CC BY
82
І СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОПІР РУЙНУВАННЮ ТА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
УДК 539.4:620.1
Д-р техн. наук В. Ф. Терентьев1, канд. техн. наук Л. Е. Алексеева2, С. А. Кораблева1, канд. техн. наук Д. В. Просвирнин1, канд. техн. наук М. Н. Панкова2,
д-р техн. наук Г. А. Филиппов2
1 Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, 2 ГНЦ ЦНИИчермет им. И. П. Бардина;
г. Москва
СТАТИЧЕСКАЯ И УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ТРИП-СТАЛИ СИСТЕМЫ С-І\Іі-Сг
Приводятся характеристики статической и усталостной прочности трип-стали системы С-Ш-Ск Анализируются особенности изменения структурного состояния высокопрочной тонколистовой трип-стали в процессе статического и циклического деформирования в области многоцикловой усталости. На основе фрактографического анализа изломов высокопрочной стали исследуются механизмы ее усталостного разрушения
Ключевые слова: трип-стали, фазовый состав, механические свойства, усталостная прочность, фрактография разрушения
Введение
Высокопрочные стали с пластичностью, наведенной превращением, часто называют ПНП-сталями или трип-сталями (сокращение слов transformation induced elasticity - TRIP). Эти стали обладают повышенной пластичностью за счет превращения при пластической деформации аустенитной составляющей структуры в мартенсит деформации [1, 2]. К классу трип-ста-лей относятся высокопрочные коррозионностойкие мартенситно-аустенитные стали с большим содержанием никеля и хрома (например, сталь 23Х15Н5СМЗГ) [3-5]), а также низколегированные стали системы C-Si-Mn, структура которых состоит из феррита, бей-нита и остаточного аустенита [6-8]. Высокопрочные трип-стали используются в авиационной промышленности при изготовлении ответственных деталей летательных аппаратов (в частности, торсионов втулок несущих винтов вертолетов), а трип-стали системы C-Si-Mn в автомобильной и ряде других отраслей промышленности [8]. Поэтому очень важно знать особенности поведения этих сталей в условиях циклического деформирования.
Исследования [4] образцов из высокопрочной TRIP стали воздушной и вакуумной плавки (Fe-9Cr-8Ni-4Mo-2Mn-2Si-0,3C, вес. %) показали, что при многоцикловом усталостном нагружении аустенитно-мартен-
сигная трип-сталь обладает высокой циклической прочностью (предел выносливости достигает 1240 МПа) за счет повышенных прочностных и пластических свойств при статическом растяжении. Термическая обработка (в основном отпуск) по оптимальному режиму после предварительной пластической деформации может приводить к повышению стабильности аустенитной составляющей трип-стали за счет выпадения мелкодисперсных карбидов и улучшению характеристик циклической прочности и трещиностой-кости [4]. В работе [5] на тонколистовых образцах из трип- стали 23Х15Н5СМЗГ было показано, что в процессе много циклового циклического деформирования может происходить прирост количества мартенсита деформации, увеличение плотности дислокаций в аус-тените и релаксация микронапряжений.
Особенностью поведения высокопрочных сталей в области много цикловой усталости является то, что у них предел выносливости находится ниже статического предела текучести и, таким образом, фазовое превращение в трип-сталях может происходить только в интервале температур М-Мав (А/ - температура начала мартенситнош превращения, связанного с напряжением; - температура окончания мартенситнош превращения, связанного с деформацией). Кроме того, в высокопрочном состоянии в макроупругой области
© В. Ф. Терентьев, Л. Е. Алексеева, С. А. Кораблева, Д. В. Просвирнин, М. Н. Панкова, Г. А. Филиппов, 2012 8
(ниже статического предела текучести) микропласти-ческая деформация при усталости протекает в основном за счет процессов микротекучести в приповерхностном слое металла и только после зарождения начальной усталостной трещины критической длины в этом слое распространение магистральной усталостной трещины происходит по основному объему металла [9-11]. К тому же, известно, что мартенситное превращение начинается на поверхности металла и затем распространяется вглубь образца (размерный эффект), что свидетельствует о важной роли поверхности при фазовых превращениях такого типа [12]. И наконец, большой спецификой много циклового деформирования является многократность нагружения на пределе выносливости (до 107 циклов и более) в области микротекучести. Этот последний фактор, по-видимому, может изменять температурный интервал
В работе [13] отмечается, что M°s и Md (М, -температура, выше которой деформация не вызывает мартенситнош превращения) - температуры, зависимые от напряженного состояния в результате наличия трехосного напряженного состояния и изменения объема при мартенситном превращении.
Несмотря на ряд работ [14-20], выполненных по изучению усталостной прочности трип-сталей, остается еще много неясных вопросов, связанных особенностями структурных изменений в процессе циклического деформирования этих сталей. В настоящей работе определялись статическая и усталостная прочность, а также механизмы разрушения тонколистовой трип-стали системы C-Ni-Cr.
Материал и методика исследований
Исследовали статическую и усталостную прочность двух серий образцов трип-стали из холоднока-танной ленты толщиной 0,3 мм (серии 1 и 2) и образцы из ленты толщиной 0,8 мм после теплой прокатки (серия 3). В исходном состоянии структура исследованных образцов из трип-стали является двухфазной: аустенит + мартенсит деформации. Фазовый состав, микродеформацию решетки (Aaid) и остаточные напряжения образцов в исходном состоянии определяли с помощью дифрактометра ДРОН-ЗМ (в Си ^-излучении) с графитовым монохроматором.
Обработка экспериментальных данных производилась по комплексу КО-ИМЕТ. Качественный и количественный рентгеновский фазовый анализ осуществлялся с помощью программы XRAYAN и Базы дан-
ных PDF (POWDER DIFFRACTION FILE). Интенсивности во всех образцах, имеющих текстуру, были пересчитаны в расчете на безтекстурный образец. Химический и фазовый состав исследованных серий трип-сталей представлен в таблице 1. В этой таблице приведены средние значения фазового состава с разбросом данных ± 8 %. Фрактографические исследования поверхностей разрушения были проведены на сканирующем электронном микроскопе VEGAWSBU.
Механические свойства при статическом растяжении определяли на механической 10-тонной машине Instron 3380, а испытания на усталость проводили на установке Instron Electropuls Е 3000 в условиях повторного растяжения с минимальным напряжением цикла CTmm = 100 МПа и частотой нагружения 30 Гц. Для проведения как статических, так и усталостных испытаний использовались одни и те же образцы (рис. 1, а).
Рис. 1. Форма и размеры образца для испытания на статическое растяжение и усталость при повторном растяжении (а) и кривая статического растяжения трип-стали образцов серии 1 (б)
Таблица 1 - Химический состав исследованных серий трип-сталей
Серия Фазовый состав,% y-Fe/ct-Fe Содержание элементов, вес. %
С Si Мп Ni S Сг М о Ті А1
Серия 1 39/61 0,214 0,572 0,493 5,590 0,004 10,80 2,08 0,015 0,007
Серия 2 33/67 0,25 0,519 0,397 5,520 0,005 10,00 1,82 0,014 0,010
Серия 3 91/9,9 0,20 0,425 0,398 5,770 0,001 14,30 2,60 0,012 0,004
В результате прокатки в образцах серии 1 сформировалась структура с вытянутыми вдоль прокатки зернами аустенитной фазы у (светлые участки на рис. 2, а) протяженностью до 100 мкм и темными участками мартенсита деформации а!. В некоторых областях мар-тенситной фазы наблюдаются микротрещины протяженностью ~ 35 мкм (область А на рис. 2, а). В аустенитной составляющей структуры остаточные напряжения сжатия составляли -460 МПа, а в мартенсите деформации остаточные напряжения растяжения -+510 МПа. В исходном состоянии образцы серии 2 толщиной 0,3 мм имели очень сильно выраженную текстуру по плоскости (220) аустенита и по плоскости (211) мартенсита, а в образцах серии 3 толщиной 0,8 мм текстура практически не наблюдалась.
Для примера, на рис. 1, б представлен вид кривой статического растяжения образцов холоднокатаной
ленты толщиной 0,3 мм серии 1. Кривая статического растяжения образцов ленты толщиной 0,8 мм представлена на рис. 3, а. В конце стадии деформационного упрочнения на кривой растяжения наблюдалась небольшая зубчатость (рис. 3, б), что, по-видимому, связано с дополнительным образованием мартенсита деформации. Были получены следующие механические свойства исследованных образцов (таблица 2).
Видно, что у образцов серии 3 толщиной 0,8 мм с меньшей объемной доли мартенсита наблюдаются более низкие механические свойства (предел прочности и предел текучести), но более высокое относительное удлинение по сравнению с образцами серии 1 и 2. Соответственно характеристики циклической прочности выше у образцов серий 1 и 2 (рис. 4). У образцов серий 1 и 2 предел выносливости аь находится в интервале напряжений 780-800 МПа (отношение <зр/<зв = 0,43),
Ч .■* - ' 4
ЯШМ
;ч^ -г - •
100 мкм
: : 6<
.. . * ' .*/• ’ «<«•
. * •> ' V
* . ** . • • *
■ -.ч. - •*.?/••
Л ^ V . \ \ у ••
'А " ' ' ' ’ •• 1 * і. ’ \
. ■ ^
-X-* :• Х-. ? Vх'
- V -і
«ИЙ* _ •<„ г» V . . .»
•/V ■ .:*>&••• .31'V* .
. ІИ мкм
Рис. 2. Структура холоднокатаной ленты двухфазной трип-стали серии 1
Деформация, % Деформации, %
а б
Рис. 3. Кривые статического растяжения трип-стали серии 3: а - кривая растяжения; б - конечный участок кривой растяжения
Таблица 2 - Механические свойства образцов из трип-стали 23Х15Н5СМЗГ
Серия оБ,МПа о0>2, МПа 5, % НУ50
Серия 1 1750 894 21,6 468
Серия 2 *' 1687 870 9,92 484
Серия 3 1298 332 75,5 190
* Механические свойства при статическом растяжении определяли на образце, который простоял 107 циклов при = 740МПа
а у образцов серии 3 составляет 470 МПа (отношение
0,36). Ограниченная долговечность также выше у образцов серий 1 и 2 с более высокими механическими свойствами.
Исследование изменения твердости образцов серии 2 в зависимости от числа циклов до разрушения показало (рис. 5), что в процессе циклического деформирования происходит разупрочнение материала, которое может быть связано с наличием в материале перед разрушением большого количества микротрещин.
В работе [5] на образцах из ленты из трип-стали 23Х15Н5СМЗГ толщиной 0,3 мм было показано, что при испытании на усталость при а = 1000 МПа
1 ’* 1 шах
(атт = 500 МПа) происходит дополнительное превращение исходного аустенита в мартенсит деформации. При этом происходит снижение среднего уровня микронапряжений и локальной концентрации микронапряжений. В настоящей работе в образцах серии 2, испытанных при атах = 880 МПа (долговечность до разрушения N = 1,5-104 циклов) и а = 780 МПа
(долговечность до разрушения N = 3-Ю6 циклов), практически не было обнаружено изменение фазового состава по сравнению с исходным состоянием. Так же, как и в исходном состоянии наблюдалась сильно выраженная текстура по плоскости (220) аустенита и по плоскости (211) мартенсита. Возможно, что в отличие от работы [5], в нашем случае максимальное напряжение цикла при проведении испытаний на усталость не было выше предела текучести.
Характер поверхности разрушения при статическом растяжении образцов из трип-стали серии 1 представлен на рис. 6. При небольшом увеличении на рис. 6, а видна небольшая локальная зона вытяжки (область А), в результате чего часть поверхности разрушения образована макросдвишм (рис. 6, б). Основная же поверхность статического разрушения перпендикулярна направлению оси растяжения. Механизм статическою разрушения связан с типичным вязким ямочным разрушением (зона А на рис. 6, в), а на сдвиговых участках поверхности разрушения наблюдаются вытянутые ямки, типичные для вязкого сдвигового разрушения.
Рис. 4. Кривые усталости образцов из трип-стали при повторном растяжении: номера на рисунке соответствуют
номерам серий
Рис. 5. Изменение твердости образцов серии 2 в зависимости от числа циклов до разрушения
Рис. 6. Фрактография поверхности разрушения при статическом растяжении трип-стали серии 1
На рис. 7, а представлен общий вид части поверхности усталостного разрушения образца из трип-стали серии 1, ще с угла боковой поверхности образца зародилась усталостная трещина и откуда началось ее стабильное распространение (рис. 7, а - область А). В области Б происходил ускоренный рост усталостной трещины (стрелками показано направление распространение трещины). На рис. 7, б-д представлены фрактографические картины поверхностного рельефа в зоне стабильного роста усталостной трещины, которые отражают специфику двухфазной структуры материала. Видно, что наблюдается довольно плоский рельеф с характерными квазихрупкими усталостными бороздками, наличие которых отражает прерывистый рост усталостной трещины. В более пластичной аустенитной фазе наблюдаются типичные регулярные усталостные бороздки (зона А на рис. 7, б), а в области мартенсита деформации усталостные бородки имеют нерегулярный извилистый характер и между ними наблюдается вторичное растрескивание (зона Б на рис. 7, б). Наблюдаются также участки квазивязкош рельефа, а также трещины, вытянутые вдоль направления распространения усталостной трещины, по-видимому, обусловленные скоплением неметаллических включений и расслоением материала (стрелка) (рис. 7, в). Эти трещины, по-видимому, возникли уже при холодной прокатке в мартенситной фазе (рис. 2, а). Переход к уско-
ренному росту усталостной трещины связан с наличием большого количества микротрещин вторичного растрескивания (рис. 7, г) и появлением участков поверхностей вязкого разрушения с признаками формирования ячеистой структуры (рис. 7, д). На рис. 7, е отчетливо видна зона перехода от усталостного разрушения (область А) к вязкому статическому дол ому (зона Б). Виден также дефект в виде трещины, образованный из-за скопления включений. Статический долом образца связан с типичным вязким ямочным рельефом.
На рис. 8 представлены фрактографические картины поверхности усталостною разрушения образца серии 3. На общем виде излома хорошо видна зона усталостного разрушения (зона А на рис. 8, а) и зона статическою вязкою ямочного долома (зона Б рис. 8, а и рис. 8, б). Зона стабильного усталостного разрушения связана с вязким бороздчатым рельефом, который расположен между гребенчатыми образованиями (рис. 8, в, г). На стадии ускоренного развития трещины ближе к зоне статического долома наблюдается квазихрупкая поверхность разрушения и вторичное растрескивание (рис. 8, д). Однако в аустенитных зернах отчетливо проявляются пластичные усталостные бороздки (рис. 8, е). Статический долом образцов серии 3 также связан с типичным вязким ямочным рельефом.
Рис. 7. Фрактография поверхности усталостного разрушения в образцах трип-стали серии 1 (стрелками указано направление распространения трещины): а, б, г, д, е - атах = 850 МПа, А' = 2,2-105 циклов до разрушения;
в - атах = 800 МПа, N = 5,54105 циклов
д е
Рис. 8. Фрактография усталостного разрушения образца из трип-стали серии 3 (атах = 650МПа, Лг = 6,5-104 циклов нагружения); стрелками указано направление распространения трещины
Выводы
Механические испытания трех серий образцов из трип-стали после холодной и теплой прокатки показали более высокую статическую и усталостную прочность у образцов после холодной прокатки: <зв = 1750 МПа (при относительном удлинении 21,6 %), = 750 МПА (на
базе 107 циклов), отношение <зJ<зв= 0,43. После теплой прокатки указанные характеристики прочности существенно меньше: <зв = 1208 МПа, ар = 470 МПА, ауа5= 0,36.
При исследованных режимах усталостного нагружения образцов из трип-стали после холодной прокатки дополнительное фазовое превращение остаточного аустенита в мартенсит деформации не наблюдалось. Однако на поверхности усталостного разрушения таких образцов наблюдается довольно плоский рельеф с характерными квазивязкими усталостными бо-
роздками, наличие которых отражает прерывистый рост усталостной трещины.
У образцов после теплой прокатки зона стабильного усталостного разрушения связана с вязким бороздчатым рельефом, который расположен между гребенчатыми образованиями.
Статический долом во всех исследованных сериях образцов был связан с типичным вязким ямочным рельефом.
Список литературы
1. Olson G. В. Transformation Behavior of TRIP Steels /
G. B. Olson, M. Azrin М. II Metallurgical Transactions. -1978. - Vol. 9A, N 5. - P. 713-721.
2. Analysis of the martensitic transformation at various in TRIP steel / [M. R. Berrahmoune, S. Berveffler, K. Inal and etc.] II Materials Science and Engineering, A, 378. - 2004. - P. 304-307.
3. Усталостная прочность тонколистовой трип стали / [В. Ф. Терентьев, J1. Е. Алексеева, С. А. Кораблева и др.] // Тр. 4-й междунар. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов - DFMN 2011» . — М.: ИМЕТ РАН, 2011. - С. 392 - 394.
4. Fatigue Strength of TRIP Steels / [G. В. Olson, R. Chait, M. Azrin M. and etc.] II Metallurgical Transactions. - 1980. -Vol. 11 A, June. - P. 1069-1071.
5. Механизм усталостного разрушения трип-стали при воздействии циклических нагрузок / [J1. Е. Алексеева, А. С. Баев, А. А. Буржанов и др.] // Деформация и разрушение материалов. - 2009. - №12. - С. 25-26.
6. Su Yu Fatigue properties of low - silicon TRIP - SH steel / [Su Yu, Zhang Mei, Fu Ren Yu and etc.] //Jinshu rechuli = Heat Treat. Metals. - 2008. - Vol. 33, N 8. - P. 25-30.
7. Влияние структурных факторов на способность высокопрочной холоднокатаной стали к развальцовке / [М. Г. Капустин, Н. Потторе, И. Гуптаи др.] // Деформация и разрушение материалов. - 2007, № 2. - С. 27-32.
8. Haidemenopouos G. N. Exploitation of the TRIP Effect for the Development of Formable, Fracture and Fatigue Resistant Steels for Automotive Applications / Haidemenopouos G. N. // Engineering Against Fracture: Proceedings of the 1st Conference. Springer Science + Business Media B.V. - 2009. - P. 31-40.
9. Терентьев В. Ф. Процессы микро- и макропластичес-кой деформации металлических материалов ниже предела выносливости / Терентьев В. Ф. // Металлы. - 2003, № 5. - С. 73-80.
10. О различии пластической деформации поверхностных и внутренних слоев поликристаллического железа при усталостномнагружении/[В. М.Горицвсий, B.C. Иванова, Л. Г. Орлов, В. Ф. Терентьев] //ДАН СССР. - 1972. -Т. 205, №4. - С. 812-814.
11. Изменение дислокационной структуры армко-железа в
процессе усталости при температурах 20 и -196 °С /
[В. С.Иванова, J1. Г. Орлов, В. М. Горицкий, В. Ф. Терентьев] // В сб. : Физические процессы пластической деформации при низких температурах. - К. : Наукова думка, 1974. - С. 296-304.
12. Лободюк В. А. Мартенситные превращения / В. А. Ло-бодюк, Э. И. Эстрин - М. : Физматлит, 2009. - 352 с.
13. Haidemenopouos G.N. Transformation microyielding of retained austenite /G. N. Haidemenopouos, M. Grujicic,
G.B. Olson //Acta metall. - 1989, Vol. 37, N 6. - P. 1677-1682.
14. Cyclic Deformation of Advanced High - Strength Steels: Mechanical Behavior and Microstructural Analysis / [Т. B. Hilditch, I. B. Timokhina, L. T. Robertson and etc.] // Metallurgical and Materials Transactions, A, February. -2009, Vol. 40A. - P. 342-353.
15. Huo C.Y. Strain - induced martensitic transformation in fatigue crack tip zone for a high strength steel /C.Y. Huo,
H. L. Gao //Materials Characterization. - 2005, Vol. 55. -P. 12-18.
16. Fatigue crack propagation in trip steels / G. R. Chanani, Stephen D. Antolovich, W.W. Gerberich // Met. Trans. -1972. - Vol. 3, N 10. - P. 2661-2672.
17. Su Yu Fatigue properties of low - silicon TRIP - SH steel / [Su Yu, Zhang Mei, Fu Ren Yu and etc.] // Jinshu rechuli = Heat Treat. Metals. - 2008. - Vol. 33, N 8. - P. 25 - 30.
18. Tomita T. Estimation of deformation behavior of TRIP steels -smooth/ringed - notched specimens under monotonic and cyclic loading / T. Tomita, Y. Shibutani //International Journal of Plasticity. - 2000. - Vol. 16, Issues 7-8, 1 June. -P. 769-789.
19. SugimotoS.I.Low-CycleFatigueofTRIPAidedDualPhase Steels / S. I. Sugimoto, К. I. Kobayashi, S. I. Hashimoto // J. Jpn. Inst. Met. - 1990. - Vol. 54, N. 12. - P. 1350-1357.
20. Effect of Austenite on Low Cycle Fatigue in Three - Phase Steel / [Z. Z. Hu, M. L. Ma, Y. Q. Liu and etc.] // Int. J. Fatigue. - 1997. - Vol. 19, N. 8-9. - P. 641-646.
Одержано 09.12.2011
Терентьєв В.Ф., Алексєєва Л.Є., Кораб.пьова С.А., Просвірнін Д.В., Пайкова М.Н., Філіппов Г.А. Статична та втомна міцність трии-сталі системи C-Ni-Cr
Наведено характеристики статичної та втомної міцності трип-сталі системи C-Ni-Cr. Аналізуються особливості змінювання структурного стану високоміцнісної тонколистової трип-сталі у процесі статичного та циклічного деформування в зоні багато циклової втоми. На основі фактографічного аналізу зламів високоміцнісної сталі досліджено механізми її втомного руйнування
Ключові слова: трип-сталі, фазовий склад, механічні властивості, втомна міцність, фрактографія руйнування
Terentjev V., Alexejeva L., Korabljova S., Procvirnin D., Pankova M., Phylippov G. Static and fatigue strength of C-NI-CR system trip-steel
Static and fatigue strength characteristics of C-Ni-Cr system TRIP-steel are presented. The specific changes of the structural state of the high-strength steel sheet during static and high-cyclic deformation are considered. The mechanisms of steel fatigue fracture are studied using fracture surface analysis.
Keywords: trip-steel, phase composition, mechanical properties, fatigue strength, fracture surface pattern.
