Full Text

Введение Диспергирование структуры является наиболее распространенным способом повышения комплекса механических свойств конструкционных сталей, так как позволяет одновременно повысить как характеристики прочности, так и характеристики сопротивления хрупкому разрушению [1-3]. Известны способы диспергирования структуры металлов, основанные на применении интенсивной пластической деформации (ИПД) [4-12] или сочетании методов ИПД и термической обработки [13]. Эффективным способом реализации пластической деформации металла в промышленных условиях является метод холодной радиальной ковки (ХРК). ХРК позволяет существенно повысить уровень как прочности, так и надежности сталей, особенно если исходным состоянием заготовок перед ХРК являлось высоковязкое состояние [14, 15]. При этом несомненный интерес представляет комплексное исследование механических свойств, структуры и рельефа поверхности образцов, прошедших испытания на динамическую трещиностойкость. Целью данной работы является установление взаимосвязи между особенностями рельефа изломов и характеристиками динамической трещиностойкости, прочности стали 09Г2С после различных режимов термической и деформационно-термической обработки. Материалы и методики исследования Исследовали трубные заготовки Æ70´15 мм из конструкционной стали 09Г2С. Химический состав стали, мас. %: 0,11 C; 0,50 Si; 1,26 Mn; 0,005 S; 0,017 P; 0,22 Cr; 0,18Ni; 0,14 Cu; 0,14 Mo. Термическую и деформационно-термическую обработку проводили на трубной заготовке в шахтной печи по следующим режимам: Режим 1. Термическое улучшение (ТУ) - закалка в воду с температуры 920 °С, отпуск при температуре 570 °С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде. Режим 2. ТУ + радиальная ковка (РК) с общей степенью деформации 55 % (РК (e = 55 %)). Режим 3. ТУ + РК (e = 55 %) + отжиг при температуре 300 °С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде. Режим 4. ТУ + РК (e = 55 %) + отжиг при температуре 600 °С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде. Испытания на ударный изгиб проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 9454-78 на образцах с размерами 6,5´11,5´55 мм. На рис. 1 представлена схема вырезки образцов из трубной заготовки после 1-го и 2-го режимов обработки. а б Рис. 1. Схема вырезки образцов из трубной заготовки: а - после ТУ (режим 1); б - после ТУ + РК (ε = 55 %) (режим 2) Для выращивания трещины-концентратора на образцах использовали вибрационную машину Дроздовского; испытания проводили на маятниковом копре МК-30 при комнатной температуре. Геометрические параметры образцов и изломов определяли с помощью стереомикроскопа Olympus SZX-16 с точностью ±0,05 мм. Ударную вязкость рассчитывали по формуле (1) где Ар - работа разрушения, снимаемая со шкалы копра с точностью до ±0,05 кГ·м; F - площадь живого сечения образца, см2. Оценку ударной вязкости в условиях, максимально приближенных к плоской деформации, проводили по методике, описанной в работах [16-18] и патенте[4] на образцах с двумя дополнительными боковыми V-образными надрезами, глубина которых составляла 1,0 мм. С помощью цифрового фотоаппарата Сanon Digital IXUS 130 получили фотографии изломов образцов исследуемой стали. Характеристики прочности и пластичности определяли на коротких цилиндрических образцах с начальным диаметром 5 мм по ГОСТ 1497-84 на универсальной гидравлической системе для статических испытаний INSTRON-SATEC 300LX. Результаты испытаний обрабатывали с построением диаграмм растяжения в программе Bluehill. Для анализа характеристик механических свойств определяли условный предел текучести σ0,2. Относительное сужение ψ оценивали по изменению диаметра образца. После каждого режима обработки испытывали не менее четырех образцов. Исследование микромеханизма разрушения проводили на половинках ударных образцов с двумя дополнительными надрезами глубиной 1 мм с помощью сканирующего электронного микроскопа (FEI) PHENOM ProX при увеличении в 500-2000 раз и ускоряющем напряжении 15 кВ. С помощью программного пакета Olympus Stream Motion 1.8 проводили вычисление площади ямок с помощью инструмента оценки площади по замкнутому контуру. Анализ проводился на электронно-микроскопических изображениях, общее количество полей не менее 30. На изображениях оценивали объекты, которые отождествлялись ямками. Площадь каждой ямки вычисляли с помощью замыкания контура микроберегов пластической деформации с использованием инструмента оценки площади по замкнутому контуру. Далее проводили унифицирование свободной формы ямки в окружность, Sямки = Sкруга, затем рассчитывали диаметр крупных (более 3 мкм) ямок как диаметр унифицированной окружности по формуле (2) Результаты исследования и их обсуждение Результаты динамических испытаний образцов по ГОСТ 9454-78 с варьируемой относительной длиной трещины λ = 0,25…0,7 и образцов с двумя дополнительными надрезами и различной длиной трещины по методике [19] представлены на диаграмме динамической трещиностойкости (ДТ) (рис. 2). Результаты оценки уровня динамической трещиностойкости в исходном состоянии (режим 1) показали, что уровень параметра КСТ* ≡ для стали 09Г2С равен 124 Дж/см2, при этом критическая величина относительной длины трещины λ* = 0,68. Проведение режима 2 привело к понижению уровня КСТ* до 82 Дж/см2. Также наблюдали уменьшение параметра критической величины относительной длины трещины λ* = 0,68. Проведение обработки по режиму 3 привело к еще большему снижению уровня ДТ до КСТ* = 73 Дж/см2. Наряду с уменьшением ДТ наблюдалось уменьшение значения параметра λ*, который понизился до 0,60. Проведение обработки по режиму 4 привело к увеличению уровня ДТ (КСТ*) до 117 Дж/см2, при этом наблюдали значительное увеличение параметра λ*, до 0,78, что свидетельствует об увеличении сопротивления распространения трещины в условиях плоскодеформированного состояния. б в г д а е ж з и Рис. 2. Диаграмма динамической трещиностойкости стали 09Г2С (а), обработанной по режимам 1 (●), 2(■), 3 (▲), 4 (□), и изломы: б, е - режим 1; в, ж - режим 2; г, з - режим 3; д, и - режим 4; б, в, г, д - образцы с варьируемой длиной трещины без дополнительных боковых надрезов λ = 0,30; 0,40; 0,56; 0,38 соответственно; е, ж, з, и - образцы с двумя дополнительными боковыми надрезами глубиной 1 мм и варьируемой длиной трещины λ = 0,35; 0,64; 0,56; 0,55 соответственно Характеристики прочности материала после деформационно-термической обработки подробно изучены в работе [19]. Результаты испытаний стали на одноосное растяжение, а также параметры динамической трещиностойкости представлены в табл. 1. Таблица 1 Характеристики ударной вязкости, динамической трещиностойкости, прочности и пластичности стали 09Г2С Режим обработки КСТ, Дж/см2 Динамическая трещиностойкость σ0,2 σВ δ ψ КСТ*, Дж/см2 R, Дж/см2 λ* МПа % 1 210 124 250 0,68 520 650 33 79 2 175 82 237 0,68 770 825 17,5 69,5 3 165 73 240 0,60 810 820 13 70,5 4 220 117 165 0,78 560 595 23 74 С помощью электронно-фрактографического анализа поверхности разрушения образцов с боковыми надрезами стали 09Г2С после различных режимов деформационно-термической обработки было выявлено, что разрушение всех образцов происходило по вязкому, ямочному механизму. Однако морфология и размеры этих ямок для разных режимов обработки весьма различны. Микромеханизм роста трещины представлен уплощенными ямками-конусами (УЯК), глубокими ямками-тоннелями (ЯТ) и микроямками (МК) (рис. 3-6, а). а б Рис. 3. Поверхность разрушения (а) и гистограмма распределения ямок по диаметрам (б) стали 09Г2С, обработанной по 1-му режиму Результаты количественной оценки параметров элементов рельефа поверхности разрушения представлены в табл. 2. Стоит отметить, что после проведения термического улучшения (режим 1) на поверхности разрушения (см. рис. 3, а) наблюдаются УЯК больших размеров, максимальный диаметр которых составляет ~88 мкм (рис. 3, б). Доля поверхности разрушения, занятая крупными ямками в исходном состоянии, составляет 68,5 %. Проведение обработки по режиму 2 приводит к снижению доли крупных ямок в изломе примерно на 10 % и составляет 57,5 %. Также наблюдается уменьшение максимального размера УЯК до ~72 мкм (рис. 4, а, б). После проведения обработки по режиму 3 на поверхности разрушения (рис. 5, а) наблюдается незначительное увеличение максимальных размеров ямок-конусов до ~81 мкм по сравнению с режимом 2 (рис. 5, б). Доля крупных ямок в изломе после обработки по 3-му режиму составила 59 %. Таблица 2 Результаты количественной оценки параметров ямок Режим обработки ωП, % ωМК, % Dмакс, мкм Dср, мкм 1 70,9 29,1 88,3 15,2 2 58,7 41,3 71,6 16,2 3 59,6 40,4 81,6 15,9 4 70,4 29,6 101,8 22,3 Примечание: ωП - доля крупных УЯК и ЯТ; wМК - доля микроямок; Dмакс - максимальный диаметр крупной ямки; Dср - средний диаметр ямок. а б Рис. 4. Поверхность разрушения (а) и гистограмма распределения ямок по диаметрам (б) стали 09Г2С, обработанной по 2-му режиму а б Рис. 5. Поверхность разрушения (а) и гистограмма распределения ямок по диаметрам (б) стали 09Г2С, обработанной по 3-му режиму После проведения обработки по режиму 4 доля крупных ямок в изломе составляет 69 %. Максимальный диаметр крупных ямок достигает ~101 мкм (рис. 6, б), что на 10-11 % больше по сравнению с исходным состоянием. Гистограммы распределения ямок по диаметрам для всех режимов обработки имеют одномодальный характер с положительной асимметрией. а б Рис. 6. Поверхность разрушения (а) и гистограмма распределения ямок по диаметрам (б) стали 09Г2С, обработанной по 4-му режиму Электронно-фрактографический анализ поверхности разрушения показал, что УЯК зарождались преимущественно на сферических (глобулярных) включениях (рис. 7, а). После проведения режимов 2-4 наряду с УЯК наблюдали глубокие ЯТ, которые, в свою очередь, образовывались преимущественно на стержневых включениях (рис. 7, б). Аналогичные закономерности образования элементов рельефа поверхности разрушения наблюдали в работе [14]. Размерные и количественные характеристики фрактурных элементов для всех режимов представлены в табл. 2. Для проведения совместного анализа всех полученных результатов использовали данные табл. 1, 2. Анализ результатов показал, что прочность и динамическая трещиностойкость незначительно зависят от среднего размера ямок, однако достаточно сильно зависят от доли крупных ямок на поверхности разрушения. Из графиков на рис. 8, а, б видно, что ударная вязкость, динамическая трещиностойкость и характеристики прочности стали 09Г2С, обработанной по режимам 2, 3, находятся примерно на одном уровне, при этом средний диаметр крупных элементов поверхности разрушения равен ~16 мкм и их доля составляет ~59 %. Увеличение доли крупных ямок на поверхности разрушения до 70 % приводит к значительному росту динамической трещиностойкости: 124 и 117 Дж/см2 для режимов обработки 1 и 4 соответственно. а б Рис. 7. Образование элементов поверхности разрушения на глобулярных (1) и стержневых (2) включениях: а - сталь 09Г2С, режим 2; б - сталь 35Х, ТУ + РК (ε = 55 %) а б Рис. 8. Изменение геометрических, количественных характеристик микроямок (а) и механических свойств (б) в зависимости от режима обработки Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Совместный анализ параметров ДТ, характеристик прочности и пластичности показал, что максимальный уровень предела прочности и предела текучести реализуется в стали 09Г2С после проведения обработки по режиму 3. При этом ударная вязкость и динамическая трещиностойкость имеют минимальные значения. 2. Показано, что после проведения различных режимов деформационно-термической обработки микромеханизм роста трещины является вязким, микрорельеф поверхности разрушения представлен уплощенными ямками-конусами, глубокими ямками-тоннелями и микро-ямками. 3. Установлено, что количественные характеристики элементов рельефа поверхности разрушения после обработки по режимам 1, 4 и 2, 3 находятся примерно на одном уровне, при этом параметры ударной вязкости, динамической трещиностойкости, прочности изменяются незначительно, в среднем на 6 %.

About the authors

G. S Shaimanov

Perm National Research Polytechnic University

Email: mto@pstu.ru

M. Yu Simonov

Perm National Research Polytechnic University

Email: mto@pstu.ru

Yu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

Email: mto@pstu.ru

A. S Pertsev

JC "Perm Research Technological Institute"

Email: Ogmet@pniti.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 30

Refbacks

• There are currently no refbacks.