CC BY
177
УДК 620.186.4+539.23+539.216.1:531
УДАРНОЕ РАЗРУШЕНИЕ СТАЛИ 110Г13 И МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПЛАСТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Г.В.Клевцов, Н.А.Клевцова, М.В.Фесенюк, М.Р.Кашапов, О.А. Фролова, В.Ю.Задорожный*
Оренбургский государственный университет, [email protected] * Государственный технологический университет (МИСиС), Москва
Показано, что ударная вязкость стали 110Г13 при температуре -196°С имеет тенденцию к снижению с уменьшением среднего размера зерна от 200 до 60 мкм. При этом сталь разрушается по механизму межзеренного хрупкого разрушения. В очаге разрушения выявлена зона 0! длиной в 1-2 зерна с транскристаллитным хрупким разрушением. Глубина пластической зоны под поверхностью изломов примерно в пять раз меньше среднего размера зерна в стали.
Ключевые слова: ударное разрушение стали, мартенситные превращения, глубина пластической зоны
It is shown that the impact hardness of steel 110G13 at the temperature -196°С tends to decrease within the average grain diameter decreasing from 200 to 60 micron. At that the steel ruptures according to the mechanism of intergranular brittle fracture. The zone 0! with the length of 1-2 grains with transgranular brittle fracture is found out in the fracture nucleus. The plastic zone depth under the surface of fractures is about five times less than the average grain diameter of steel.
Keywords: impact fracture of steel, martensitic transformations, plastic zone depth
ff
Введение
Известно, что разрушение метастабильных аустенитных сталей сопровождается мартенситными у^-а или у^-е^-а превращениями в пластических зонах у вершины распространяющейся трещины [1]. Наличие мартенситных фаз в аустенитной матрице неоднозначно влияет на механические свойства сталей и сопротивление развитию трещине [2]. Большое значение имеет характер распределения мар-тенситных фаз в пластических зонах, который связан с микромеханизмом разрушения и локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины [1,3].
Целью настоящей работы является исследование механизма ударного разрушения при температуре -196°С аустенитной стали 110Г13 с различным размером зерна и распределения мартенсит-ных фаз в пластической зоне под поверхностью изломов.
Материал и методики исследования
В качестве исследуемого материала использовали аустенитную сталь 110Г13 со средним размером зерна 200, 120 и 60 мкм. Измельчение зерна проводили путем многократной ковки. После закалки от температуры 1100°С в воде данная сталь имела однофазную структуру у-железа. Охлаждение ее до температуры -196°С не приводило к мартенситным превращениям.
Образцы размером 10*10x55 мм с V-образным концентратором напряжения охлаждали в жидком азоте в течение 10 минут, затем переносили на копер МК-30 и производили ударное разрушение. Полученные изломы исследовали методами макро- и микрофрактографии. Глубину пластической зоны под поверхностью изломов и распределение мартенситных фаз в данной зоне определяли рентгеновским методом. С этой целью использовали метод послойного травления излома с последующим рентгенографированием его поверхности [4]. О глубине пластической зоны под поверхностью излома судили по изменению ширины
рентгеновской дифракционной линии (311) Ка. Количество а- и е-мартенсита как на поверхности изломов, так и в пластических зонах под поверхностью изломов, определяли по интегральной интенсивности дифракционных линий (111) Ка у-фазы, (110) Ка а-фазы и (101) Ка е-фазы [5].
Микрофрактографические исследования проводили в растровом микроскопе 18М-6092, рентгеноструктурный анализ изломов — на дифрактометре ДР0Н-4-07.
Результаты исследования и их обсуждение
В процессе исследования получена нижеследующая таблица, из которой видно, что с уменьшением размера зерна ударная вязкость стали имеет тенденцию к уменьшению.
Среднее значение размера зерна и ударной вязкости стали 110Г13Л при температуре -196°С
й?ср., мкм 200 120 60
К^, МДж/м2 0,25 0,23 0,14
Ударные изломы стали 110Г13, полученные
при температуре -196°С, имеют макрохрупкое кристаллическое строение. Губы среза и утяжка у поверхности излома отсутствуют (рис.1).
Микрофрактографический анализ ударного разрушения стали 110Г13 с размером зерна 200 мкм показал, что данная сталь разрушается преимущественно по механизму межзеренного хрупкого разрушения (рис.2). В очаге разрушения можно наблюдать зону длиной 0,3-0,4 мм (назовем ее зоной 01), образование которой произошло по механизму мик-роскола (рис.2а) в отличие от обычно образующейся в очаге разрушения вязкой зоны сдвига 0 [6]. В центральной части излома разрушение хрупкое межзе-ренное. Встречаются как сравнительно гладкие фасетки межзеренного хрупкого разрушения (рис.2б), так и с элементами вязкого микрорельефа (рис.2в). Вторичные трещины по границам зерен не наблюдаются.
кЯ1
(.Э-гткх! 4150
11 мг > ' к £ у** ' - ■
£ \ .
ж 1 . . . .
I х100 1 тт (.в-лкх* 4176
I. х1.0к 100 ит 1.8-т<х1_4175
I. *4 Ок 20 ит
а)
б)
в)
Рис.2. Микрорельеф излома стали 110Г13 с размером зерна 200 мкм в очаге разрушения (а,б) и в центральной части излома (в): а) х100; б) *1000; в) *4000
В очаге разрушения стали 110Г13 с размером зерна 120 мкм также можно выделить зону 0Ь длиной
0,15-0,25 мм (рис.За), с хрупким разрушением по механизму скола (рис.Зб). За пределами данной зоны доминирующим механизмом разрушения является межзеренное хрупкое разрушение (рис.За). Хорошо видны вторичные трещины и небольшие участки с ямочным микрорельефом (рис.Зв). Можно предположить, что границы зерен, возможно, были ослаблены, например в результате многократной ковки.
Схожий микрорельеф имеют и изломы стали со средним размером зерна 60 мкм. В очаге разрушения хорошо видна зона 01 длиной 0,05-0,1 мм (рис.Зг). За пределами данной зоны разрушение произошло по механизму межзеренного хрупкого разрушения (рис.Зд). Видны вторичные трещины, однако участки с ямочным микрорельефом практически не встречаются.
в)
Рис.3. Микрорельеф излома стали 110Г13 с размером зерна 120 мкм (а-в) и 60 мкм (г,д) в очаге разрушения (а,б,г) и центральной части излома (в,д): а) *200; б), в) *1000; г) *500; д) х800
Таким образом, можно сделать вывод, что сталь 110Г13 при ударном нагружении при температуре -196°С независимо от размера зерна разрушается, в основном, по механизму межзеренного хрупкого разрушения. В очаге разрушения выявлена зона 01 длиной в 1-2 зерна, образовавшаяся по механизму микроскола. При разрушении стали с размером зерна 200 мкм центральная часть излома состоит из гладких фасеток межзеренного хрупкого разрушения; вторичных трещин по границам зерен не наблюдается. В центральной части изломов стали с размером зерна 120 мкм видны вторичные трещины по границам зерен и участки с ямочным микрорельефом. В центральной части изломов стали с размером зерна 60 мкм видны фасетки межзеренного хрупкого разрушения и вторичные трещины. По-видимому, вышеуказанные изменения ударной вязкости и механизма разрушения стали 110Г13 в зависимости от размера зерна связано с технологией измельчения зерна стали путем многократной ковки, приводящей к ослаблению межзеренных границ и накоплению на данных границах трещин.
На примере стали с размером зерна 200 мкм определим рентгеновским методом глубину пластической зоны Ну под поверхностью изломов и распределение мартенситных фаз в данной зоне.
Результаты исследования показали, что глубина пластической зоны под поверхностью изломов составляет примерно 40 мкм, что в пять раз меньше среднего размера зерна в стали. Принимая во внимание тот факт, что в данном случае отношение Нтах/( составляет 4• 10-3, т.е. Нт7ХИ < 10-2, можно констатировать [1,2], что ударное разрушение стали 110Г13 при температуре -196°С произошло в условиях плоской деформации.
На рис.4 видно, что максимальное количество а-мартенсита образуется на поверхности излома, а затем непрерывно уменьшается вглубь излома. Распределение е-мартенсита отличается тем, что на поверхности излома он отсутствует, затем его количество увеличивается, достигая максимума на некоторой глубине под поверхностью излома, где искажение кристаллической структуры меньше, чем на поверхности. Затем количество е-мартенсита вновь убывает по глубине и на границе пластической зоны становится равным нулю.
И, Ю^м
Рис.4. Распределение количества а- и £-мартенсита в пластических зонах под поверхностью изломов стали с размером зерна 200 мкм
Такое распределение а- и е-мартенсита в пластических зонах под поверхностью изломов уже наблюдалось при вязком и смешанном разрушении ау-стенитных сталей, в которых мартенситные превращения происходят по механизму у^е^а [1]. По-видимому, при межзеренном хрупком разрушении стали на распределение мартенситных фаз в пластической зоне оказывают влияния те же факторы, что и при вязком или смешанном разрушении.
Выводы
1. Ударная вязкость стали 110Г13 при температуре испытания -196°С имеет тенденцию к снижению с уменьшением среднего размера зерна.
2. Независимо от размера зерна сталь 110Г13 разрушается, в основном, по механизму межзеренно-го хрупкого разрушения. При разрушении стали с размером зерна 200 мкм центральная часть излома состоит из гладких фасеток межзеренного хрупкого разрушения, вторичных трещин по границам зерен не наблюдается. В центральной части изломов стали с размером зерна 120 мкм видны вторичные трещины по границам зерен и участки с ямочным микрорельефом. В центральной части изломов стали с размером зерна 60 мкм — фасетки межзеренного хрупкого разрушения и вторичные трещины.
3. В очаге разрушения стали 110Г13 выявлена зона 01 длиной в 1-2 зерна с транскристаллитным хрупким разрушением.
4. Глубина пластической зоны под поверхностью изломов стали 110Г13 с размером зерна 200 мкм примерно в пять раз меньше среднего размера зерна в данной стали.
5. Рентгеновским методом исследовано распределение а- и е-мартенсита в пластических зонах под поверхностью изломов. Максимальное количество а-мартенсита обнаружено на поверхности изломов, затем его количество непрерывно уменьшается от поверхности вглубь излома. Максимальное количество е-мартенсита обнаружено на некоторой глубине под поверхностью излома, где искажение кристаллической структуры меньше, чем на поверхности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект АВЦП № 1383).
1. Клевцова Н.А., Фролова О.А., Клевцов Г.В. Разрушение аустенитных сталей и мартенситные превращения в пластических зонах. М.: Изд-во Академии Естествознания, 2005. 155 с.
2. Сагарадзе В.В., Уваров А.И. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука, 1989. 270 с.
3. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. М.: МИСиС, 2007. 264 с.
4. Р 50-54-52-88. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью разрушения. М.: ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, 1988. 24 с.
5. Р 50-54-52/2-94. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение характеристик разрушения металлических материалов рентгеновским методом. М.: ВНИИНМАШ Госстандарта России, 1994. 28 с.
