Влияние структуры стали Ст3 на ее долговечность Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.186.6

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СТАЛИ СтЗ НА ЕЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

© О.Ю. Полетаева, М.Н. Назарова, М.В. Дмитриева, М.М. Бикбулатов

Россия, Уфа, Государственный нефтяной технический университет

Poletaeva O.Y., Nazarova M.N., Dmitrieva M.V., Bikbulatov M.M. Influence of the structure of steel St3 on its endurance. The influence of different dislocations structure inside the ferrite grains on mechanical properties and the development of fatigue failure processes on an example of low carbon (ferrite-pearlitic) sheet steel St3 are considered in the article. Fracto-graphic studies show that in the presence of «knife-like» boundaries inside the ferrite grains, the rate of growth of fatigue cracks increases.

В настоящее время установлены качественные различия дислокационных структур, образующихся при увеличении степени пластической деформации: разрозненные дислокационные скопления, устойчивые полосы скольжения, ячеистая и фрагментированная структуры [1, 2]. Аналогичные структуры формируются в материалах, работающих при переменных нагрузках [1, 3, 4]. На основании этого было высказано предположение о влиянии дислокационных структур на развитие процессов усталостного разрушения. Такая информация важна как для понимания физики разрушения, так и для решения прикладных задач, например, для разработки методов прогнозирования процессов разрушения конструкционных металлических материалов, работающих в условиях переменных нагрузок. В настоящей работе приведены результаты исследований влияния различных дислокационных структур, формирующихся внутри ферритных зерен при переменных нагрузках, на развитие усталостного разрушения ферритно-перлитной стали.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом для исследований выбрали широко применяемую в строительстве резервуаров и трубопроводов малоуглеродистую листовую сталь Ст3 (Ее -0,17 % С - 0,5 % Мп - 0,2 % БІ - 0,03 % Р - 0,04 % Б). Используя методы переменной деформации, описанные в работах [3, 4], получили образцы с различной дислокационной структурой внутри ферритных зерен (рис. 1). Испытания на усталостное разрушение проводили на установке «БИепк». Микрорельеф поверхности после усталостного разрушения изучали на растровом электронном микроскопе 1БМ-840.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены типичные дислокационные структуры, образующиеся внутри ферритных зерен и часто встречающиеся после длительной эксплуатации резервуаров и трубопроводов. В состоянии поставки внутри ферритных зерен наблюдается

высокая плотность и крайне неоднородное распределение решеточных дислокаций. Зачастую встречаются участки, в которых отдельные дислокации неразрешимы (рис. 1а). Упругие искажения, создаваемые такими участками, образуют контура экс-тинкции. Длительная эксплуатация трубопроводов и резервуаров приводит к постепенному образованию однородной ячеистой структуры с плотными границами (рис. 1б). Средний размер ячеек составляет около 1 мкм, а углы разориентировок между ними не превышают 1-2°. Аналогичная структура может формироваться и при больших пластических деформациях с монотонным нагружением [2]. Отметим, что внутри ферритных зерен деформация протекает неоднородно. Встречаются отдельные участки, в которых наблюдается начальная стадия формирования границ ячеек, а также области, в которых отдельные дислокации не разрешаются. Более длительная эксплуатация приводит к фрагментированной структуре, характеризующейся высокоугловыми (более 20°), протяженными, прямолинейными или плавно изогнутыми, очень тонкими и совершенными границами (рис. 1в). Такие границы авторы [2] назвали «ножевыми» и наблюдали в никеле при больших пластических деформациях. Эти границы создают большие разориентировки прилегающих областей. Такая структура может быть сформирована в результате либо одновременного поворота ячеек преимущественно в одном направлении, либо в результате их разупорядоченного разворота.

Для того чтобы установить влияние различных дислокационных структур на долговечность, были проведены испытания образцов на усталостное разрушение. С этой целью были изготовлены образцы с двумя симметричными У-образными надрезами. Испытания на усталостное разрушение проводили в условиях малоцикловой деформации при постоянном напряжении ст = <702. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Из сравнительных испытаний образцов с различной дислокационной структурой видно, что количество циклов до полного разрушения образцов с «ножевыми» границами более чем в три раза меньше в сравнении с исходными образцами.

Рис. 1. Просвечивающая электронная микроскопия стали Ст3: а - исходное состояние; б - ячеистая структура; в - структура с «ножевыми» границами зерен

Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия (микрорельеф поверхности после усталостного разрушения): а -исходное состояние; б - ячеистая структура; в - структура с «ножевыми» границами зерен

Заметное влияние различные дислокационные структуры оказывают не только на общее число циклов до полного разрушения, но и на микрорельеф усталостного разрушения. Растровый электронно-микроскопический анализ показал, что в образцах с исходной структурой, ячеистой и содержащих «ножевые» границы, ширина усталостных бороздок возрастает и, соответственно, составила 0,34 мкм, 0, 42 мкм и 1,3 мкм (рис. 2). Данные результаты показывают, что самая высокая скорость роста усталостных трещин наблюдается в образцах стали, содержащих «ножевые» границы раздела в ферритных зернах.

Таблица 1

Зависимость количества циклов до полного разрушения в зависимости от дислокационной структуры стали в условиях малоцикловой деформации

Образцы стали Ст3 Общее число циклов до полного разрушения

Исходное состояние р = 2-109 - 8-1010 см-2 39200

Ячеистая структура 27800

Фрагментированная

структура с «ножевыми» 10300

границами

Таким образом, экспериментально показано влияние дислокационных структур, образующихся внутри ферритных зерен стали Ст3, на развитие процессов разрушения. Опасными, с точки зрения развития усталостного разрушения, являются «ножевые» границы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Синергетика и усталостное разрушение металлов / Под ред. В.С. Ивановой. М.: Наука, 1989. 246 с.

2. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.

3. Ценев Н.К., Шаммазов А.М. Влияние внутренних границ раздела на развитие процессов разрушения в низкоуглеродистых сталях // ДАН. 1998. Т. 361. № 6. С. 762-764.

4. Shammazov A.M., Tsenev N.K., Suhanov V.D., Selskii B.E. The structure of grain Boundaries and the processes of failure in the ferrite-pearlitic steels // Intergranular and Interphase Boundaries in Materials / Ed. by P. Lejcek, V. Paidar. Trans Tech Publications, 1998. Р. 665-668.

УДК 534.8:53.085.332

ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

И ИХ РОЛИ В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ

© А.В. Буданов, Ал.И. Кустов*, И.А. Мигель*, Ан.И. Кустов**

Россия, Воронеж, Государственная технологическая академия *Военный авиационный инженерный институт **Государственный университет

Budanov A.V., Kustov Al.I., Migel I.A., Kustov An.I. The acoustic-microscope investigation of discontinuities in surface layers of solid materials and their role in the processes of destruction of materials. The article discusses the results of the experiments proving the possibility of data obtaining by means of acoustic-microscopy methods. Discontinuities and their elastic - mechanical parameters enable investigation.

Известно, что определяющее влияние на прочностные и упруго-механические свойства твердотельных объектов оказывает их поверхность, наличие, размеры и конфигурация ее структурных составляющих. Выявление и характеризация микровключений, а также их влияние на локальные упругие свойства поверхности, известными способами, имеют значительные ограничения. Проблема изучения локальных упругих свойств микровключений, на наш взгляд, может быть решена методом акустических интерференционных полос.

Этот метод позволяет экспериментально оценить достоверность выражений для расчета значений vR непосредственно по акустическому изображению. Линейность акустических приемников обусловливает появление на акустических изображениях интерференционных полос. Механизмы их возникновения могут быть разнообразными. Самый простой и распространенный из них - эффект клина, возникающий при отклонении отражающей поверхности от плоскостности или при ее наклоне. Рассмотрим случай, когда полосы обусловлены интерференцией различных частей отраженного излучения. В этом случае они могут быть использованы для количественных оценок акустических параметров образца. Такая возможность в особенности интересна при количественной оценке параметров либо

малых включений, либо малых образцов. Механические характеристики таких объектов невозможно ни измерить, ни даже оценить никакими другими методами кроме акустомикроскопических.

Если выходной акустический сигнал образуется при участии вытекающей волны, вблизи границы раздела или трещины возникает система светлых и темных чередующихся полос, обусловленная интерференцией основного сигнала с сигналом, возбуждаемым отраженной от препятствия вытекающей волной. Выходной сигнал сканирующего акустического микроскопа (САМ) вблизи границы может быть записан в виде:

V(x,Z) = Л(2 )е,фо(2) + V(Z)eЩref (2). (1)

Здесь Л(Z)exp{ity0(Z)} - основной сигнал на выходе микроскопа. Он не зависит ни от наличия границы, ни от расстояния от нее до фокального пятна. Амплитуда и фаза основного сигнала, естественно, зависят от координаты г-взаимного положения линзы и поверхности образца по высоте. На основной сигнал накладывается дополнительный сигнал Vrej(Z)exp{щej(Z)}, возбуждаемый вытекающими рэлеевскими волнами, отраженными