Устойчивость пластин цементита при воздействии сжимающих напряжений Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.4.015

УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТИН ЦЕМЕНТИТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ

© З.Б. Батаева, Н.В. Кращук, С.В. Буров, Д.Е. Буторин

Россия, Новосибирск, Государственный технический университет

Bataeva Z.B., Kraschuk N.V., Burov S.V., Butorin D.E. Stability of cementite plates at the effect of compression stress. The behaviour of steels with a structure of plate cementite in requirements of cold plastic deformation is examined. At the effect of compression stress there are losses of stability of plates. Despite the major width being much of cementite, plates remain unbroken. Such behaviour of carbides is explained by their laminate structure.

Анализ структурных изменений, происходящих в условиях пластической деформации исследуемых сталей, свидетельствует о том, что для сталей, содержащих пластинчатые выделения второй фазы, характерно локальное проявление механизма потери устойчивости пластин. Речь идет, в первую очередь, об углеродистых сталях с перлитной или феррито-перлитной структурой и о заэвтектоидных сталях, содержащих избыточный (вторичный) цементит в виде прямолинейных упорядоченно выделенных пластин.

В качестве объектов исследования, содержащих прямолинейные цементитные пластины, использовали сталь У8 после десятичасового насыщения углеродом в твердом карбюризаторе при 1100° С [1], а также углеродистые заэвтектоидные стали. Образцы из заэвтек-тоидной стали получали путем нагрева серого чугуна (3,5 % С) и технического железа (0,03 % С) токами высокой частоты до 1500° С и выдержки при этой температуре в течение 5 минут. Жидкий металл заливали в керамический тигель, нагретый до 700° С, который помещали в электрическую печь и выдерживали в течение 5 часов при 700° С. Дальнейшее охлаждение тигля со сталью осуществляли в выключенной печи. Содержание углерода в слитках соответствовало стали У13.

В зависимости от содержания углерода, содержание избыточного (вторичного) цементита может изменяться. Однако, несмотря на среднее значение объемной доли избыточного цементита, в реальной структуре имеют место существенные локальные различия в содержании карбидов. В некоторых участках наблюдается высокая плотность расположения параллельных пластин избыточного цементита (рис. 1а). Такие участки внешне напоминают структуру пластинчатого эв-тектоида, хотя на самом деле речь идет о других структурных образованиях. В то же время, имеются микрообъемы, в которых наблюдаются обособленные цемен-титные пластины. Длина цементитных пластин достигает сотен микрометров, толщина - на один - два порядка меньше. Отношение длины пластин к их толщине достигает ~500. Естественно, что такие образования в условиях действия сжимающих напряжений могут легко потерять устойчивость.

Пластическую деформацию исследуемых материалов осуществляли в холодном состоянии на прокатном стане ДУО-180. За 10 проходов толщина образцов уменьшалась от 5 до 3,2 мм. Структуру сталей исследовали на металлографическом микроскопе NU 2E и на растровом электронном микроскопе Tesla BS-350.

Результатом потери устойчивости одиночных це-ментитных пластин является их множественный знакопеременный изгиб с образованием характерных волнообразных построений (рис. 1б, 1в). Этот результат в большей степени соответствует механизму потери динамической устойчивости стержней. В реальных условиях пластической деформации цементитные пластины приобретают волнообразную форму, которая может существенно отличаться от синусоиды (рис. 1б). Образующиеся волны часто отличаются друг от друга, как по форме, так и по частоте. Это можно объяснить дефектностью реальной структуры (как цементитных пластин, так и перлитной матрицы), особенностями напряженного состояния в локальных областях, находящихся вблизи от теряющей устойчивость цементит-ной пластины. В структуре, содержащей выделения избыточного цементита в виде редких прямолинейных пластин, пластическая деформация развивается очень неоднородно. Процессы пластического течения локализуются вдоль грубых карбидов. Таким образом, в деформируемой структуре имеются зоны, существенно перегруженные по отношению к соседним участкам. Именно в этих зонах, в первую очередь, происходит образование микротрещин, при объединении которых возможно разрушение всего объекта.

Результаты исследования прокатанных стальных образцов показали, что в общем случае пластинчатый цементит ведет себя как хрупкая фаза. Учитывая грубый характер пластин избыточного цементита, можно было ожидать, что в процессе обжатия они будут скалываться, т. е. вести себя хрупко. Однако следует отметить, что в результате потери устойчивости одиночных цементитных пластин, несмотря на их большую толщину (единицы и десятки микрометров), разрушения цементита зачастую не происходит.

Таким образом, грубый цементит может деформироваться с проявлением пластических свойств. Эти

г)

Рис. 1. Исходная структура цементита в заэвтектоидной стали (а) и потеря устойчивости цементитных пластин в пластически деформированных сталях (б, в, г). а - х250, б - прокатка, £ = 35 %, х1000; в - прокатка, £ = 20 %, х250; г - прокатка, £ = 20 %, х 12000

результаты свидетельствуют о необычном поведении цементита при деформации, поскольку в условиях изгиба в поверхностных зонах пластин большой толщины возникают значительные по величине растягивающие напряжения, в результате чего должно произойти их растрескивание. Такое поведение карбидов, с нашей точки зрения, объясняется их характерным слоистым строением. Каждая массивная цементитная пластина состоит из множества тонких слоев (ґ < 1 мкм). В некоторых исследованных пластинах число слоев составляло ~ 40-50. При изгибе пластин происходит сдвиг тонких слоев друг относительно друга без видимых следов разрушения. Возможно, что между отдельными цемен-титными слоями имеются тонкие ферритные прослойки. Такая гипотеза была выдвинута в работе [2] при исследовании цементита в пластинчатом перлите. В процессе нагружения карбида возможно смещение отдельных цементитных слоев относительно друг друга, что в итоге позволяет им деформироваться с малым радиусом кривизны в местах изгиба. В том случае, если в процессе пластической деформации слоистой структуры имеет место неоднородный сдвиг вдоль пластин и часть слоев сдвигается более интенсивно, тогда в зоне несогласованной деформации возможно образование микропор.

Вторая причина, объясняющая пластичность це-ментитной фазы, может быть связана с проявлением условий гидростатического сжатия в деформируемой среде, т. е. с благоприятным действием окружающей цементитные пластины перлитной матрицы.

Потеря устойчивости и формирование волнообразной структуры также характерно и для пластинчатого перлита (рис. 1г). Следует отметить, что образование подобного рода дефектной структуры наблюдается в пределах какой-либо субколонии или колонии. В соседних колониях, цементитные пластины которых имеют иную ориентировку, образования волнообразной структуры, как правило, не наблюдается. Это свидетельствует о том, что процесс образования волн в слоистой структуре определенным образом связан с ориентацией пластин. Устойчивость теряют пластины тех колоний, пластины которых испытывают сжимающие напряжения, действующие параллельно плоскостям сопряжения цементита и феррита. В некоторых случаях волнообразование наблюдается в колониях, пластины которых примерно на 10-20 градусов отклонены от перпендикуляра к плоскости прокатки. С нашей точки зрения, это объясняется тем, что напряженное состояние в локальных микрообъемах может отличаться от макронапряженного состояния, определяемого схемой деформирования.

Механизм сохранения сплошности материала при знакопеременном изгибе может быть основан на разделении и концентрации имевшихся и вновь образующихся дислокаций. Концентрация одноименных дислокаций в пределах полос определенной ширины обеспечивает изгиб кристаллических решеток феррита и цементита.

Анализируя механизмы потери устойчивости слоистых структур, в частности пластинчатого перлита, можно отметить высокую степень согласованности в движении отдельных микрообъемов. Речь идет о том, что в структурах с малым межпластинча-тым расстоянием и относительно большой величиной объемной доли второй фазы различие в поведе-

нии соседних пластин минимально или вообще не наблюдается. Это позволяет рассматривать такую структуру как механическую систему с жесткими связями, обладающую низкой релаксационной способностью. В то же время, при увеличении межпла-стинчатого расстояния степень согласованности в поведении деформируемых пластин постепенно снижается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батаев В.А., Батаев А.А., Которов С.А., Тушинский Л.И. Особенности разрушения упорядоченно выделенного избыточного цементита в заэвтектоидных сталях // МИТОМ. 1999. № 3.

С. 11-13.

2. Окишев К.Ю., Мирзаев Д.А., Счастливцев Д.М., Яковлева И.Л. Изучение структурных особенностей цементита в перлите по уширению дифракционных максимумов // ФММ. 1998. Т. 85. Вып. 2. С. 145-152.

УДК 539.4.015

РОТАЦИОННЫЙ ХАРАКТЕР ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В СТАЛИ С ГЕТЕРОФАЗНОЙ СТРУКТУРОЙ

© В.А. Батаев, А.А. Батаев, Л.И. Тушинский, С.А. Которов, Д.А. Суханов

Россия, Новосибирск, Государственный технический университет

Bataev V.A., Bataev A.A., Tushinsky L.I., Kotorov S.A., Sukhanov D.A. Rotation character of plastic flow in steel with hetero-phase structure. In requirements of a sliding friction without lubrication in the examined plants, the stratified structure ferrite-cementite with a cementite of the globular shape is shaped. In surface layers of the examined fragments, the structure of the curl form shape is detected. The diameter of separate curls makes ~ 5...50 pm. On the boundary of conjugation of the curl form and banded selections of a cementite there is violation unbroken of the material. The result of the sequential joint of micro-cracks is a fracture of the surface layer of the metal material.

В развитии структурных преобразований, происходящих в деформируемых металлических материалах, важную роль играют процессы ротационной пластической деформации. В последние годы изучению этих процессов уделяется повышенное внимание. Для характеристики обсуждаемых явлений иногда используются термины «вихревое поле напряжений», «вихревое течение», «турбулентный характер деформации» и другие термины и аналогии из области гидродинамики [1-4]. По данным В.Е. Панина с соавторами, явление поворота характерно для различных стадий процесса нагружения деформируемых материалов [1]. Однако наиболее ярко поворот материала проявляется при пластической деформации с высокими степенями.

В работе исследовали процессы структурных преобразований, происходящих в поверхностных слоях стали, подвергнутой интенсивной пластической деформации в процессе сухого трения скольжения. В качестве объектов исследования использовали стальные фрагменты, выдавленные тормозной чугунной колодкой с поверхности колеса железнодорожного вагона. Условия скольжения пары стальное колесо - чугунная колодка были близки к схватыванию. В процессе трения о чугунную колодку температура поверхностного слоя колеса возрастает, прочностные свойства стали снижаются, пластичность увеличивается. В результате воздействия силы трения пластифицированный слой сдвигается и выдавливается тормозной колодкой с поверхности колеса. Масса выдавленных фрагментов достигает нескольких сот граммов.

Таким образом, формированию фрагментов способствуют высокие температуры (по нашим данным, до ~ 600...800° С) и высокие степени пластической

деформации. В результате такого термопластического воздействия происходит полная перестройка структуры стали. Структура пластинчатого перлита меняется на глобулярный перлит. Особенностью вновь образующейся феррито-цементитной структуры является то, что в глубинных слоях анализируемых объектов це-ментитные частицы выделяются вдоль параллельных плоскостей. Поэтому на металлографических шлифах цементитные выделения выглядят в виде множества четких прямолинейных строчек. На фоне светлой фер-ритной матрицы эти строчки хорошо различимы (рис. 1 а). Наблюдаемые структуры напоминают картины ламинарного (слоистого) течения жидкостей, в которые для визуализации отдельных струй добавляют специальные красители. Причина образования слоистой структуры в анализируемой стали связана, вероятно, с тем, что цементит выделяется преимущественно в зонах наиболее активной пластической деформации. При выдавливании материала с поверхности колеса сдвиг происходит вдоль многочисленных плоскостей скольжения. На этих плоскостях и выделяется глобулярный цементит. Таким образом, цементитные частицы декорируют плоскости скольжения в деформируемой стали и с точки зрения визуализации линий течения пластического течения выполняют функцию красителя при наблюдении ламинарного течения в жидкостях.

Механизм образования ориентированных выделений цементита в пластически деформированных углеродистых сталях достаточно подробно обоснован в работах И.Н. Кидина, В.И. Лизунова, В.М. Белявской, посвященных получению естественных композиционных материалов [5]. Вероятно, что этот механизм может быть привлечен и для объяснения структуры, формирующейся в условиях высокоинтенсивного трения