CC BY
143
ния в области предплавильных температур // Конденсированные среды и межфазные границы. 1999. Т. 1. № 4. С. 261-263.
51. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтое М.А., Татарко М.А. Взаимосвязь электромагнитной эмиссии с кинетикой роста поликри-сталлического льда // Кристаллография. 1999. Т. 44. № 4. С. 717-721.
52. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтое М.А., Татарко М.А. Исследование кинетики спонтанной кристаллизации и электризации тонкой пленки переохлажденной воды // Кристаллография. 1999. Т. 44. № 6. С. 1115-1117.
53. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А. In situ исследование кинетики кристаллизации диэлектриков новым быстродействующим электромагнитным методом // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 1999. № 4. С. 20-25.
54. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А., Королев А.А., Власов А.А. Пространственно-временная самоорганизация мезоскопической структуры в условиях неравновесного роста льда и сопутствующие электромагнитные явления // Конденсированные среды и межфазные границы. 1999. Т. 1. № 2. С. 111-117.
55
Динамическое микро- и наноиндентирование
Головин Ю.И., Тюрин А.И. О межузельных механизмах пластического течения на начальной стадии погружения индентора при микроиндентировании // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1994. Т. 60. № 10. С. 722-726.
56. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика начальной стадии микроин-дентирования ионных кристаллов // Изв. РАН. Сер. физическая. 1995. Т. 59. № 10. С. 49-54.
57. Головин Ю.И., Тюрин А.И. О динамике и микромеханизмах начальной стадии погружения индентора при микроиндентировании кристаллов // Физика твердого тела. 1995. Т. 37. № 5. С. 1562-1565.
58. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика и микромеханизмы ранних стадий внедрения жесткого индентора при микроиндентирова-нии ионных кристаллов // Кристаллография. 1995. Т. 40. № 5. С. 47-51.
59. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Определение эффективного модуля Юнга в микрообъеме методом динамического индентирования // Физика твердого тела. 1996. Т. 38. № 4. С. 1301-1303.
60. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика и микромеханизмы деформирования ионных кристаллов при импульсном микроинденти-ровании // Физика твердого тела. 1996. Т. 38. № 6. С. 1812-1819.
61. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Динамика формирования отпечатка в дислокационной розетке при импульсном микроиндентировании ионных кристаллов // Физика твердого тела. 1997. Т. 39. № 2. С. 318-319.
62. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Определение время зависимых пластических свойств твердых тел посредством динамического наноиндентирования // Письма в журнал технической физики. 1997. Т. 23. В 23. С. 15-19.
63. Головин Ю.И., Тюрин А. И., Бенгус В.З., Иволгин В.И, Коренков В.В. Динамическая твердость аморфных сплавов // Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 88. № 6. С. 103-107.
64. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. Новые принципы, техника и результаты исследования динамических характеристик твердых тел в микрообъемах // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. № 5. С. 82-91.
УДК 669.539.382.2
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ В СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНОМ СОСТОЯНИИ
© Л.Б. Зуев, И.М. Полетика, В.В. Ткаченко, В.Е. Громов
Россия, Томск, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Zuyev L.B., Poletika I.M., Tkachenko V.V., Gromov V.E. Ultra-sound control of mechanical properties of steel in structural non-homogeneous conditions. In the article, the correlation dependencies among speed of ultra-sound, hardness and toughness in steel 09G2C are investigated.
Скорость ультразвука в металлах связана с их структурой и свойствами и с этой точки зрения является перспективной в качестве информативного параметра для неразрушающего метода контроля, например, сталей и сплавов в состоянии поставки. Одним из таких материалов является стальной листовой прокат, для которого степень неоднородности свойств может достигать опасных значений.
В работе было проведено специальное изучение корреляционных зависимостей между скоростью ультразвука ¥к, твердостью НУ и ударной вязкостью Ку в горячекатаной стали 09Г2С (толщина листа 10 мм). Ударную вязкость определяли по ГОСТу 9454-78, измеряли твердость по Виккерсу, структуру оценивали металлографически. Скорость ультразвука измеряли методом автоциркуляции импульсов на приборе ИСП-12, разработанном в [1]. Структурное состояние стали и ее механические свойства искусственно варьировали путем изменения температуры конца прокатки на толстолистовом стане от 830 до 950° С.
Как показало исследование механических свойств стали, при растяжении (табл. 1) с ростом Ткп растет
относительное удлинение 5. Предел прочности практически не меняется, а предел текучести несколько уменьшается. Порог хладноломкости сдвигается в сторону более высоких температур. Такое изменение свойств соответствует изменению размера ферритного зерна. С увеличением температуры конца прокатки средний размер зерна возрастает, принимая значения ~8 мкм (Ткп = 830° С); ~8,6 мкм (Ткп = 880° С) и ~9,5 мкм (Ткп = = 950° С). Наблюдаемая зависимость от размера зерна согласуется с известным уравнением Холла - Петча и с соотношениями [2], отражающими связь Тхл с ¿эф.
Таблица 1
Механические свойства стали 09Г2С в зависимости от температуры конца прокатки
Ткп, б, Об, ^0,2, Kv(20), гр 50 Т ХЛ ;
°С % МПа МПа МДж/м2 °С
830 33,91 549,9 345,4 1,22 -(15...25)
880 35,40 536,6 351,4 1,94 -(15...25)
950 37,22 539,9 328,7 0,81 -(5...10)
Рис. 1. Корреляция между скоростью ультразвука и ударной вязкостью в стали 09Г2С с Ткп = 830° С
Рис. 2. Корреляция между скоростью ультразвука и
твердостью в стали 09Г2С при Ткп = 830° С
Рис. 3. Корреляция между ударной вязкостью и твердостью в стали 09Г2С с Ткп = 830° С
1, мм
Рис. 4. Распределение областей локальной неоднородности свойств в стали 09Г2С вдоль и поперек направления прокатки при Ткп = 830° С
Ударная вязкость стали в рассмотренном интервале температур конца прокатки меняется не монотонно и при средних значениях Ткп проходит через максимум (табл. 1). Такое поведение Ку, по данным [3], может быть связано с повышением прочности в области низких Ткп в результате наклепа.
Для измерения скорости распространения поверхностной волны в стали поверхность стальной пластины делили на прямоугольные участки, соответствующие размеру датчика (расстояние между пьезопреобразователями 33 мм). В каждом участке скорость определяли
5...7 раз, затем находили среднее значение. Такую процедуру проводили при двух различных положениях датчика, соответствующих распространению ультразвуковой волны в направлении прокатки (Рдпр) и в поперечном направлении (Рдпп). Измерение скорости ультразвука показало, что разброс ее значений в стали составляет 0,2...0,7 % в зависимости от температуры конца прокатки. Среднее значение Ук в пластине с увеличением Ткп от 830 до 950° С возрастает приблизительно на 0,5 %. Неодинаковые значения скорости ультразвука наблюдаются в продольном и поперечном направлениях прокатки: V^пр > Рдпп, что отражает анизотропию структуры и свойств деформированного металла. Эта разность достигает 0,7... 1 % при низких Ткп и уменьшается до 0,5 % при Ткп = 950° С.
Образцы для испытаний на ударную вязкость вырезались из пластин стали 09Г2С в количестве 50 штук для каждой из рассмотренных Ткп. Испытания проводились при температуре -25° С, входящей в интервал температур вязко-хрупкого перехода для этой стали. На каждом из образцов предварительно определяли также твердость по Виккерсу НУ (20 измерений на образце), анализировали микроструктуру и измеряли скорость ультразвука (7...10 измерений на образце).
Исследования показали, что в случае Ткп = 830° С свойства листовой стали неоднородны, и в пределах одной пластины обнаруживается широкий спектр значений твердости, ударной вязкости и скорости ультразвука. Эти величины соответственно меняются в пределах: (1880 < НУ < 2160) МПа; (0,4 < Ку < 3,3) МДж/м2 и (2877 < Ук < 2886) м/с. При этом наблюдается вполне удовлетворительная корреляция между величинами Ук, Ку и НУ. Они увеличиваются или уменьшаются одновременно.
Во всем проанализированном диапазоне значений твердости и в широком интервале значений ударной вязкости имеют место линейные зависимости между Уя и Ку (рис. 1) и между Ук и НУ (рис. 2). Соответствующие корреляционные уравнения, полученные методом наименьших квадратов, имеют вид:
Ук = 8,0-Ку + 2871, (1)
¥я = 3,4-10-2-НУ + 2813. (2)
Коэффициенты корреляции достаточно высоки и составляют 0,94 для (1) и 0,90 для (2).
В свою очередь, величины ударной вязкости Ку и твердости НУ также оказались коррелированными друг с другом (рис. 3) так, что:
Ку = 3,8-10-3-НУ - 6,6 (3)
с коэффициентом корреляции 0,60.
Линейный характер корреляционных зависимостей (1), (2) и (3) качественно можно объяснить функциональной связью всех трех величин с упругими свойствами металлов. Действительно, ¥к ~ (Ор)1/2, где О -модуль сдвига, р - плотность. В то же время характеристики деформационного упрочнения металлов и сплавов связаны с модулем сдвига. В принципе, для оценки ударной вязкости неразрушающим методом можно использовать корреляционное уравнение (3), связывающее эту величину с твердостью, но из-за малого коэффициента корреляции в этом случае подобная оценка оказывается ненадежной и уступает по точности получаемой акустическим методом по уравнению (1).
Для выяснения причин наблюдаемой неоднородности в распределении значений ¥я, НУ и Ку в листе с Ткп = 830° С была изучена структура стали вблизи поверхностей разрушения образцов. Выяснилось, что участки с высокой ударной вязкостью и высокой твердостью соответствуют начальным стадиям развития рекристаллизации. Отметим, что при Ткп = 830° С последние стадии деформации протекают уже в ферритоперлитной области, на микрофотографиях в этом случае видны исходные крупные ферритные зерна, вытянутые в направлении прокатки и ограниченные зернами перлита, раскатанными в «строчки». На фоне этой структуры в областях, прилегающих к границам зерен, развивается рекристаллизация. Для участков с высокими значениями Ку и НУ средний размер ферритного зерна составил 4...5 мкм, а в отдельных участках 2...2,5 мкм. Низкие значения ударной вязкости и твердости характерны для участков с более развитой рекристаллизо-ванной структурой. Средний размер ферритного зерна
достигает 8...9 мкм. Встречаются также переходные структуры, где «строчки» перлита сочетаются с довольно крупными рекристаллизованными зернами феррита размером 5,5...7 мкм.
Согласно [3], такое различие в структуре участков связано с неравномерным протеканием пластической деформации в различных объемах металла, неоднородным развитием компенсирующих друг друга процессов упрочнения и разупрочнения (возврат, полигонизация, рекристаллизация) в области низких температур прокатки.
Для определения размеров областей такой неоднородности проводили измерение Ук в исходной пластине с шагом, соответствующим размеру ультразвукового щупа (33 мм). Оказалось, что области высоких и низких значений Ук чередуются с периодичностью
120...160 мм при измерении СУЗ в направлении прокатки (рис. 4). При измерении СУЗ в поперечном направлении эффект выражен слабее и проявляется, главным образом, в сравнительно небольших колебаниях СУЗ относительно средней величины.
Дальнейшее исследование показало, что если при Ткп = 830° С в структуре стали зерна перлита имеют в основном вытянутую («строчечную») форму, то при Ткп = 880° С наряду с такими участками присутствуют области с почти правильной формой зерен перлита. При Ткп = 950° С структура стали во всем объеме листа становится почти равноосной. Разброс значений Уя, НУ и Ку в листе сокращается, и корреляционные соотношения между ними нарушаются.
Наблюдаемое явление связано с тем, что увеличение температуры конца прокатки ускоряет развитие диффузионных процессов и тем самым стимулирует развитие динамической и статической рекристаллизации деформированной стали. В результате формируется более равноосная зеренная структура. Дополнительное уравновешивание структуры и снятие деформационного наклепа происходит в процессе фазовой перекристаллизации при охлаждении. Все это способствует снижению структурной неоднородности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Муравьев В.В., Комаров К.Л. Ультразвуковой индикатор структурных превращений ИСП-12. Новосибирск: ЦНТИ, 1993. № 181.
С. 93.
2. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. Киев: Наукова думка, 1975. 314 с.
3. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 430 с.
