Структурно-механические особенности откольного разрушения нержавеющей стали Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОТКОЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ

НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

© Г.Г. Савенков, Б.К. Барахтин, К.А. Рудомёткин

Ключевые слова: откол; фрактальная размерность; фрагментация; вихревая структура; скольжение; двойникование. Исследована нержавеющая сталь 12Х18Н10Т в двух состояниях. Определена откольная прочность образцов, их фрактальная размерность после разрушения. Выявлены особенности развития пластической деформации при ударном нагружении образцов.

Проведены ударно-волновые испытания и металлографические постоопытные исследования двух партий плоских образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. В первой партии (№» 1) металл находился в состоянии поставки и характеризовался равноосными зернами размером 15 ± 5 мкм (9 балл по шкалам ГОСТ 5639). Вторая партия (№ 2) образцов была подвержена отпуску в течение 1 ч при 650 °С, после которого размер зерна составил 20 ± 5 мкм (8 балл по шкалам ГОСТ 5639).

Образцы (мишени) толщиной 3,5 мм и диаметром 50 мм нагружались с помощью пневматической пушки калибром 30 мм плоским ударником со скоростью 200250 м/с. При помощи лазерного дифференциального интерферометра осуществлялась непрерывная регистрация скорости свободной поверхности образцов. По соотношению

а р = 0,5р0С0АК

рассчитывалась откольная прочность стали ар, где р0 -плотность материала образца; С0 - объемная скорость звука в образце; ЛУ - перепад скоростей в ее первом периоде колебаний.

Для первой партии откольная прочность ар = 2 ± 0,1 ГПа, для второй партии - ар = 1,75 ± 0,15 ГПа.

Рис. 1. Схематические модели развития пластической деформации в структуре зерен в мишенях N° 1 и N° 2

Выявленными особенностями в развитии пластической деформации стали (рис. 1) объяснили различия в значениях фрактальной размерности поверхностей вязкого разрушения в трещине откола.

Как и предполагалось при постановке опытов, выбранная сталь в состоянии поставки (№» 1) характеризовалась упрочненным состоянием и ограниченным запасом пластичности. Вследствие этого динамическое

нагружение активировало механизм приграничной упруго-пластической аккомодации зерен путем формирования вихревой структуры (рис. 2) и фрагментации металла в объемах, средние размеры которых определены в последовательности: 70; 30; 15; 7; 3. Учитывая разброс в определении средних диаметров (±5 мкм), можно заметить, что отношения размеров выявленных вихревых и фрагментированных образований находятся в пропорциях: 3/7 = 0,429; 7/15 = 0,467; 15/30 = 0,5; 30/70 = 0,429, по величине близких одному из значений «золотой» пропорции Л1/т = 0,465 при т = 1 (т - показатель обратной связи в процессах структурных перестроек, значение т = 1 соответствует линейной обратной связи) [1-2].

Рис. 2. Примеры вихревых образований и фрагментации в лучах света (а) и вторичных электронов (б) на участках шлифов мишени № 1

1651

Предполагая возможность «саморегулирования» структурно-механического состояния металла накануне образования трещины откола, можно заключить, что в условиях соударения при скорости ударника 90 м/с в мишени № 1 реализовалась адаптация структуры путем образования вихрей механического поля, которые вызвали аккомодационное скольжение и фрагментацию в приграничных объемах зерен.

В термически обработанной мишени № 2 удар вызвал упрочнение в зернах металла механизмами дислокационного скольжения и двойникования, рост которого сопровождался увеличением локальных структурных напряжений, образованием и объединением пор в магистральную трещину откола.

Сравнивая опубликованные данные о положительных корреляциях фрактальных размерностей поверхностей разрушения с результатами механических испытаний [3-5], с итогами проведенных исследований и количественными оценками морфологии поверхностей вязкого откольного разрушения, можно заключить следующее.

1. Чем больше вклад межзеренного скольжения, тем строже положительная корреляция с величиной фрактальной размерности профиля поверхности разрушения. Поэтому можно полагать, что величина фрактальной размерности как количественная аттестация морфологии образующейся трещины откола определяется запасом пластичности и механизмом пластической деформации материала мишени.

2. В мишенях со структурой упрочненного состояния откол реализуется после аккомодационной пластической деформации путем возникновения вих-

рей механического поля и фрагментации металла в приграничных объемах зерен.

3. В мишенях со структурой, способной к упрочнению и двойникованию, трещина откола образуется после внутризеренной пластической деформации механизмом образования и слияния пор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И.Ж., Оксогоев А. А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.

2. Оксогоев А.А. О сопряженности самоорганизующегося термодеформационного процесса и структурообразования при скоростном деформировании упруго-пластических сред // Математическое моделирование процессов в синергетических системах. Томск: Изд-во ТГУ, 1999. С. 300-304.

3. Барахтин Б.К., Лебедев М.П., Петров П.П., Макаров В.В. Оптимизация внутреннего строения материалов для работы в экстремальных условиях. М.: Академия, 2000. 160 с.

4. Барахтин Б.К., Савенков Г.Г. Связь характеристик откола с размерностью фрактальной структуры разрушения // ПМТФ. 2009. Т. 50. № 6. С. 61-69.

5. Ролдугин В.И. Фрактальные структуры в материаловедении // Материаловедение. 2005. № 4. С. 22-29; № 5. С. 19-26; № 6. С. 28-31.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Savenkov G.G., Barakhtin B.K., Rudometkin K.A. STRUCTURAL AND MECHANICAL FEATURES OF NONCORROSIVE STEEL SPLIT DESTRUCTION

Two states of non-corrosive steel 12Х18Н10Т are investigated. Split solidity and fractal dimension after impact of samples were determined. Features of plastic strain evolution during the impact load of samples are defined.

Key words: fractal dimension; fragmentation; vortex structure; slip; twinning.

УДК 539.377

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПАРАТЕЛЛУРИТА

© Н.П. Скворцова

Ключевые слова: высокотемпературная неустойчивость; локализованные сдвиги; парателлурит. Экспериментально изучались потеря устойчивости пластического течения и локализация деформации при высокотемпературном нагружении ковалентных кристаллов парателлурита. Выявлены различные каналы потери устойчивости деформации: высокотемпературный «зуб» текучести, прерывистое немонотонное течение и глобальная потеря устойчивости, проявляющаяся в катастрофическом развитии трещин и разрушении материала при деформации е > 10 %. Интерпретация эффекта основывается на представлениях о самоорганизации дефектной структуры деформируемой среды.

Ранее в лаборатории механических свойств кристаллов ИКРАН было открыто явление высокотемпературной локализации деформации в неметаллических кристаллах [1]. Эффект заключается в деформационном расслоении кристаллов на локальные зоны интенсивного сдвигообразования при температурах выше половины абсолютной температуры плавления. Величина сдвиговой деформации в зоне локализации составляет —103-104 % в ионных [1-4] и ~102 % в ионноковалентных кристаллах [5, 6] при общей средней де-

формации образца менее 10 %. Сдвиги указанных величин ориентированы вдоль наиболее активных систем скольжения в этих кристаллах. Это обстоятельство свидетельствует о том, что механизм локализованной деформации осуществляется путем активации процессов быстрого лавинообразного движения близкорасположенных дислокаций. Однако природа образования локализованных сдвигов остается в значительной степени неясной.

1652