Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 11, стр. 1271-1276

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с энергетическим критерием хрупкого разрушения металлических материалов основной вклад в хрупкое разрушение ферритных сталей вносит работа пластической деформации, происходящая в процессе распространения магистральной трещины [1]. Между тем, посредством испытаний на ударный изгиб определяют величину вязкости, включающую работу пластической деформации, совершенную на стадии изгиба еще до возникновения и распространения магистральной трещины [2]. С этой точки зрения целесообразной была бы разработка методики определения вязкости, учитывающая только работу пластической деформации, происходящую в процессе самого разрушения. В работе [3] высказано предположение, что в процессе разрушения образца при испытаниях на ударный изгиб наряду с распространением магистральной трещины происходит еще и другой процесс, который меняет измеряемую величину вязкости. Таким процессом может быть возникновение остаточных (вторичных) микротрещин скола [4–7]. Как показали результаты исследований на одноосное растяжение, такие микротрещины могут образовываться в зонах пониженной вязкости еще до окончательного разрушения образца. Попытки связать ударную вязкость с количественными характеристиками микротрещин скола предпринимались и ранее. Оценки количества [4] и максимальной длины в качестве характеристик процесса разрушения [7] привели к неубедительным результатам. Позднее методом дифракции отраженных электронов (ДОЭ) было показано, что при разрушении низколегированных сталей в интервале вязко-хрупкого (В–Х) перехода возникают как микротрещины скола, так и вязкие микротрещины [8].

Целью работы является изучение природы рассеяния величины ударной вязкости ферритных сталей при разрушении в условиях В–Х-перехода. Для этого в настоящей работе использовали явление возникновения микротрещин как процесса, сопровождающего возникновение и распространение магистральной трещины в интервале В–Х-перехода. При этом в качестве интегральной характеристики для оценки этого процесса использовали суммарную длину всех микротрещин сечения конкретных образцов. Это позволило связать механизм повышенного рассеяния величины ударной вязкости с локальными особенностями микроструктуры конкретных образцов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объекта исследования использовали листовой прокат горячекатаной низкоуглеродистой стали, подвергнутый термическому улучшению (закалке и высокому отпуску) по промышленной технологии. Химический состав представлен в табл. 1.

Для оценки рассеяния величины ударной вязкости в интервале В–Х-перехода на маятниковом копре Roell Amsler RKP450 (Zwick/Roell) проводились множественные испытания на ударный изгиб с энергией удара в 300 Дж. По крайней мере 50 стандартных образцов 55 × 10 × 10 мм c U-образным надрезом было испытано при температурах от 20 до –80°С с шагом в 20°С. U-образный надрез был выбран для усиления явления рассеяния величин ударной вязкости в связи с большей чувствительностью по отношению к локальным особенностям микроструктуры [9].

Характер поверхностей разрушения оценивался макрофрактографическим методом с использованием системы для маркосъемки, состоявшей из камеры Canon EOS 6D, штатива, объектива Canon mp-e 65mm f/2.8 1-5x и коммерчески доступного программного пакета для обработки изображений.

Для характеристики микротрещин были отобраны 6 образцов, разрушенных при одной и той же температуре –60°С, показавших величины ударной вязкости из нижней части интервала рассеяния. Сечения отобранных образцов были подготовлены в соответствии со схемой, показанной на рис. 1.

Рис. 1.

Схема пробоподготовки образцов (НН – нормальное направление, НП – направление прокатки, ПН – поперечное направление).

Процедуры заливки, шлифовки и полировки металлографических шлифов были стандартными. На последней стадии полировки для снятия наклепанного поверхностного слоя применялась суспензия коллоидного кремния 0.05 мкм.

РЭМ и ДОЭ-измерения были выполнены на двухлучевой установке CrossBeam 1540 EsB (Carl Zeiss), оборудованной камерой ДОЭ Nordlys S (Oxford Instruments). ДОЭ-карты получены с ускоряющим напряжением 15 кВ, апертурой 60 мкм, в режиме высокого тока, с бинингом 4 × 4, шагом 200 нм по квадратному растру, с применением коррекции дрейфа. Для получения и пост-операционной обработки ДОЭ-данных использовались программные пакеты Aztec 3.1 и hkl Channel 5.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты испытаний на ударный изгиб и оценки поверхностей разрушения приведены на рис. 2. Разрушение при 20°С было полностью вязким. Повышенное рассеяние величин ударной вязкости и образование смешанных изломов подтверждают существование интервала В–Х-перехода при температурах от 0 до –80°С. Верхняя огибающая проявляет небольшое монотонное линейное снижение с понижением температуры испытаний в интервале В–Х-перехода. Нижняя огибающая показывает неоднородное нелинейное снижение.

Рис. 2.

Температурная зависимость ударной вязкости KCU и вид поверхностей разрушения.

Наблюдаемое явление связывают с повышенным вкладом разрушения сколом по сравнению с вязким отрывом [10]. В то же время стоит отметить, что вероятность обнаружения минимальных величин ударной вязкости зависит от числа испытаний при каждой температуре.

Оценка металлографических сечений образцов, отобранных из интервала рассеяния при ‒60°С, показало наличие микротрещин в локальных областях пластической зоны как под хрупкой, так и под вязкой составляющими изломов. Основываясь на механизмах разрушения, мы предположили возможность появления двойственности природы микротрещин в интервале В–Х-перехода. Для оценки природы микротрещин был использован подход совершенной работы локальной пластической деформации [2]. В соответствии с ним работа, затраченная на зарождение и распространение вязкой трещины, гораздо больше работы, затраченной на зарождение и распространение хрупкой трещины.

Руководствуясь этими соображениями, с использованием методов ДОЭ была произведена оценка локальной изменчивости микроструктуры в областях пластической зоны, смежных с местами образования микротрещин (рис. 3).

Рис. 3.

Микроструктура пластической зоны образцов, разрушенных ударным изгибом при –60°C: a, в – карты качества ДОЭ-картин Band slope (BS); б, г – карты в представлении ОПФ.

Микротрещины в пластической зоне под хрупкой составляющей изломов были преимущественно остаточными, располагались в толще материала. Однако также наблюдались и другие микротрещины – ответвления от магистральной трещины. Оба типа микротрещин показывали практически прямую траекторию распространения и острые вершины (рис. 3а). Оценка и визуализация совершенства кристаллической решетки были осуществлены посредством представления карт качества ДОЭ-картин Band slope (BS). Небольшое снижение параметра BS в смежных с кромками микротрещин областях материала указывает на низкую степень локальной пластической деформации. Транскристаллитный характер разрушения выявляется на картах в представлении обратной полюсной фигуры (ОПФ) по одинаковой ориентации частей зерен, разделенных микротрещинами (рис. 3б). Размер зерен в микроструктуре пластической зоны под хрупкими поверхностями разрушения (7.5–7.6 мкм) был практически таким же, как и в исходном, неразрушенном, состоянии (табл. 2).

Измерение характеристики разброса ориентации зерен (РОЗ), усредняющего разориентации внутри отдельных зерен, использовали для оценки степени локальной пластической деформации. В отличие от областей в толще материала в областях расположения ответвлений от магистральной трещины наблюдалась большая степень локальной пластической деформации. По-видимому, наблюдаемое явление обусловлено растяжением краев микротрещин в процессе продвижения магистральной трещины.

Микротрещины в пластической зоне под вязкой составляющей разрушения в основном наблюдали как ответвления от магистральной трещины (рис. 3в). Вершины таких микротрещин обычно затуплены. Полностью измененная – деформированная и измельченная – микроструктура (существенное снижение среднего размера зерна – до 4.3 мкм) указывает на большую степень локальной пластической деформации (рис. 3г, табл. 2). Высокая степень локальной пластической деформации была подтверждена появлением развитой деформационной субструктуры (большого количества малоугловых границ 2°–10°) и значительным возрастанием параметра РОЗ (до 4 раз) в смежных с кромками микротрещин областях микроструктуры.

Таким образом, различия в степени локальной пластической деформации в разных областях пластической зоны позволяют сделать вывод о том, что образование микротрещин под хрупкой составляющей изломов является результатом скола, возникшего на ранней стадии разрушения. В свою очередь, образование микротрещин под вязкой составляющей изломов происходит по механизму вязкого отрыва в процессе продвижения магистральной трещины на более поздней стадии разрушения. В дальнейшем мы будем рассматривать описанные микротрещины как хрупкие и вязкие.

На основании описанных особенностей показана принципиальная возможность разработки новой методики оценки вязкости.

На рис. 4 и в табл. 3 приведены результаты оценки суммарной длины всех микротрещин в качестве интегральной меры локальной изменчивости вязкости в сечениях конкретных образцов.

Рис. 4.

Корреляция суммарной длины микротрещин и ударной вязкости KCU (а), объемной доли вязкой составляющей изломов (б).

Из рис. 4а хорошо видно, что доля суммарной длины вязких микротрещин показывает практически линейный рост с повышением величины ударной вязкости конкретных образцов. Обратная зависимость наблюдается для хрупких микротрещин. Надежность установленного соотношения подтверждается корреляцией (хотя и с меньшим коэффициентом) между долей суммарной длины вязких/хрупких микротрещин и объемной долей вязкой составляющей изломов (рис. 4б).

Количественным индикатором образования локальных областей микроструктуры с различной вязкостью является суммарная длина всех микротрещин в сечениях конкретных образцов, разрушенных в интервале В–Х-перехода.

Таким образом, повышенное рассеяние величины ударной вязкости при разрушении образцов низколегированных сталей в интервале В–Х-перехода обусловлено образованием неоднородной пластической зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышенное рассеяние величины ударной вязкости в интервале В–Х-перехода обусловлено образованием в микроструктуре ферритных сталей локальных областей с различным уровнем вязкости.

Суммарная длина вязких/хрупких микротрещин является мерой локальной изменчивости вязкости в микроструктуре сечений конкретных образцов, разрушенных в интервале В–Х-перехода. Установлен линейный характер корреляционной связи между долей суммарной длины вязких/хрупких микротрещин и величиной ударной вязкости.

Показана принципиальная возможность разработки метода разделения вкладов предшествующей и сопутствующей разрушению локальной пластической деформации для конкретных образцов в интервале В–Х-перехода на основе метода ДОЭ.