Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 9, стр. 990-996

ВВЕДЕНИЕ

Область сжатия – особая область изгибаемого образца (балки), деформация в которой, начинающаяся с момента приложения нагрузки, проходит согласованно с деформацией в области растяжения. При снижении вязкости металла размер области сжатия (зоны долома) уменьшается [1], как и уровень пластической деформации в ней. Даже при разрушении высоковязких образцов область сжатия в несколько раз меньше области растяжения [2], а суммарная деформация в зоне долома значительно выше.

Область сжатия примыкает к “нижней” поверхности образца, что в условиях плосконапряженного состояния определяет повышенную маневренность дислокаций даже в хрупком материале. Сравнительно легкое движение дислокаций в полосах сдвига приводит в области сжатия к возникновению растягивающих напряжений, нормальных к полосе сдвига (линиям скольжения) и раскрывающих их отдельные участки в трещины [3]. Такие трещины сдвига, окаймляющие ось пластического шарнира, начинаются от “нижней” поверхности образца и как бы переходят в линии скольжения, распространяющиеся навстречу магистральной трещине [2].

Интенсивная пластическая деформация и большие напряжения в образцах, в которых магистральная трещина (МТр) распространяется поперек поверхности слоев, приводят к существенным отличиям параметров пластического течения и трещинообразования от таковых в образцах, в которых МТр распространяется вдоль волокон. Таким образом, целью настоящей работы явилось изучение влияния направления распространения МТр на механизм разрушения высокочистой высоковязкой стали с слоистой структурой.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования являлась сталь типа 08Г2Б промышленной выплавки следующего химического состава (мас. %): 0.08 С; ∼2 Mn; 0.2 Mo; Σ (Ti-V-Nb) ≈ 0.15; 0.004 N; 0.04 Al; 0.004 S; 0.007 P. Как показано в [4], в исследованной стали в результате контролируемой прокатки и последующего ускоренного охлаждения формируется ультрадисперсная феррито-бейнитная/мартенситная структура с размером зерен 3–6 мкм, где доля продуктов низкотемпературного распада аустенита составляет 15–30%. Особенностью структуры является ярко выраженная полосчатость вдоль направления прокатки. Полосы шириной 3–15 мкм разделены длинными, слегка изогнутыми большеугловыми границами.

Образцы Шарпи для испытаний на ударный изгиб вырезались поперек направления прокатки из середины листа; V-образный надрез по типу 2 располагался вдоль направления прокатки перпендикулярно плоскости листа (рис. 1а). Полученные данные по структуре, распределению деформации и механическим свойствам сопоставлялись с таковыми, полученными для образцов с надрезом типа 1. В дальнейшем такие образцы будут соответственно называться образцами 1 (рис. 1б) и 2 (рис. 1в).

Ударное нагружение образцов при температурах от +20 до –80°С проводилось на копре с падающим грузом INSTRON CEAST 9350.

Металлографический анализ проводился на разрушенных и недоломанных образцах в серединном сечении ПН(y)-НН(z), перпендикулярном поверхности излома, с использованием светового микроскопа Nikon Epiphot 200 при увеличениях от 100 до 500 крат.

Измерения микротвердости пирамидой Виккерса при нагрузке 9 Н с регистрацией диаграммы вдавливания проводились на микротвердомере CSM MHT. Согласно [5], минимально допустимое расстояние между уколами индентора должно быть не менее трех диагоналей отпечатка. Диагональ отпечатка составляла около 76 мкм. В работе микроидентирование образцов в области сжатия произведено по 11 трассам, расположенным на расстоянии 300 мкм друг от друга, каждая трасса состояла из 10 измерений, расстояние между уколами – 300 мкм. Следовательно, при микроидентировании каждый отпечаток захватывал большое количество зерен, а величина микротвердости достаточно достоверно отражает уровень наклепа локальной области образца.

С целью оценки степени деформации ε в локальных областях испытанных образцов было проведено микроиндентирование образцов, прокатанных с разными степеями обжатия. Полученная зависимость HV_μ = f (ε) была аппроксимирована линейной функцией

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показан участок излома образца, расположенный ниже нейтральной линии, и испытывающий при изгибе плавный поворот на угол близкий к 90°. На микроуровне поверхность изрезана вследствие раскрытия на ней пор и небольших очаговых трещин. Также на ней имеются периодически расположенные на расстоянии ~3 мм почти прямоугольные выступы высотой ~200 мкм, происхождение которых можно связать с взаимным смещением присутствующих в структуре слоев при изгибе образца. Это подтверждает направление линий скольжения (рис. 2б): они “вливаются” в выступ, тогда как в других участках они параллельны поверхности. Выступы на поверхности тела, формирующиеся при смещении полос, являются концентраторами напряжений, хотя и более слабыми, чем боковые стороны полос сдвига [3].

Внутри области сжатия имеется сложная система линий скольжения – полос сдвига, которые создают изгиб образца и смещение слоев (рис. 2). Поскольку полосы сдвига распространяются по траектории максимальных касательных напряжений, то их расположение показывает насколько неоднородно по микрообъемам напряженное состояние, как оно меняется при приближении к “донной” поверхности образца.

“Донная” поверхность изгибаемого образца, обладающего повышенной вязкостью, является “источником” многочисленных очаговых трещин (ОчТр) протяженностью в несколько сотен микрон (рис. 2, 3). Согласно ориентировке линий скольжения, пластическое течение по обе стороны таких трещин происходит в различных системах скольжения (рис. 2в, 3б). В результате несовместности течения возникают локальные внутренние напряжения с нормальной компонентой, вызывающей раскрытие ОчТр. Такие ОчТр, образующиеся при раскрытии полос сдвига, повторяют их изгиб, что позволяет отнести их к смешенной моде II+III. Продвижение ОчТр, в частности, происходит путем разрушения перемычек между возникшими ранее зародышевыми трещинами (рис. 2б), как показано в [2]. Возможно, это типично для любой вязкой криволинейной трещины, имеющей компоненты поперечного (мода II) и продольного (мода III) сдвига.

Сдвиговая деформация при сжатии тела приводит к возникновению нормальных напряжений, способствующих раскрытию и росту трещин сдвига [6]. Этот хорошо иллюстрирует рис. 3, где многочисленные линии скольжения вблизи “нижней” поверхности образца трансформируются в очаговые трещины смешанной моды II+III. Четыре из них попарно окаймляют оси пластических шарниров (ПШ). При функционировании ПШ его ось, оставаясь неподвижной, не деформируется (не наклепывается) [7, 8], что и было обнаружено в образце 1 [2]. В случае образца 2, внутри оси шарнира, особенно в участках, примыкающих к его боковым сторонам, присутствуют многочисленные линии скольжения.

При изгибе крайне вязкого образца деформация внутри ПШ оказалась недостаточной, и в образце 2 возникли два ПШ (рис. 3). Из возможных вариантов функционирования двух ПШ – одновременного, попеременно сменяющегося или поочередного, наиболее приемлемым выглядит последний. А именно: когда под действием поля напряжений магистральной трещины работа первого большого пластического шарнира прекращается, изгиб образца продолжается при участии второго меньшего ПШ. Кстати, параметры ПШ 1 (длина окаймляющей его ОчТр l_тр ≈ 320 мкм, ширина в основании t ≈ 300 мкм) близки к таковым у ПШ в образце 1 [1], тогда как у второго ПШ они меньше (l_тр ≈ 200 мкм, t ≈ 220 мкм), что позволяет рассматривать его как дополнительный, “включающийся в работу” после первого ПШ.

Интенсивный изгиб образца вызывает выход линии скольжения за пределы осей ПШ. Под действием изгибающих напряжений они стягиваются в плотные жгуты, положение которых на рис. 3 показано стрелками (). Здесь формируются уникальные области, имеющие максимальную плотность линий скольжения (их протяженность на единицу площади), и, следовательно, экстремально большую плотность дислокаций. Подобный, наиболее протяженный жгут линий скольжения обнаружен и в образце 1 (в [2] он назван “факелом”), но в сравнении с образцом 2 он имеет меньшую плотность линий скольжения и более удален от “нижней” поверхности образца. В обоих образцах после жгута линии скольжения, приближаясь к магистральной трещине, расходятся.

Вязкая МТр (со своей областью пластической деформации), сформировавшаяся в области растяжения, войдя в зону долома, где раньше было сжатие, вносит свое поле напряжений σ_МТр. Линии скольжения (ЛСк) и возникшие из них ОчТр, образовавшиеся в области сжатия, имеют поле напряжений σ_ЛСк противоположное по знаку σ_МТр. Поэтому, МТр и распространяющиеся ей навстречу линии скольжения экранируют друг друга, что тормозит их движение.

Пока σ_МТр > σ_ЛСк, МТр продолжает рост, изменяет свою траекторию, стремясь обогнуть поле σ_ЛСк, а линии скольжения расходятся. При нарастании изгиба образца, когда σ_ЛСк ≥ σ_МТр, магистральная трещина останавливается – образец остается недоломанным. В сверхвысоковязком образце 2 поле σ_МТр настолько велико, что магистральную трещину способны остановить поля напряжений только двух ПШ, которые стремятся окружить поле напряжений МТр.

Пластический изгиб, трещинообразование приводят к весьма неоднородному распределению деформации по микрообъемам в зоне долома, что следует из исследования методом микротвердости HV_μ. Границы участков, имеющих HV_μ в определенном диапазоне значений, приведены на рис. 4 весьма условно, поскольку повысить точность не позволяют инструментальный фактор – недопустимость близкого расположения уколов – и целесообразность изучения значительного количества трасс. В то же время построенная карта распределения HV_μ дает достаточно надежные представления об уровне микротвердости и степени деформации ε при пересчете по уравнению (1) в наиболее интересных участках в области сжатия образца. Это в сопоставлении с микроструктурой (рис. 4а) позволяет сделать объективное заключение.

Для выявления особенностей пластического течения и трещинообразования данные по образцу 2 сопоставлены с аналогичными данными для образца 1 (рис. 5а, 5б), приведенными в [2]. При этом для обоих образцов участки с равной HV_μ окрашены одинаково.

Из рис. 4а, 4б следует, что сравнительно небольшой по размеру (~0.5 мм) участок I с экстремально высокими значениями микротвердости 420–500 HV_μ (ε ≥ 136%) лежит в области между двумя образовавшимися шарнирами. Стоит отметить, что в образце 1 области с соответствующей микротвердостью отсутствуют.

Участки II (380–420 HV_μ) в образце 1 – это области жгутов полос скольжения (рис. 5а), в образце 2 они имеют большую площадь, в которую входят жгуты двух ПШ и область между ними (рис. 4б).

В обоих образцах участки III (340–380 HV_μ), во-первых, локально окружают МТр, во-вторых, они смежны с более сильно наклепанными участками II. В образце 2 участок III также занимает еще ось ПШ-1. Площадь участков III в образце 2 заметно больше, чем в образце 1, что отражает общую тенденцию – большую степень деформации в образце 2 (рис. 4б, 5б).

Участки IV (300–340 HV_μ) с меньшей микротвердостью в образце 2 располагаются в виде отдельных областей на периферии пластических шарниров.

Участки V (280–300 HV_μ) в образце 1 – это ось ПШ и близкие к ней участки вблизи “нижней” поверхности (рис. 5б). В образце 2 участки с такой микротвердостью, соотвествующей HV_μ образца до ударного изгиба, расположены вдали от области пластических шарниров (рис. 4б).

Итак, из анализа карт распределения микротвердости следует, что в образце 2 в сравнении с образцов 1 большие значения имеют следующие параметры:

− HV_μ в аналогичных микрообъемах образцов (в жгутах линий скольжения, в областях, примыкающих к МТр, “нижней” поверхности и др.);

− площадь S высокопрочных участков, например I;

− средняя микротвердость $HV_{\mu }^{{{\text{с р }}}}$ в исследованной области сжатия образцов Шарпи, найденная по правилу аддитивности:

где $HV_{\mu }^{i}$ и ${{S}^{i}}$– соответственно, средняя микротвердость и площадь i-го участка; ${{S}_{\Sigma }}$ – площадь исследованной поверхности образца в области сжатия.

Для образца 2 $HV_{\mu }^{{({\text{с р }})}}$ ≈ 370 ед. (ε ≈ 86%), а в образце 1 на 30% меньше, что показывает энергоемкость пластического течения в исследованных объемах области сжатия данных образцов.

Из рис. 4, 5 видно, что деформация при изгибе изученных образцов в основном сосредоточена в области полос сдвига, выходящих из пластических шарниров и противостоящих МТр. Сила сопротивления движения МТр, пропорциональна величине наклепа ($HV_{\mu }^{{({\text{с р }})}}$) этих областей и существенно больше в образце 2.

В совокупности, вышеприведенные данные свидетельствуют о существенно большем масштабе пластического течения – накопленной энергии деформации – в области сжатия в образце 2, чем в образце 1, что является откликом на большую деформацию в области растяжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ экспериментальных данных, полученных при разрушении динамическим изгибом образцов высоковязкой стали 08Г2Б со слоистой структурой, показал, что распространение магистральной трещины (заданное надрезом образца Шарпи) в образцах 2 перпендикулярно к поверхности слоев видоизменяет и интенсифицирует большинство процессов пластической деформации и разрушения по сравнению с аналогичными процессами в образце 1, где магистральная трещина распространяется вдоль слоев. В образце 2 видоизменяются следующие значимые параметры: в области сжатия в результате интенсивного пластического течения возникают два пластических шарнира с осями, содержащими высокую плотность линий скольжения.

Судя по микротвердости в образце 2 резко возрастает наклеп (плотность дислокаций) в локальных участках – выступах на поверхности разрушения вблизи пластических шарниров, где достигаются экстравысокие значения (до 500 HV_μ), и общий наклеп всего образца: средняя микротвердость металла в области сжатия составляет 400 HV_μ (в образце 1 – 350 HV_μ), причем в образце 2 пластическое течение (наклеп) испытывают все участки области сжатия.

Данная работа выполнена в рамках темы “Структура” (№ АААА-А18-118020190116-6) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 18-10-2-39).