Научная статья на тему 'Трещинообразование и поверхностная активность примесей внедрения в железоуглеродистых сплавах'

Трещинообразование и поверхностная активность примесей внедрения в железоуглеродистых сплавах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
153
52
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫЕ СПЛАВЫ СИСТЕМЫ FE-C / СЕРЫЕ ЧУГУНЫ / ПОВРЕЖДЕННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ / УГЛЕРОД / ТРЕЩИНЫ / ПОВЕРХНОСТНАЯ АКТИВНОСТЬ / АДСОРБЦИЯ / ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ / САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ / УСКОРЕНИЕ РАЗРУШЕНИЯ / CARBON / SURFACE ACTIVITY / REDISTRIBUTION / STRUCTURALLY HETEROGENEOUS ALLOYS FE-C / GRAY CAST IRON / CARBON STEEL DAMAGED

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Чуканов Александр Николаевич, Яковенко Александра Александровна

В рамках гипотезы растворно-осадительного механизма эволюции графитных включений в сплавах системы железо–углерод провели совместный анализ параметров внутреннего трения, микроструктурный и фрактальный анализы. Наблюдали диффузию атомов углерода к свободным поверхностям графитных включений и их достройку. Покрытие микротрещин свободным углеродом способствует активизации разрушения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Чуканов Александр Николаевич, Яковенко Александра Александровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CRACKING AND SURFACE ACTIVITY OF INTERSTITIAL IMPURITIES IN IRON ALLOYS

According to the hypothesis of solution-precipitation mechanism of graphite inclusions in alloys of iron-carbon system carried out a joint analysis of parameters of the internal friction, micro and fractal analysis. The diffusion of carbon atoms to the free surface of graphite inclusions and completion is observed. Cracks can be covered free carbon, contributing to destruction.

Текст научной работы на тему «Трещинообразование и поверхностная активность примесей внедрения в железоуглеродистых сплавах»

УДК 539.67

ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ И ПОВЕРХНОСТНАЯ АКТИВНОСТЬ ПРИМЕСЕЙ ВНЕДРЕНИЯ В ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВАХ

© А.Н. Чуканов, А.А. Яковенко

Ключевые слова: структурно-неоднородные сплавы системы Бе-С; серые чугуны; поврежденные углеродистые стали; углерод; трещины; поверхностная активность; адсорбция; перераспределение; самопроизвольное диспергирование; ускорение разрушения.

В рамках гипотезы растворно-осадительного механизма эволюции графитных включений в сплавах системы железо-углерод провели совместный анализ параметров внутреннего трения, микроструктурный и фрактальный анализы. Наблюдали диффузию атомов углерода к свободным поверхностям графитных включений и их достройку. Покрытие микротрещин свободным углеродом способствует активизации разрушения.

Образование и рост трещин связаны с энергетическими затратами на развитие свободной поверхности. Снижение поверхностной энергии под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) изменяет энергетику структурных и фазовых превращений. Углерод также является ПАВ. В сплавах Бе-С перераспределение и адсорбция углерода интенсифицируют деформацию, самопроизвольное диспергирование элементов структуры. Происходит изменение микроструктуры сплавов, что влечет за собой изменение их физических и механических свойств. Такие структурно чувствительные свойства, как внутреннее трение (ВТ), позволяют фиксировать и изучать субструктурные изменения, связанные с перечисленными процессами.

Цель работы - описать с учетом растворноосадительного механизма перераспределение углерода в сильно структурно-неоднородном материале (сталь с трещинами или чугун с графитными включениями различной геометрии), с мощными локальными зонами перенапряжений.

1. Роль углерода в развитии поврежденности. В поврежденных сплавах Бе-С возможна реализация «растворно-осадительного» механизма и эффекта Ребиндера [1, 2]. Первый отражает «механическое» влияние перераспределения углерода с образованием свободного графита и дополнительным трещинообразованием на ювенильных поверхностях дефектов поврежденно-сти. Второй - адсорбцию и химическое взаимодействие углерода и элементов микроструктуры. В чугунах и сталях графит возникает во внутренних несплошностях при кристаллизации, закалке, термоциклировании, пластической деформации. При нагреве растворимость углерода в железе увеличивается, что ведет к растворению графита и цементита. Из-за нескомпенсированно-сти противоположно направленных потоков углерода и железа на стыке графита и твердого раствора возникают нарушения сплошности [2]. Отжиг сплавов ведет к растворению графита, сопровождающегося коалесцен-цией пор. При охлаждении чугуна из-за снижения растворимости углерода в железе или графитизации цементита происходит выделение графита. Новые графитные включения, как правило, не образуются. Гра-

фит растет в порах или на имеющихся включениях [3, 4]. Причиной образования свободного углерода может явиться не только повышение метастабильности цементита, но и покрытие графитом микротрещин.

В механизме поверхностного влияния углерода большую роль играет концентрация напряжений вблизи графита. В данной работе высокий уровень внутренних напряжений планировали создать предварительной закалкой образцов. От их деформации отказались, чтобы исключить механическое трещинообразование и осаждение углерода на свежих трещинах.

Образование трещин в металлической матрице вблизи графита облегчается в связи со снижением энергетических затрат на развитие свободной поверхности. Вместе с тем оно создает отрицательное давление [2], способствующее заполнению образующихся трещин углеродом (графитом). Причиной этого может быть различие в скоростях самодиффузии атомов железа и атомов углерода. Процессом, контролирующим скорость графити-зации железоуглеродистых сплавов, является процесс образования в металлической матрице полостей, заполняемых по мере их образования углеродом [4].

Многократные отпуски сплавов приводят к накоплению в сплаве дефектов кристаллического строения и субграниц, способствующих образованию сегрегаций углерода в субмикронесплошностях дислокационного происхождения. В эти микронесплошности атомы углерода попадают в случае, когда происходят сдвиговые процессы в матрице сплава [3].

Объект исследований - образцы серого литейного чугуна марки СЧ15 на ферритной основе ГФ2Гр-Гра3-90-Гб. Образцы подвергали предварительной закалке от 850 °С с охлаждением в воду (Г = 18 °С) и последующим многократным (5) отпускам 350 °С (2 ч).

Выбор указанного чугуна и термообработки обусловлен следующими соображениями. 1. Контроль перераспределения углерода и адсорбции на свободных поверхностях требовал иметь эти поверхности (графитные включения) и гарантированно обеспечить диффузию к ним углерода с последующей адсорбцией.

2. Ферритная матрица исключала участие цементита в перераспределении углерода. 3. Для активации под-

1627

вижности углерода чугун переводили в неравновесное состояние предварительной закалкой. 4. Многократные отпуски обеспечивали релаксацию, базирующуюся на перераспределении углерода. 5. Пластинчатая форма графитных включений позволяла перенести полученные результаты (структурное моделирование) на дефекты поврежденности (трещины) в сплавах Fе-С и прогнозировать поведение углерода применительно к поврежденным сталям.

Одновременно с проведением многократных отпусков проводили измерение температурной зависимости внутреннего трения (ТЗВТ) с последующим их анализом. Фиксировали фон ВТ и неупругие эффекты и их характеристики. Использовали резонансную методику (ГОСТ 25156—82). Частота изгибных колебаний f ~ 500-900 с-1. ТЗВТ чугунов измеряли в интервале температур от 293-623 К при скорости нагрева 1,52,5 К/мин. На ТЗВТ фиксировали следующие эффекты ВТ: 1) Снука; 2) дектрукционный эффект, вызываемый изменением динамики дислокаций в зонах локализации напряжений [5, 6]; 3) дислокационно-примесное взаимодействие (Снука-Кестера).

Провели количественный микроструктурный анализ (оценили объемную и массовую доли графитных включений) «вручную» и с при помощи пакета прикладных программ (ППП) AxioVision.

Использовали линейный метод определения структурного состава сплава по объему (А. Розиваля) и точечный метод определения структурного состава сплава по объему (А.А. Глаголева) [7]. Оценили объемную (массовую) долю графита в изученных славах. Измерения вели на микроскопе ZEISS (х2500) при помощи ППП AxioVision.

В диапазоне 340-380 К фиксировали деструкцион-ный максимум - следствие взаимодействия упругих полей графитных включений и дислокационных скоплений [6]. Температура и энергия активации максимума соответствовала параметрам деструкционного максимума е-типа в деформированных сталях [5, 6]. Максимум Снука на всех ТЗВТ находится в интервале 360400 К и был связан с миграцией атомов углерода и азота в феррите в поле действующих напряжений. В диапазоне 570-600 К фиксировали комплексное затухание, вызываемое дислокационно-примесным взаимодействием - пик Снука-Кестера (СК).

Совместно анализировали результаты ТЗВТ и оценки объемной и массовой долей графитных включений. На основе величины фона ВТ и деструкционно-го максимума, отражающих общий и локализованный уровень внутренних искажений, в исходных образцах чугуна фиксировали высокий уровень микроискажений. Большое количество углерода в твердом растворе (пик Снука) связали с фиксацией его в ходе отливки и графитизирующего отжига. Последующие отпуски (5 шт.) снижают уровень микроискажений в образцах. Содержание углерода в твердом растворе в ходе отпусков понижается. Наиболее интенсивно после первого отпуска и менее интенсивно в ходе последующих. Это связали с изменением объемной и массовой долей графитных включений. Количество графита увеличивается параллельно с перераспределением атомов углерода в твердом растворе. Рост объемной и массовой долей графитных включений в закаленном СЧ15 после отпусков считали следствием диффузии атомов углерода к свободным поверхностям графитных включений и их

достройке, а также заполнения атомами углерода существовавших и развившихся микронесплошностей. Об этом же свидетельствует формирующийся резко выраженный микрорельеф поверхности графитных включений. Зафиксированный в ходе отпусков экстремальный характер изменения фрактальной размерности микрорельефа соответствовал полученным результатам.

Совместное изучение параметров ВТ, микрострук-турный и фрактальный анализы показали, что перераспределение углерода между твердым раствором и другими структурными элементами подтверждает гипотезу растворно-осадительного механизма эволюции графитных включений. Рост объемной и массовой долей графитных включений, а также перераспределение углерода в твердом растворе закаленного СЧ15 после отпусков следствие диффузии атомов углерода к поверхностям графитных включений и их достройке, а также заполнения существующих и развивающихся микронесплошностей. С перераспределением и адсорбцией углерода связан формирующийся резко выраженный микрорельеф поверхностей графитных включений исследованного чугуна. Растрескивание поверхности графитных включений наиболее активно отражается на росте параметров деструкционного максимума ВТ после третьего отпуска. Потвердили, что покрытие графитом поверхностей трещин оправдано даже в отсутствие цементита.

На начальных стадиях разрушения микротрещины могут покрываться свободным углеродом, что способствует развитию разрушения, особенно при повышенных температурах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин Д.М., Чуканов А.Н., Муравлева Л.В. Спектр внутреннего трения чугунов // Известия ТулГУ. Серия: Физика. 1998. Вып. 1. С. 72-75.

2. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 272 с.

3. Медведева Н.И., Карькина Л.Е., Ивановский А.Л. Влияние эффектов атомного разупорядочения и нестехиометрии по углеродной подрешетке на зонную структуру цементита Fe3C // ФММ. 2003. Т. 96. № 5. С. 16-20.

4. Панин А.В. Особенности пластической деформации и разрушения технического титана и малоуглеродистой стали, подвергнутых ультразвуковой обработке // ФММ. 2004. Т. 98. № 1. С. 109-118.

5. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г. Распад цементита при пластической деформации стали // Металлофизика. 1982. Т. 4. № 3. С. 74-87.

6. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Хлебникова Ю.В., Счастливцев ВМ., Табатчикова Т.И. Электронно-микроскопическое изучение структуры грубопластинчатого перлита углеродистой стали после холодной пластической деформации // ФММ. 2003. Т. 96. № 4. С. 44-56.

7. Левин Д.М., Чуканов А.Н. Эффекты междислокационного взаимодействия как мера начала микроразрушения // Известия ТулГУ. Серия: Физика. 2000. Вып.1. С. 17-19.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Chukanov A.N., Yakovenko A.A. CRACKING AND SURFACE ACTIVITY OF INTERSTITIAL IMPURITIES IN IRON ALLOYS

According to the hypothesis of solution-precipitation mechanism of graphite inclusions in alloys of iron-carbon system carried out a joint analysis of parameters of the internal friction, micro and fractal analysis. The diffusion of carbon atoms to the free surface of graphite inclusions and completion is observed. Cracks can be covered free carbon, contributing to destruction.

Key words: carbon; surface activity; redistribution; structurally heterogeneous alloys Fe-C; gray cast iron; carbon steel damaged.

1628

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.