формированием по границам между “продольными слоями” складок экструдированного материала [11].
Тем не менее, результаты оптико-телевизионных исследований, представленные в работах [11, 12], так и не позволили детально вскрыть влияние ультразвуковой ударной обработки на механизмы развития пластического течения в обработанных материалах. Причиной
этого, скорей всего, являлась макрооднородная пластическая деформация на микромасштабном уровне, вуалировавшая следы развития деформации мезомасш-табного уровня (фиксируемые с помощью оптико-телевизионного комплекса TOMSC). Введение в образец сварного шва позволяет создавать в нем несколько зон, имеющих различную внутреннюю структуру с достаточно большими размерами ее элементов и протяженными границами раздела. В результате, влияние ультразвуковой ударной обработки может выявляться не только по изменению интегральных механических характеристик, но и путем наблюдения изменения деформационного рельефа в приповерхностном слое и на внутренних границах раздела, формирующегося на ме-зо- и макромасштабных уровнях.
Впервые в рамках методологии физической мезо-механики рассмотрение влияния ультразвуковой ударной обработки на поведение конструкционных сталей со сварными соединениями в условиях статических и циклических нагрузок проведено в ИФПМ СО РАН группой В.С. Плешанова. В работе [13] было показано, что ультразвуковая ударная обработка стали 12Х1МФ приводит к незначительному повышению прочностных характеристик при снижении пластичности на ~10 %. При этом наблюдалось повышение микротвердости поверхности на 25-30 %, циклической долговечности в 4-5 раз, а также возрастание сопротивления ползучести. В зоне основного металла происходило измельчение зерен в 3-4 раза, в зоне сварного шва такое измельчение наблюдалось в значительно меньшей степени. Область поверхностного увеличения микротвердости распространялась в основном металле на глубину —150 мкм, в зоне термического влияния — на 240 мкм и в сварном шве — на 60-70 мкм [13]. Увеличение усталостной прочности обработанных ультразвуком образцов обьяс-нялось более поздним формированием деформационных мезоструктур вследствие упрочнения поверхности. Незначительное повышение прочностных характеристик при статическом растяжении авторы указанной работы связывают с поверхностным наклепом в зонах сварного соединения.
Целью данной работы было исследование особенностей развития пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в различных зонах сварного соединения стали 12Х18Н9Т, подвергнутого ультразвуковой ударной обработке.
2. Материал и методика исследований
В качестве материала исследований была выбрана нержавеющая сталь 12Х18Н9Т, которая характеризуется высокой пластичностью и прочностью, а также значительным деформационным упрочнением: различие величин предела текучести и прочности составляет около 600 МПа.
Рис. 1. Структура основного металла образца стали 12Х18Н9Т, подвергнутого ультразвуковой ударной обработке; боковая грань. х 750
Формирование сварного шва производилось в среде аргона путем сварки встык (без разделки кромок сварного соединения). Для ультразвуковой ударной обработки использовалась установка “Гефест”, имеющая потребляемую мощность Ж = 0.63 кВт. Выходные параметры установки: частота ультразвуковых колебаний Г =22 кГц, амплитуда колебаний рабочей части волновода \ = 20-40 мкм. Деформирующие элементы в форме цилиндров диаметром 4 мм и высотой 20 мм прижимались к обрабатываемой поверхности со статической нагрузкой 250Н.
Изменение механических характеристик приповерхностного слоя, произошедшее в результате ультразвуковой ударной обработки, оценивали путем измерения профилей микротвердости, при удалении от поверхности вглубь обработанного ультразвуком образца. Величина нагрузки, прикладываемой к пирамидке Виккерса, составляла 50 грамм. Металлографические исследования текстуры зерен проводили путем химического травления поверхности раствором: 1 часть Н20 + + 1 часть ОТ + 3 части HN0з. Идентификацию зон сварного соединения проводили путем измерения микротвердости вдоль оси образцов, не обработанных ультразвуком и подвергнутых поверхностной обработке: от центра шва по направлению к основному металлу.
Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические характеристики образцов проводили путем анализа кривых “напряжение - деформация” при растяжении. Нагружение образцов в режиме одноосного статического растяжения со скоростью 0.05 мм/мин осуществляли с использованием механической испытательной машины ИМАШ-20-78. Наблюдение процессов пластической деформации проводили на боковой грани образцов с использованием оптикотелевизионного измерительного комплекса ТОМ^С. Характер развития пластической деформации на мезо-и макроскопических уровнях изучали путем анализа по-
строенных полей векторов смещений, картин распределения сдвиговой и поворотной компонент тензора пластической дисторсии 8^ и Ю2.
Развитие пластической деформации на макромасштабном уровне наблюдали путем построения монтажей оптических изображений поверхности боковой грани образца со сварным швом. Монтажи снимались с помощью комплекса TOMSC при последовательном увеличении степени пластической деформации. Во время съемки растяжение образца кратковременно прекращалось.
В работе описано поведение образцов со сварным соединением, подвергнутых ультразвуковой ударной обработке по следующим режимам:
• образец без ультразвуковой ударной обработки (образец I);
• образец, подвергнутый ультразвуковой ударной обработке по всей длине рабочей части (образец II);
• образец, в котором ультразвуковой ударной обработке подвергался только сварной шов (образец III);
• образец, в котором ультразвуковой обработке подвергли лишь половину образца: от галтельного перехода до середины сварного шва (образец IV).
3. Результаты эксперимента
Результаты проведенных исследований показали, что после ультразвуковой ударной обработки происходит значительное изменение структуры приповерхностного слоя. Размер зерна составляет около поверхности —0.5—1 мкм, на расстоянии 20 мкм от поверхности— 3—5 мкм, в основном объеме образца — около 7—10 мкм (рис. 1).
Характер изменения структуры стали 12Х18Н9Т после ультразвуковой ударной обработки оценивали также по оптическим изображениям поверхности плоской грани, подвергнутой ультразвуковой обработке (рис. 2). Представленные на рис. 2 фотографии свидетельствуют
Рис. 2. Структура основного металла образца стали 12Х18Н9Т со сварным соединением, не обработанного ультразвуком (а) и подвергнутого ультразвуковой ударной обработке (б); плоская грань. х 1000
о том, что в результате ультразвуковой ударной обработки в исходных зернах формируется субзерен-ная структура.
Измерение микротвердости показало, что ультразвуковая ударная обработка повышает микротвердость приповерхностного слоя от 2400 до 3700 МПа (рис. 3, а). При этом глубина приповерхностного слоя, на которой выявляется изменение микротвердости, составляет около 600 мкм. Более подробно результаты исследований структуры и фазового состава обработанных ультразвуком образцов стали 12Х18Н9Т описаны в работе [14].
Оценку влияния ультразвуковой ударной обработки на основные зоны образца со сварным швом, равно как и идентификацию самих основных областей сварного соединения (равноосных зерен — 1, крупных денд-ритов — 2, зоны термического влияния — 3 и основного
металла — 4) проводили путем измерения микротвердости. Результаты измерений представлены на рис. 4. Видно, что обработка ультразвуком приводит к повышению микротвердости во всех зонах образца со сварным соединением, однако характер распределения микротвердости в отдельных зонах при этом значительно меняется. Сравнение приведенных кривых свидетельствует о том, что после ультразвуковой ударной обработки микротвердость в зонах равноосных зерен и крупных дендритов непрерывно уменьшается от 3700 до 3100 МПа, в то время как в необработанной части образца она постоянна в пределах каждой из этих зон. Изменение микротвердости в зоне термического влияния в обработанном образце вместо зависимости с минимумом (соответствующим центру зоны термического влияния в необработанном образце и имеющим значение = 2000 МПа), характеризуется сначала
Н50, МПа
Расстояние от поверхности
Степень деформации
Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине образца стали 12Х18Н9Т в центре сварного шва после ультразвуковой ударной обработки (а); кривые “напряжение - деформация” образцов со сварным швом стали 12Х18Н9Т (б): 1 — обработанный ультразвуком образец, 2 — необработанный образец
Н50, МПа
- 1 1 Iі 1| 1 1 1 1 1 І І І/\ _
g 2400 - О ■
Ш!\
Q. -CD ш - і і \ г
і і \ /
2200 - ^ . S ^ - СО см 4 '
2000 - 1 1 ■ 1 I- 1 1 1 0 • 1
О 1000 2000 3000 К, мкм
Расстояние от центра шва
Н50, МПа
Расстояние от центра шва
Рис. 4. Распределение микротвердости в образце со сварным швом, не обработанном ультразвуком (а) и после ультразвуковой ударной обработки (б); 1 — область равноосных зерен, 2 — область крупных дендритов, 3 — зона термического влияния, 4 — основной металл
некоторым уменьшением (от 3200 до 3100 МПа) с последующим возрастанием до 3250 МПа. Микротвердость в зоне основного металла имеет величину порядка 3150 МПа. Существенно, что после ультразвуковой ударной обработки уровни микротвердости в зоне термического влияния и в зоне основного металла оказываются близкими.
Испытания на одноосное статическое растяжение показали, что предел упругости образцов, подвергнутых ультразвуковой ударной обработке, повышается в два раза по сравнению с необработанными образцами (от 190 до 390 МПа). С увеличением степени деформации кривые а—8 для не обработанных ультразвуком и обработанных образцов сближаются (рис. 3, б). Величины относительного удлинения образцов, подвергнутых ультразвуковой обработке и без таковой, примерно одинаковы и составляют 8 ^ 35 и 37 % соответственно. Предел прочности образцов обоих типов примерно одинаков и составляет 840 МПа.
Различие структуры поверхностно упрочненных и не обработанных ультразвуком образцов наглядно выявляется в характере развития пластической деформации на мезо- и макроскопическом масштабных уровнях. Последний оценивался путем наблюдения деформационного рельефа на монтажах поверхности боковой грани образца со сварным соединением (рис. 5). Такие монтажи оптических изображений образца со сварным соединением, половина которого была с двух сторон обработана ультразвуком (образец IV), представлены на рис. 5.
Из рис. 5 видно, что ультразвуковая ударная обработка в значительной степени задерживает формирование деформационного рельефа в подвергнутой поверхностной обработке половине образца. Это характерно для всех трех основных зон образца — материала шва, зоны термического влияния и основного металла. При малых степенях деформации (рис. 5, а) деформа-
ционный рельеф наиболее интенсивно проявляется в зоне термического влияния на половине образца, не обработанной ультразвуком (рис. 5, а, слева). На половине образца, подвергнутой ультразвуковой ударной обработке, деформационный рельеф выражен слабо. Однако в зоне термического влияния появляются следы двух сопряженных макрополос локализованной деформации, которые интенсивно развиваются по мере дальнейшего нагружения.
По мере увеличения степени деформации на половине образца, не обработанной ультразвуком, в значительной мере проявляются крупные дендритные зерна длиной до 800 мкм (слева от центра сварного шва), а в зоне термического влияния происходит локализация пластической деформации (рис. 5, б). На упрочненной половине образца при этом в зоне термического влияния резко усиливаются две полосы макролокализации деформации в сопряженных направлениях ттах (на рис. 5, б они обозначены белыми стрелками). Поскольку использовавшееся увеличение оптической системы позволяет наблюдать только половину поперечного сечения образца, на рис. 5 представлена только верхняя половина сопряженных полос макролокализации в зоне термического влияния. Полная картина сопряженных макрополос локализации деформации имеет вид “креста”. Один край каждой из макрополос такого “креста” расположен на границе раздела “шов — зона термического влияния”.
По мере последующего нагружения образца в пластическую деформацию интенсивно вовлекается половина образца, обработанная ультразвуком. При степени деформации 8 > 15 % деформационный рельеф в области дендритных зерен сварного шва, зоны термического влияния и основного металла на обеих половинах образца в целом “выравнивается” и выглядит аналогично.
Исследование полей векторов смещений, построенных с помощью комплекса TOMSC, позволило проследить следующие закономерности развития пласти-
Не обработано ультразвуком Обработано ультразвуком
Зона термического Крупные дендриты Равноосные Крупные Зона термического Основной
влияния зерна дендриты влияния металл
Рис. 5. Монтажи оптических изображений образца стали 12Х18Н9Т со сварным соединением, правая половина которого обработана ультразвуком, снятые при различных степенях деформации; боковая грань; белая пунктирная линия разделяет обработанную (справа) и не обработанную ультразвуком (слева) части образца; 8 = 3 (а); 4.7 (б); 6.3 (в); 11.9 % (г). х 25
ческой деформации мезомасштабного уровня. В образцах, не обработанных ультразвуком, пластическая деформация более локализованно развивается на двух внутренних границах раздела: “равноосные зерна в центре шва - дендритные зерна”, “сварной шов - зона термического влияния”. Причем в процессе нагружения локализация деформации слева и справа от центра сварного соединения развивается по схеме фазовой волны [15].
На рис. 6 представлены поля векторов смещений, соответствующие оптические изображения и распределение сдвиговой и поворотной компонент тензора дисторсии, рассчитанное по нормали к направлению приложенной силы для не обработанного ультразвуком образца, полученные в области границы раздела между зоной крупных дендритов и зоной термического влияния (образец I). Приведенные оптические изображения (рис. 6, г, Э) свидетельствуют о том, что деформационный рельеф по глубине образца выражен равномерно. При этом в некоторых дендритных зернах ярко выражены сдвиги по направлению т тах. Это сопровождается экструзией данных ламелей, что видно при сравнении рис. 6, г, Э. Значительная локализация деформации в отдельных крупных дендритах подтверждается картиной распределения векторов смещений (рис. 6, в), где видно, что длина векторов внутри дендритов значительно превосходит таковую для окружающего материала. Направление векторов смещений в каждой локальной области образца меняется в ходе пластической деформации: оно может совпадать с одним из направ-
лений ттах или определяться векторной суммой смещений по двум сопряженным направлениям ттах (как это имеет место для вертикально ориентированных векторов для нижнего дендрита на рис. 6, в). Расчет сдвиговой и поворотной компонент тензора пластической дис-торсии в области экструдируемых дендритных зерен (рис. 6, Э) показал значительный всплеск значений этих параметров в области этого дендритного зерна (рис. 6, е). Данный факт свидетельствует о действии сильных поворотных моментов в локальных зонах экструдируемых дендритов.
На рис. 7 представлены оптические изображения и соответствующие поля векторов смещений для границы раздела “крупные дендритные зерна - зона термического влияния” в обработанном ультразвуком образце (образец II). Приведенные оптические изображения показывают, что в таком образце деформационный рельеф на границе раздела “зона термического влияния — крупные дендриты” (рис. 7, в) выражен в меньшей степени по сравнению с тем же участком необработанного образца (рис. 6, Э). В то же время, как на оптических изображениях, так и на полях векторов смещений выявляются три направления векторов: два из них ориентированы вдоль сопряженных направлений т тах, а третье является их векторной суммой и имеет только вертикальную составляющую. Следует отметить, что векторы смещений, имеющие только вертикальную составляющую, на рис. 7, б, г (для двух степеней деформации 3.6 и 6.7 %) ориентированы в противоположных направлениях. Это свидетельствует о поперечном “знакопере-
Рис. 6. Поля векторов смещений (а-в), соответствующие оптические изображения (г, Э), а также распределение сдвиговой и поворотной компонент тензора дисторсии по столбцу поля векторов (е) на границе раздела “зона термического влияния - крупные дендриты” в образце без ультразвуковой ударной обработки; начало координат на рис. 6, е соответствует нижнему краю изображения (рис. 6, Э), черная линия на рис. 6, в соответствует столбцу, распределение компоненты ю2 вдоль которого представлено на рис. 6, е: 8 = 2.3 (а, г); 5.1 (б); 7 % (в, Э, е). х 100
. .'V.w 1 . .
І ! ! ! ! і ІІ ! і * і * 1111 ^ Si і і .'VI і Si І SI І
1 SSSI і 1 SI І SSI 11111 і . і 1 1 1 1 1 1
1 і 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
.1 J SI 1 У і
1 .1 1 '
1 1 1 і 1111 1111 .111 .111 SI 1 1
1111 1111 1111 І J1 1 . J 1 1 J J1 1 1 Л 1 1 1 У: 1111 .4 11 1111 1111 4 111 1111 1111 1111
111111111 — . SSl J S.1 1 1 . . „ „ 1 . . . 1 11". 1 .
1 . . і . 1 1 1 1 і SSl 1 1 -1 1 -Л SSJ SS-1 1 _1 1 1 1 . . _L 1 1 1 . 1 1-
1 i ^ І І i . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 SSl 1 i 1 1 1 1 1 1 1 „ . 1 1 1 1 1 1 1
.Л 1 I i 1 1 . _ 1 1 1 1 1___-1 1 1 1 .'Vi 1 i . . 1 1 1 1 1 і I J ................1
-v-v-i i 1 1 i J 1 1 1 1 I 1 l i -У./1 1 . . J i . 1 1 1 1 1 1 1 І 1 1 SI J . . i 1
1 . 1 1 1 1 1 J 1 1 1 1 1 J J 1 1 1 1 1 - J SI 1 1 1 1 1 1 1 SSl 1 1 ^1 1 1 >,
-^1 i 1 i i 1 i . 1 1 1 1 ——i 1-1 1 i 1 i-V. . УІ 1 1 ^^^-1 J 1 1 1 l -¡^
1 І І 1 ^1 SSJ 1 1 1 1 I y ^J y^ 1 ^^SS^Sy^J 1 1 ^SSJ ; 1 1
Г ^!! ¡ i! si! ¡ 1 ¡! ҐҐ í ¡ " ы ! í ГоГ ÍTjii ^777ІЛ ^ w ssCCst-A.
i i ^ ^ і і і і і і i i i ✓ ^ J J i ✓ і i i 4 i i 1 J " J 1
í i í Г í 11!! 7VÁ ! í Г ¡ ¡ 7777777^ jjC777^ 7\ Г 7tY) LCÚ í ІИ
"‘І11іГ,',‘Іі1'1і',',іГ w'w"ssssJ f f ¡—j j 1 1 Jj ^ i>*
ї 111 ї 1'ш. 7Ш. Aí 1 í 7t í l XC"ss*, í í ss,l 7s7777^js7^^t\
i l SJl l i i i J , ^-J SSJ SS^- І 1 J SSSS-1 1
kl*klS*k.***kJJ*J S^ 1 ^ J SSSs ^....lll^l ^SJ 1 1 1\
І l l i *J S. .l^j'll.-j'l.-j'.^ .''.'Vi . — . 1 1 1 1 i.
.lllij'^^^^i^ SSl J S^s S , * SS^Í li. 1111-
_1 1 І 1 SJ 1 ,- ^ ^ ./Vi ^ У— ^i/y.iW^M.^lllL...............
■ l J І SJ J w ^ ^ ^ SSJ 1 SJJjjí SSІ І 1 1 ^ l J J 1 SSS^ SI SSS-
J l^s^s^s^s's's's's's' j S*'* kj\" 's*s's''I''j'r Js's's^ JJ 1 í l's^k
І f ssÍ7: f ^/sj jssi Ísíslsfj í:: ÍÍsIjj sssss'fi t *sss^
i i . ssj ,i ji sssj i i ^ i ^ ^ i i і i ^ > si i . j sj sss.
1 J SSJ J * J S* 1 J * 1 1 1 1 J * * J J . . r-SSSS* * * * * 1 1 ^ ^ ^ І i sssssss,
1 1 "sssssl sss's* 1 1 1 SSSSJ J ^ . .'V.'V ^ ^ tt * sí s/^A
1 ! ^ І 1 1 SSJ. SSSl 1 1 1 Z-SSSSSJ sAj * SSSS*J j7lsíí
1 ^ ^ J 1 1 1 y-í, 1 1 ^SSSl J SI 1 . ■ ■
l s. J l l l J SSS-SS* ..^11 ^SSJ ^^11.
1 лх; J J 1 SSSS- ^^111^^^^----.................
ssi ҐГ; i i ^ i j і IX sss^sssssj t! Г ^ ss'Ji i si i i Tí í _ .
1 SI 1 1 1 1 Sí 1 1 ^ l J 1 ^ ^ SSJ J SS* * Si SS*-. * 1 1 S^l J
! T !-*///////// ■ V// ■ 77/ ■ ■ T NNT--V W/ J V
- T \////////// ■ '///........\ І I V-V./V- NM ТУ ■ ■ v///¿
- ■ ■ ■ v-v-' / т,,і,,т,,/,^т /—- / / ■——- t t t г v-v vv ■ ^ —-*>
Рис. 7. Оптические изображения (а, в), соответствующие этой степени деформации поля векторов смещений (б, г) на границе раздела “крупные дендриты - зона термического влияния” в полностью обработанном ультразвуком образце; 8 = 3.6 (а, б); 6.7 % (в, г). х 100
менном изгибе” образца в зоне сварного шва в ходе увеличения степени деформации.
На рис. 8 представлены оптические изображения, соответствующие карты векторов смещений и распределение сдвиговой и поворотной компонент тензора дисторсии для не обработанного ультразвуком образца (образец I), полученные в области границы раздела между зонами равноосных зерен и крупных дендритов. На приведенных оптических изображениях видно, что деформационный рельеф в области дендритных зерен выражен значительно сильнее, нежели в зоне равноосных зерен (рис. 8, а, г). Формирование выраженного деформационного рельефа на границе между этими сопряженными областями обусловлено действием изгибающих моментов. Данный факт подтверждается картинами распределения векторов смещений (рис. 8, б, Э) и компонент тензора дисторсии (рис. 8, в, е). Векторная сумма смещений по сопряженным направлениям ттах на рис. 8, б при 8 = 8.2 % характеризует поперечное сме-
щение данной зоны сварного шва сверху вниз. При 8 = 9.4 % эта зона сварного шва уже перемещается снизу вверх (рис. 8, Э). Это свидетельствует о “знакопеременном изгибе” сварного шва при одноосном растяжении образца. Сильно выраженные поворотные моды на границе двух зон сварного шва выявляются также на рис. 8, в, е.
Оптические изображения и соответствующие им картины распределения векторов смещений в области равноосных зерен в центре шва и границы ее раздела с областью крупных дендритов для образца, обработанного ультразвуком (образец III), представлены на рис. 9 и 10. Анализ приведенных оптических изображений показывает, что на данной границе раздела в значительной мере выражены поперечные сдвиги (рис. 9, а). Картина распределения векторов смещений, построенная для данного участка образца, свидетельствует о локальном изгибе образца, происходящем в области этой границы раздела (рис. 9, б). С другой стороны, деформаци-
Рис. 8. Оптические изображения (а, г), соответствующие этой степени деформации поля векторов смещений (б, д) и распределение поворотной компоненты тензора дисторсии по строке (в) и всей карте векторов (e) в области примыкания крупных дендритов к зоне равноосных зерен в необработанном образце; начало координат на рис. 8, в соответствует левому краю изображения (рис. 8, а), начало координат на рис. 8, e соответствует верхнему краю изображения (рис. 8, г); черная линия на рис. 8, б соответствует строке, распределение компоненты юZ вдоль которой представлено на рис. 8, в; є = 8.2 (а-в); 9.4 % (г-e). x 1OO
Рис. 9. Оптическое изображение (а) и соответствующее этой степени деформации поле векторов смещений (б) на границе раздела “равноосные зерна - крупные дендриты” в обработанном ультразвуком образце; 8 = 10.3 %. х 100
онный рельеф в зоне равноосных зерен является более выраженным по сравнению с образцом, не подвергнутым ультразвуковой ударной обработке. Оптическое изображение данного участка образца (рис. 10, а) свидетельствует о развитии процессов самосогласованной пластической деформации в пределах мезофрагментов, размер которых значительно превышает размер отдельного зерна. Формирование и движение таких мезофраг-ментов прослеживается и при анализе картин распределения векторов смещений (рис. 10, б).
В эксперименте с образцом III граница раздела между не обработанной ультразвуком и обработанной частями образца (находившаяся в области зоны термического влияния) являлась дополнительной внутренней границей раздела. Это обусловливало возникновение в этой области мезополосы локализованной пластической деформации, справа (необработанная
часть) от которой деформационный рельеф определяется зеренной структурой материала, а слева (обработана ультразвуком) деформационный рельеф является более грубым (рис. 11, г, Э). В то же время, перепады высоты между соседними структурными элементами деформации в поверхностно упрочненной части образца выше, что обусловлено усилением роли мезоуровня пластической деформации в обработанной части образца по сравнению с не обработанной ультразвуком частью (рис. 11, г, Э).
Картины распределения векторов смещений в этой области в целом подобны таковым для границы раздела “зона термического влияния — крупные дендритные зерна”: неоднородность развития пластической деформации на данной внутренней границе раздела обусловливает локальный изгиб образца, о чем свидетельствует картина распределения векторов смещений (рис. 11, б).
Рис. 10. Оптическое изображение (а) и соответствующее этой степени деформации поле векторов смещений (б) в области равноосных зерен в сварном шве в обработанном ультразвуком образце; 8 = 12.5 %. х 100
* NNV// V-
/ *4 7 в ^*^1/ / \f////- * v ✓ ✓ х
////////// Т Т- 7/ Т Т Т Т Т- "-“Vм Т Т Т " ' ' V4 т
/7/ 7/////// Т Т Т Т Т Т Т Т Т М/ т - т f f -
/// J-// 1/// Т Т-"-"-" " ■- Т-“"- .....“Ч‘
///- V////---- ■ ■ ■ Т Т----------Т-» ■ ■ ■ VT/ »
.....- Т ■ Т Т Т Т ■ ■ ■ ■ - т _/ т
---7/7/7---------------
/--7/7-- " " ■ / / -
/-////-/////- "
гв_
■---------- .1—
■ ’ т....................■
■ ’ т ■ т ■ ■ ■ Л
...................
...................................................,
Рис. 11. Поля векторов смещений (а-в), соответствующие оптические изображения (г, Э), а также распределение сдвиговой и поворотной компонент тензора дисторсии вдоль столбца поля векторов (е) на границе между обработанной и не обработанной ультразвуком частями зоны термического влияния; начало координат на рис. 11, е соответствует нижнему краю изображения (рис. 11, Э), черная линия на рис. 11, б соответствует столбцу, распределение компоненты ю2 вдоль которого представлена на рис. 11, е: 8 = 2 (а, г); 5.4 (б, Э, е); 9.5 % (в). х 100
Рис. 12. Оптическое изображение (а), соответствующее этой степени деформации поле векторов смещений (б) на границе раздела “основной металл — зона термического влияния” в не обработанном ультразвуком образце; 8 = 5.1 %. х 100
Этот изгиб вызывает встречный изгиб образца противоположного знака (см. нижний правый угол на рис. 11, б). Векторная сумма смещений по сопряженным направлениям ттах в правой части рис. 11, б обусловливает развитие деформации по схеме растяжения (рис. 11, в).
В проведенных исследованиях не удалось выявить значительных процессов локализации пластической деформации на границе раздела “зона термического влияния - основной металл”. Это относится как к необработанным, так и подвергнутым ультразвуковой ударной обработке образцам. Размер зерна для образцов обоих типов составлял в зоне термического влияния порядка 30 мкм, а для зоны основного металла — 10 мкм. Данный результат подтверждается характерным оптическим изображением (рис. 12, а) и соответствующим полем векторов смещений (рис. 12, б) в области данной границы раздела для не обработанного ультразвуком образца.
4. Обсуждение результатов
В результате проведенных исследований были выявлены следующие закономерности влияния ультразвуковой ударной обработки:
а) развитие деформации на внутренних границах раздела приобретает менее локализованный характер;
б) деформационный рельеф в области равноосных зерен и крупных дендритов является более выраженным по сравнению с образцами без ультразвуковой обработки;
в) развитие деформации на границе раздела “зона термического влияния — основной металл” не сопровождается явно выраженными процессами локализации пластического течения (выявляемыми посредством комп-
лекса TOMSC), несмотря на значительное изменение микротвердости на данной границе раздела;
г) деформационный рельеф в приповерхностном слое толщиной до 100 мкм отличается от такового для нижележащего материала.
Развитие данных процессов, скорее всего, обусловлено двумя основными типами воздействия, оказываемого ультразвуком на обрабатываемый материал:
1) наклепом приповерхностного слоя, сопровождающимся значительным измельчением зерна и увеличением дефектности приповерхностного слоя;
2) перераспределением остаточных напряжений на внутренних границах раздела, приводящим к уменьшению различия уровня остаточных напряжений на внутренних границах раздела между основными зонами материала со сварным швом [13].
Формирование приповерхностного слоя с субмик-ронной структурой препятствует эффективному развитию пластического течения на микромасштабном уровне [16]. Вовлечение механизмов пластической деформации мезоскопического масштаба проявляется на плоской поверхности в виде гофрирования [4, 11]. На боковой грани эффекты гофрирования проявляются в виде формирования в приповерхностном слое грубого деформационного рельефа, отражающего самосогласованную деформацию соседних зерен (рис. 11, Э), а также в более быстром изменении его отражающей способности (рис. 7, в).
Значительный наклеп приповерхностного слоя и формирование в нем субмикронной структуры должны являться причиной повышения предела упругости в два раза по сравнению с не обработанным ультразвуком образцом (рис. 4, б).
Уменьшение различия уровня остаточных напряжений на внутренних границах раздела после ультразву-
Рис. 13. Схематическое представление процесса формирования сопряженных макрополос локализованной деформации в виде “креста” на боковой грани образца со сварным швом, наполовину обработанного ультразвуком: Г — область равноосных зерен, подвергнутая ультразвуковой ударной обработке; 2 и 2 — зоны крупных дендри-тов, обработанные и не обработанные ультразвуком; 3 и У — области зоны термического влияния, без обработки и подвергнутой ультразвуковой ударной обработке соответственно. Пунктирная линия показывает границу между поверхностно упрочненной (справа) и необработанной (слева) частями образца
ковой ударной обработки должно при нагружении снижать степень локализации пластической деформации, что сопровождается локальным изгибом образца. При этом пластическое течение должно более интенсивно развиваться внутри зон сварного шва. Это, в частности, проявляется в виде более развитого деформационного рельефа в зоне сварного шва в образце, обработанном ультразвуком (рис. 10, а), по сравнению с той же зоной образца без ультразвуковой ударной обработки. По-видимому, вследствие этих процессов относительное удлинение образцов без ультразвуковой ударной обработки и подвергнутых таковой практически не отличается (рис. 4, б).
К сожалению, в данной работе практически не проводились структурные исследования с целью оценки влияния ультразвуковой ударной обработки на области, имеющие различную исходную структуру. Результаты подобных исследований для стали 12Х1МФ [13] выявили различную глубину изменения микротвердости в материале шва, зоне термического влияния и основном металле. При этом минимальная глубина проработки была в зоне сварного шва. В образцах стали 12Х18Н9Т размер зерна в этой зоне составлял ~100 мкм. Таким образом, основное воздействие ультразвуковой ударной обработки приходилось только на кристаллиты, расположенные около поверхности. Такая структура обработанного материала при нагружении обусловила лишь изменение деформационного рельефа в приповерхностной области толщиной до 100 мкм и незначительно сказалась на развитии пластической деформации в нижележащих слоях.
Особого внимания и дополнительного изучения заслуживает вопрос о формировании сопряженных макрополос локализованной деформации в виде креста в зоне термического влияния на обработанной ультразвуком части образца (рис. 13). Процесс формирования “креста”, по мнению авторов, протекает следующим образом. Первоначально, развитие деформации должно протекать наиболее интенсивно в области 3 (рис. 13)
вследствие значительного ее разупрочнения в процессе формирования сварного соединения (см. рис. 4, а). При этом сварной шов, имеющий более высокие прочностные характеристики, должен испытывать поворот как единый структурный элемент. Как следствие такого поворота в условиях заданной оси нагружения, на противоположном конце сварного шва возникает макроконцентратор напряжений. Он расположен в области А — на границе между зоной дендритных зерен и зоной термического влияния. Релаксация макроконцентратора напряжений происходит генерацией макрополосы АВ локализованной деформации, распространяющейся в зоне термического влияния по направлению т тах. Связанный с развитием макрополосы АВ локальный изгиб образца формирует в области С новый макроконцентратор напряжений, который генерирует макроплосу CD в сопряженном направлении ттах. При этом сварной шов испытывает поворот в противоположном направлении. В ходе растяжения образца эти два поворота развиваются по схеме автоколебательного процесса, согласуясь с развитием локализованной пластической деформации в области 3 — не обработанной ультразвуком зоной термического влияния.
Есть основания предполагать, что в не упрочненной ультразвуком зоне термического влияния деформация также развивается по схеме формирования “креста” сопряженных макрополос локализованной пластической деформации. Это обеспечивает автоколебательный характер знакопеременных поворотных мод деформации сварного соединения в ходе растяжения образца. Но высокая подвижность дислокаций на микромасштабном уровне в этой зоне термического влияния (область 3) вуалирует этот механизм деформации макромасштабного уровня. Низкая подвижность дислокаций в поверхностно упрочненном слое в зоне У позволила проследить формирование “креста” сопряженных макрополос локализованной деформации. Описанные выше знакопеременные осцилляции поперечных смещений в зоне сварного шва (рис. 7, 8) являются дополнительным косвенным свидетельством автоколебательного характера поворотов сварного шва как целого при одноосном растяжении образца.
Результаты подробного изучения обнаруженного макромеханизма деформации сварного шва будут представлены в следующей публикации.
5. Заключение
В работе выявлены механизмы деформации мезо- и макромасштабного уровня при растяжении образцов нержавеющей стали 12Х18Н9Т, содержащих сварной шов. Показано, что сварной шов при одноосном растяжении ведет себя как единый структурный элемент, испытывающий относительно оси растяжения осциллирующие повороты с формированием в зоне термичес-
кого влияния двух сопряженных макрополос локализованной деформации. Неоднородность развития пластического течения на внутренних границах сварного шва вызывает локальные изгибы образца в этих областях.
Ультразвуковая ударная обработка задерживает начало формирования деформационного рельефа в обработанных образцах. При достижении степени деформации больше некоторой критической величины пластическое течение в поверхностно упрочненных и не обработанных ультразвуком образцах развивается подобно.
Обработка образцов стали 12Х18Н9Т с помощью ультразвука обуславливает два основных макроэффекта: повышение предела текучести обработанных образцов и незначительное уменьшение относительного удлинения.
Работа выполнена при поддержке молодежного проекта СО РАН “Мезомеханика внутренних границ раздела высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий”, интеграционного проекта СО РАН “Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники”, а также в рамках Федеральной целевой научно-технической программы исследований и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения по проекту “Компьютерное конструирование градиентных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения для объектов техники энергетического и нефтегазового комплексов и разработка технологий их производства”.
Литература
1. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-24.
2. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова H.A. и др. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно-упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика.- 1998. - № 6. - С. 63-69.
3. Антипина Н.А., Панин В.Е., Слосман А.И., Овечкин Б.Б. Волны переключения макрополос локализованной деформации при растяжении // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 37-41.
4. Панин А.В., Клименов В.А., Абрамовская Н.Л., Сон А.А. Зарождение
и развитие потоков дефектов на поверхности деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 83-92.
5. КудрявцевЮ.Ф., Коршун В.Ф., Кузьменко А.З. Повышение циклической долговечности сварных соединений ультразвуковой ударной обработкой // Автоматическая сварка. - 1989. - №2 7. - С. 2428.
6. Полоцкий И.Г., Недосека А.Я., Прокопенко Г.И. и др. Снижение остаточных напряжений ультразвуковой обработкой // Автоматическая сварка. - 1974. - № 5. - С. 74-75.
7. Коломийцев Е.В., Серенко А.Н. Влияние ультразвуковой и лазерной
обработки на сопротивление усталости стыковых сварных соединений в воздушной и коррозионной средах // Автоматическая сварка. - 1990. - № 11. - С. 13-15.
8. Статников Е.Ш. Ультразвуковые методы повышения надежности сварных конструкций с длительным циклом эксплуатации // Сборник докладов конференции “Ультразвуковые технологические процессы-98”. - М., 1998. - С. 127-134.
9. Михеев П.П., Недосека А.Я., Пархоменко И.В. и др. Эффективность
применения ультразвука для повышения сопротивления усталости сварных соединений // Автоматическая сварка. - 1984. - № 3. -С. 4-7.
10. Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Дударев Е.Ф. и др. Влияние ультразвукового деформирования поверхности на структуру и механические свойства поликристаллического и наноструктурного титана // Изв. вузов. Физика. - 2000. - № 9. - N. 45-50.
11. Панин С.В., Смолин И.Ю., Балохонов Р.Р. и др. Мезомеханика границы раздела в материалах с поверхностным упрочнением и покрытиями // Изв. вузов. Физика. - 1999. - № 3. - С. 4-24.
12. Панин С.В., Клименов В.А., Коробкина Н.Н. Изучение пластической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностно упрочненых образцах с размытой границей раздела // Современные проблемы физики и технологии: Сборник статей молодых ученых. - Томск : Изд-во НТЛ, 2000. - С. 16-18.
13. Безбородов В.П., Клименов В.А., Плешанов В.С., Нехорошков О.Н., Городищенский П.А. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства сварных соединений теплостойкой стали 12Х1МФ // Сварочное производство. - 2000. - № 7. - С. 17-21.
14. КлименовВ.А., ИвановЮ.Ф., Перевалова О.Б., ТоргунаковЮ.Б., Скугарев А.И., Андриец С.П. Структура, фазовый состав и механизмы упрочнения стали 12Х18Н10Т, подвергнутой ультразвуковой обработке бойками // Физика и химия обработки материалов. -2001. - № 1. - N. 90-97.
15. Панин В.Е., Дерюгин Е.Е. Саморганизация макрополос локали-зованого сдвига и фазовые волны переключений в поликристаллах // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 77-88.
16. Панин В.Е., Деревягина Л.С., ВалиевР.З. Механизм локализованной деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-96.
