CC BY
107
УДК 669.14.29
М.Р. Орлов, О.Г. Оспенникова, В.И. Громов
ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ
СТАЛИ 38ХН3МА В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Методами оптической и растровой электронной микроскопии выполнены фрактографические и структурные исследования разрушившейся в процессе эксплуатации оси вантовой растяжки из стали 38ХН3МА. Установлено, что эксплуатационная трещина развивалась по механизму замедленного разрушения от технологического дефекта в осевой зоне исходного слитка по зерногранич-ному механизму с последующим переходом трещины в закритиче-скую стадию развития по механизму квазискола. Причиной разрушения оси явилось сочетание ряда факторов: металлургический дефект в центральной зоне заготовки, проявление эффектов водородной и бейнитной хрупкости, объемные остаточные растягивающие напряжения термического происхождения.
E-mail: admin@viam.ru
Ключевые слова: мартенсит, бейнит, аустенит, замедленное разрушение, водородная хрупкость, бейнитная хрупкость, транскристаллитный квазискол.
Обоснование длительных сроков эксплуатации сложных технических систем (СТС) при воздействии различных климатических факторов требует всесторонней оценки условий нагружения конструкции и исследования поведения материалов при длительной работе, включая оценку склонности к коррозионному повреждению и замедленному разрушению. Необходим детальный анализ производственно-технологических факторов, оказывающих существенное влияние на длительную работоспособность материалов.
При разработке крупногабаритных деталей и элементов конструкции СТС в расчетах коэффициентов запаса прочности требуется учитывать особенности структурно-фазовых превращений в сталях, обусловленные низкой скоростью нагрева и охлаждения заготовок в процессе горячей деформации и последующей термической обработки, а также неизбежно возникающими градиентами температур, предопределяющими структурную неоднородность и высокий уровень остаточных напряжений в изделиях.
Длительная и безопасная эксплуатация СТС должна базироваться на ресурсных испытаниях материалов и элементов конструкции в условиях воздействия таких факторов, как коррозионная среда, циклические (суточные и сезонные) изменения температуры и напряжений, в сочетании с определением склонности материалов к замедленному разрушению.
Результаты исследований и их обсуждение. Разрушение оси (0 528 мм) вантовой поддержки кровли спорткомплекса «Крылатское» произошло в результате длительной эксплуатации при воздействии расчетных статических напряжений, существенно меньших, чем предел текучести стали 38ХН3МА, из которой изготовлена ось, с отделением фрагмента длиной около 400 мм и значительным шумовым эффектом. Фрагмент оси со стороны эксплуатационного разрушения представлен на рис. 1.
Осмотр фрагмента позволил установить, что разрушение развивалось в направлении от центральной зоны к поверхности под небольшим углом относительно диаметральной плоскости оси, о чем свидетельствуют кольцевые линии, соответствующие изменению скорости роста трещины, а также ветвление трещины в направлении к наружной поверхности оси. В изломе имеется асимметричное смещение концентрических колец, что обусловлено неоднородностью распределения упругих напряжений в сечении оси.
Исследование центрального фрагмента излома показало, что в очаговой зоне разрушения находится технологический дефект.
Исследование механизма эксплуатационного разрушения выполнили методами фрактографии и металлографии высокого разрешения с использованием оптической и растровой электронной микроскопии (РЭМ); состав неметаллических включений определяли методом
Рис. 1. Фрагмент разрушившейся оси вантовой поддержки кровли (вид со стороны поверхности разрушения)
энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА); анализ химического состава стали на соответствие требованиям ГОСТ 4543-71 выполнили методом оптико-эмиссионного спектрального анализа; прочностные (о0,2, св) и пластические (5, у) характеристики, ударную вязкость (КСЦ) и твердость (ИЯС) определили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, ГОСТ 9013-59.
В результате фрактографических исследований эксплуатационного разрушения оси установлено, что в очаговой зоне разрушения находится технологический дефект в виде литейной усадочной рыхлоты размером около 8 мм, не устраненной в процессе горячей деформации заготовки. Методами РЭМ и РСМА определено, что в зоне технологического дефекта присутствует значительное количество сульфидов марганца (рис. 2). Ниже приведены результаты определения состава фаз в зонах 1-6, отмеченных на рис. 2, % масс.:
Зона Si S Cr Mn Fe Ni
1 0,43 0,41 2,19 0,23 93,57 3,17
2 0,28 38,21 0,39 53,63 7,12 0,37
3 0,96 38,81 0,25 53,39 6,57 0,02
4 0,59 0,58 1,86 0,65 93,54 2,78
5 0,63 1,84 1,87 2,06 90,95 2,66
6 0,51 1,03 1,72 1,00 92,80 2,94
Рис. 2. Технологический дефект - усадочная кристаллизационная пористость в центральной зоне излома оси (*2000) (стрелками отмечены зоны анализа состава методом РСМА)
При исследовании фрагментов поверхности разрушения методом РЭМ было установлено, что центральная часть излома представлена межзеренным рельефом, характерным для механизма замедленного разрушения (рис. 3, а и б). По мере роста трещины увеличивалась скорость ее движения, при этом зернограничный механизм разрушения периодически изменялся на хрупкий транскристаллитный квазискол (рис 3, в и г).
Исследование травленого темплета, вырезанного из фрагмента оси, позволило обнаружить наличие множества трещин, трактуемых согласно справочным данным как флокены. Образование флоке-нов - проявление водородной хрупкости сталей мартенситного класса в крупногабаритных заготовках. Выделение водорода на структурных дефектах стали 38ХН3МА в условиях действия растягивающих остаточных напряжений после термической обработки способствовало развитию эксплуатационной трещины по механизму замедленного разрушения по границам аустенитных зерен (см. рис. 3, а и б).
Рис. 3. Хрупкий механизм разрушения оси:
а, б - межзеренное замедленное разрушение в центральной зоне; в, г - разрушение квазисколом на участках ускоренного развития трещины
Периодическая смена механизма разрушения обусловлена циклическим изменением напряженно-деформированного состояния (НДС) оси. Циклическое изменение механизма роста трещины соответствует концентрическим кольцам в изломе, концентрическое движение фронта эксплуатационной трещины - осесимметричному НДС детали, включая статическую и переменную составляющие, и не соответствует действию изгибных нагрузок на ось в процессе работы конструкции.
Вероятной причиной возникновения продольно ориентированных статических растягивающих напряжений в центральной зоне оси могут быть остаточные напряжения после термической обработки. Циклические напряжения в центральной зоне оси могут быть обусловлены появлением радиального температурного градиента в результате суточного цикла изменения температуры.
В технологии изготовления оси предусмотрена упрочняющая термическая обработка стали 38ХН3МА, включающая закалку в масле от температуры 860 °С и отпуск при 640 °С с последующим охлаждением заготовки на воздухе. Известно, что разрушение мартенсита отпуска среднеуглеродистых комплекснолегированных конструкционных сталей происходит по вязкому механизму, соответствующему ямочному рельефу излома. Появление участков квазискола свидетельствует о присутствии в структуре стали бейнита [1, 2].
Исследование микроструктуры темплета оси методом РЭМ подтвердило присутствие бейнита по всему сечению оси. В центральной зоне оси микроструктура представлена верхним бейнитом (рис. 4, а), а поверхность оси имеет структуру нижнего бейнита (рис. 4, б).
Бейнитная хрупкость легированных конструкционных сталей обусловлена значительным повышением критической температуры вязкохрупкого перехода (температуры хладноломкости) Гкр для стали со структурой бейнита (до 120 °С) по сравнению с конструкционной сталью со структурой мартенсита (-62 °С) [3].
Замедленное охлаждение крупногабаритных заготовок может привести к снижению конструкционной прочности стали не только вследствие распада переохлажденного аустенита в бейнитной области температур при закалке, но и в результате развития отпускной хрупкости при замедленном охлаждении заготовок от температуры отпуска [4].
Для определения уровня снижения прочностных и пластических свойств стали 38ХН3МА со структурой бейнита в составе разрушившейся оси, из приповерхностной зоны фрагмента оси изготовили образцы для механических испытаний на ударный изгиб и растяжение. Первую партию образцов испытали при нормальной температуре
Рис. 4. Микроструктура стали 38ХН3МА в разрушившейся оси (Х5000):
а - структура верхнего бейнита в центральной зоне оси; б - структура нижнего бейнита в приповерхностной зоне оси; в - мартенсит отпуска после повторной термообработки образцов, изготовленных из разрушившейся оси; г - вязкий ямочный механизм разрушения стали 38ХН3МА со структурой отпущенного мартенсита
в исходном состоянии, вторую партию - после термообработки по режиму, соответствующему термообработке оси (с поправкой на реальный размер образцов): нагрев до 860 °С, выдержка 45 мин, закалка в масле, отпуск при 640 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе.
Термическая обработка (ТО) образцов в лабораторных условиях обеспечила сквозную прокаливаемость стали 38ХН3МА и исключила образование структуры бейнита. Результаты определения механических характеристик стали 38ХН3МА в исходном состоянии и после повторной термообработки образцов из оси представлены в таблице.
Сравнительные испытания образцов показали, что при одинаковых характеристиках пластичности и более высоких значениях прочности и твердости ударная вязкость (КСи) образцов, закаленных на структуру мартенсита, почти в 2 раза выше, чем для исходного состояния стали, термообработанной в составе оси.
Механические свойства стали 38ХН3МА из поверхностной зоны оси
Образец Состояние ^0,2, МПа О в, МПа S, % % KCU, кДж/м2 HRC
1 ТО оси 855 1015 15,0 56,5 570 31,3
2 860 1020 15,5 57,5 700 30,5
3 ТО образца 1045 1150 15,5 58,0 1080 33,4
4 1100 1100 14,5 52,5 1100 33,4
Сравнительное исследование структуры и изломов образцов, свойства которых представлены в таблице, подтвердило хрупкий механизм разрушения стали 38ХН3МА со структурой нижнего бейнита на поверхности оси и вязкий механизм разрушения стали со структурой мартенсита (рис. 4, в и г).
Исключение вероятности проявления бейнитной хрупкости крупногабаритных изделий из легированных конструкционных сталей обеспечивается сквозной прокаливаемостью заготовок. Прокали-ваемость таких сталей в крупных сечениях определяется содержанием в них никеля, повышающего устойчивость аустенита в промежуточной (бейнитной) области температур [2]. Анализ состава стали 38ХН3МА исследованного фрагмента оси на соответствие требованиям ГОСТ 4543-71 позволил установить, что содержании никеля находится на нижнем пределе интервала легирования.
Еще одной проблемой, связанной с образованием бейнитных структур в процессе закалки крупногабаритных заготовок, является повышение содержания остаточного аустенита (до 15 %), распадающегося в процессе высокотемпературного отпуска. По этой причине в цикле термической обработки стали, содержащей в структуре бей-нит (при повышенном содержании остаточного аустенита) необходимо выполнять двойной отпуск для устранения объемных напряжений, возникающих в процессе распада остаточного аустенита после первого отпуска.
Выводы. Разрушение оси вантовой поддержки кровли спорткомплекса «Крылатское» из стали 38ХН3МА произошло в результате развития трещины по механизму зернограничного замедленного разрушения с последующим переходом в стадию ускоренного развития по механизму квазискола.
Совокупность факторов, определивших эксплуатационное разрушение оси из стали 38ХН3МА:
• наличие металлургического дефекта в центральной зоне заготовки;
• участие водорода в процессе замедленного разрушения по меж-зеренному механизму;
• недостаточная прокаливаемость стали 38ХН3МА и образование в процессе закалки промежуточных структур распада аустенита, являющихся причиной эффекта бейнитной хрупкости;
• возникновение объемных остаточных напряжений в результате распада остаточного аустенита при высокотемпературном отпуске.
Для исключения дефектов в виде литейной усадочной рыхлоты в центральной зоне заготовок осей вантовой поддержки кровли степень укова исходной литой заготовки должна быть не менее 5.
Причиной недостаточной прокаливаемости стали 38ХН3МА является низкое содержание никеля (на нижнем пределе интервала легирования), являющегося основным компонентом, обеспечивающим устойчивость переохлажденного аустенита в температурной области бейнитного распада. В целях обеспечения сквозной прокаливаемости заготовок из стали 38ХН3МА для изготовления осей вантовой поддержки кровли содержание никеля должно соответствовать верхнему пределу по ГОСТ 4543-71.
Чтобы повысить прокаливаемость указанных заготовок и эффективность противофлокенной обработки, представляется целесообразным использовать полые заготовки со сквозным отверстием 80.. .100 мм.
Для исключения эксплуатационных разрушений деталей и конструкций СТС необходимо проведение испытаний материалов и элементов конструкций в натурных условиях и лабораторных ускоренных испытаний на замедленное разрушение и коррозионную трещи-ностойкость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тишаев С. И., Орлов М. Р., Колесников В. А. О природе «бейнит-ной» хрупкости вторичнотвердеющих сталей // Изв. АН СССР. Металлы. 1985. № 4. С. 143-149.
2. Тишаев С. И., Орлов М. Р., Дегтярев В. Н. Влияние никеля и марганца на «бейнитную» хрупкость вторичнотвердеющих Cr-Mo-V-сталей // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. № 1. С. 157-164.
3. Viswanatan R. and Shaw B. // Scripta Metallurgica. 1974. Vol. 8. P. 1255-1260.
4. Lei T.C., Tang C.H. and Su M. // Metal Science, 1983. Vol. 17. No. 2. P. 75-79.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
