Неорганические материалы, 2021, T. 57, № 6, стр. 670-682

Деформационные особенности распространения трещин скола в ферритно-перлитной микроструктуре в интервале вязко-хрупкого перехода

М. М. Кантор 1*, В. В. Судьин 1, К. А. Солнцев 1

1 Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук
119334 Москва, Ленинский пр., 49, Россия

* E-mail: mkantor@imet.ac.ru

Поступила в редакцию 17.12.2020
После доработки 22.01.2021
Принята к публикации 25.01.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе исследованы деформационные особенности распространения трещин скола в низколегированной малоуглеродистой стали с ферритно-перлитной микроструктурой на примере стали 09Г2С после горячей прокатки. Исследованные трещины скола были получены в испытаниях образцов на ударный изгиб при температурах критического интервала вязко-хрупкого перехода. Исследование проводилось методами просвечивающей электронной микроскопии, просвечивающей Кикучи-дифракции и дифракции отраженных электронов. Показано, что деформация, сопутствующая росту трещины скола в ферритно-перлитной микроструктуре, образуется при разрыве сочленений между трещинами, распространяющимися в параллельных плоскостях. Рост трещины в пределах одной плоскости при этом происходит без регистрируемой деформации. Разрыв сочленений происходит по вязкому механизму по схеме смешанного нагружения отрывом и сдвигом. Степень перекрывания трещин скола определяет соотношение между модой сдвига и модой отрыва при деформации сочленений, что контролирует форму и глубину зон пластической деформации.

Ключевые слова: фасетка скола, хрупкое разрушение, деформация, речной узор

ВВЕДЕНИЕ

В работах Котрелла [1] теоретически изучены энергетические критерии роста хрупких трещин с позиции накопления дислокаций. Фриделем [2] показано, что напряжение, необходимое для роста трещины в соответствии с дислокационной теорией, зависит от энергии образования свободной поверхности и размера трещины. При этом экспериментальные наблюдения хрупкого разрушения показывают, что соответствующее ему значение энергии поверхности существенно больше теоретического. В работах Райса [3, 4] показано, что в зависимости от модуля сдвига и объемного модуля упругости распространение хрупкой трещины в металле происходит либо с образованием дислокаций, либо без пластической деформации материала. При этом для большинства ОЦК-металлов предполагается распространение трещин скола без образования дислокаций [4]. Хотя такое теоретическое описание представляется убедительным для хрупкого разрушения в идеальных или приближенных к идеальным условиях, например, кристаллах кремния, которые содержат малое количество дислокаций, их применение к реальным конструкционным материалам не всегда может быть обосновано.

Отличие экспериментально наблюдаемой работы роста трещин скола от энергии образования свободной поверхности можно объяснить диссипацией энергии как за счет увлечения ее фронтом дислокаций, образованных при зарождении скола [5], так и за счет затрат на прочие сопутствующие росту трещины процессы в реальном материале, например образование речного узора [6].

Совмещением дифракционной электронной микроскопии и высокоразрешающей микрофрактографии наблюдали как образование пластической зоны под сколом, так и бездислокационные участки [5, 7].

Также ограничено применение теории Райса в условиях скола при испытаниях на ударный изгиб, когда хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация образца [5, 8].

Разрушение сколом в α-Fe наиболее часто происходит в плоскостях {100}. Однако в некоторых работах показана возможность распространения трещин и по плоскостям с большими кристаллографическими индексами [911]. Распространение трещины скола приводит к образованию поверхности разрушения, содержащей ступеньки различного размера, образующиеся по разным механизмам, например при увлечении дислокаций фронтом трещины [5] или компенсации локальной разориентации внутри кристаллита. В случае прохождения через двойниковые границы такие детали рельефа фасетки выглядят как “язычки” [12]. Компенсация локальной разориентации происходит путем перехода трещины в соседние плоскости распространения, при этом остаются перемычки, последующий разрыв которых приводит к образованию линий речного узора. Направление расхождения линий может быть использовано для определения точки зарождения скола. Разрушение металла на уровне фасетки происходит в плоскости, перпендикулярной максимальному усилию, и описывается как отрыв. Механизм разрушения перемычек металла между трещинами, распространяющимися в различных плоскостях, рассматривается редко. Тем не менее, особенности этого процесса могут представлять интерес для оценки работы распространения реальной трещины. Влияние на работу разрушения аналогичных деталей излома, образующихся при переходе трещины между плоскостями скола в разных зернах, было показано в работах [13, 14].

Прямое исследование деформационных особенностей распространения хрупкого скола осложнено техническими ограничениями. Метод рентгеновской дифракции регистрирует деформацию как связанную с макроскопическим изгибом, так и возникающую при переходе между границами зерен [15]. Более перспективным выглядит применение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). В работе [16] при помощи этого метода изучено распространение хрупких трещин через колонии перлита. Помимо этого, в работе [17] при помощи ПЭМ изучена кристаллографическая ориентация плоскостей скола в фасетках, на ламелях, подготовленных с применением фокусированного ионного пучка. Исследование деформации, возникающей при распространении хрупкой трещины, проведено в работе [18]. Показано увеличение плотности дислокаций под хрупким изломом относительно исходного материала, при этом не сделано выводов о механизме наблюдаемого повышения. На фольгах, полученных в плоскости, параллельной поверхности фасетки, повышенная плотность дислокаций вблизи излома зафиксирована при помощи ПЭМ [8]. Наблюдение излома в перпендикулярной плоскости позволит идентифицировать деформацию, связанную не с увлечением дислокаций фронтом трещины, а с образованием линий речного узора, что было невозможно на односторонних фольгах ввиду масштаба деталей.

Для уточнения причин нарушения кристаллической структуры ферритных зерен при распространении трещины скола необходимо исследовать распределение деформации в пределах единичной фасетки скола. Подходящим методом является просвечивающая Кикучи-дифракция, успешно применяемая для определения кристаллографической ориентации и деформации с высоким разрешением [19, 20].

Цель настоящей работы – установить микроскопические деформационные особенности распространения трещин скола в низколегированной стали в интервале вязко-хрупкого перехода с помощью современных методов исследования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования использовались образцы низколегированной стали 09Г2С после горячей прокатки, вырезанные перпендикулярно направлению прокатки с U-образным надрезом, расположенным перпендикулярно плоскости прокатки. Сталь имеет ферритно-перлитную микроструктуру, доля перлита составляет 34%, средний размер ферритного зерна составляет 16 мкм. Образцы были испытаны на ударный изгиб при температурах –90, –60 и 0°С, находящихся для данной стали в критическом интервале температур хладноломкости.

Для исследования были подготовлены металлографические шлифы с поверхности, перпендикулярной поверхности разрушения, после стандартной полировки, применяемой для анализа методом EBSD [21]. На изготовленных шлифах были получены ориентационные карты вблизи поверхности разрушения. Подготовка шлифов проводилась в сечении на расстоянии 3 мм от края образца (рис. 1). Для сохранения структуры излома при помещении образца в смолу для подготовки металлографического шлифа поверхность разрушения была защищена алюминиевой фольгой.

Рис. 1.

Изломы исследованных образцов при –90 (а), –60 (б), 0°С (в) (красным выделено пересечение плоскости шлифа с поверхностью излома).

Для исследования деформации в приповерхностном слое изломов были подготовлены образцы для ПЭМ и просвечивающей Кикучи-дифракции. Для получения тонких фольг, перпендикулярных поверхности разрушения, отшлифованный образец был извлечен из смолы и параллельно поверхности шлифа была вырезана пластина толщиной 500 мкм с использованием станка для прецизионной резки Well Diamond Saw 3241. На краю пластины, выходящем на поверхность излома, был вырезан полудиск диаметром 3 мм с использованием прибора Gatan Model 659 Disc Punch. Поверхность излома на полудиске была покрыта термоклеем Gatan Mounting Wax, которым полудиск крепился к титановому цилиндру. Затем полудиск утонялся на приборе Gatan Disc Grinder до толщины 40 мкм (рис. 2).

Рис. 2.

Поверхность излома на полудиске для подготовки электронно-прозрачной фольги.

Полученный тонкий диск был отделен от цилиндра в ацетоне и помещен на держателе в двулучевой электронный микроскоп CrossBeam 1540 EsB.

С использованием фокусированного ионного пучка на поверхности излома, расположенной на тонком полудиске, были получены электронно-прозрачные фольги, исследованные в дальнейшем методами ПЭМ и просвечивающей Кикучи-дифракции (рис. 3). Для защиты анализируемой поверхности от воздействия ионного пучка на нее осаждали платину из газовой фазы сначала при помощи пучка электронов, а затем при помощи ионов. Травление образца при этом происходило со стороны излома.

Рис. 3.

Фольга, вырезанная на поверхности хрупкого излома, изображенного на рис. 1.

Изображения фольг, полученных с различных участков излома представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Фольги для исследования деформации под поверхностью трещины скола и участки хрупкого разрушения, с которых они получены (зелеными линиями соотнесены детали речного узора на фольге и изломе).

Исследование методом ПЭМ проводилось с использованием прибора Libra200FE (Carl Zeiss) с ускоряющим напряжением 200 кВ. Просвечивающая Кикучи-дифракция проводилась в растровом микроскопе CrossBeam 1540EsB (Carl Zeiss) с ускоряющим напряжением 15 кВ и шагом 8–15 нм. Использование просвечивающей Кикучи-дифракции позволяет повысить разрешение съемки с 50–70 нм, достижимых на шлифе, до 5–10 нм за счет снижения размеров области рассеяния пучка электронов в тонком слое материала.

Для исследования деформации, возникающей при межзеренном сколе, при помощи фокусированного ионного пучка была подготовлена ламель с межзеренной трещиной, обнаруженной на шлифе методом EBSD. В этом случае ламель вырезалась перпендикулярно поверхности шлифа.

Для визуализации пластической деформации использовались карты локальных средних разориентаций по ядру (ЛР – Kernel Average Misorientation), на которых цветом закодирован средний угол разориентации между точкой и ее ближайшим окружением на расстоянии 2 шага картирования, и более чувствительные к внутренней субструктуре зерна карты разориентации относительно средней ориентации кристаллита (РОС – Grain Reference Orientation Deviation), на которых цветом кодируется направление оси разориентации между точкой и средней ориентацией зерна [22]. Визуализация микроструктуры проводилась с использованием карт в координатах качества картин Кикучи (резкость границ полос – Band Slope) – параметра, коррелирующего с количеством дефектов кристаллической структуры: в случае высокого совершенства структуры граница полосы Кикучи и фона резкая, что соответствует более высоким значениям параметра.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Значения ударной вязкости образцов, отобранных для исследования, приведены в табл. 1.

Таблица 1.  

Значения ударной вязкости и параметры геометрии излома испытанных образцов

Температура испытаний, °C Ударная вязкость, Дж/см2 Уширение образца, % Расстояние от вершины надреза до хрупкого участка, мм
–90 25 4.5 0.2
–60 105 13.7 1.7
0 223 24.2 2.7

Наличие уширения напротив надреза говорит о том, что при испытаниях на ударный изгиб все образцы подверглись пластической деформации.

Исследование тонких фольг, полученных на образце, испытанном при –60°С, методом ПЭМ показало, что наблюдаемые на поверхности фасеток линии речного узора являются фрагментами разрушенных сочленений трещин скола, распространяющихся в параллельных плоскостях в пределах одного кристаллита.

На рис. 5 показаны области двух различных типов характерных линий речного узора. Первый тип образован уступом, формирующимся при отделении перемычки от поверхности образца. Второй тип образован отогнутым фрагментом перемычки.

Рис. 5.

Детали речного узора излома: а – отогнутый фрагмент полосы, б – ступенька.

Наблюдения показывают, что разрыв перемычек сопровождается появлением областей пластической деформации, которые на изображении представляются в виде темных участков на поверхности уступов и в вершинах трещин, образующихся при отгибе фрагментов перемычек (рис. 5).

Наблюдение металла перемычки методом просвечивающей Кикучи-дифракции показывает, что угол кристаллографической разориентации между отогнутым фрагментом и основной частью кристаллита соответствует углу наклона фрагмента к поверхности фасетки (рис. 6). Разориентация на 52° при этом происходит относительно оси [110]. Соответствие разориентации кристаллических решеток углу отгиба детали речного узора говорит о ее образовании путем разворота фрагмента относительно зерна, а не путем пластической деформации фрагмента.

Рис. 6.

Отогнутый фрагмент полосы речного узора (а) и ориентационная карта того же участка (б).

Распространение трещины скола в пределах одной плоскости при –60°С не сопровождается пластической деформацией материала. На рис. 7 приведены карты в координатах ЛР, РОС и координатах обратных полюсных фигур (ОПФ, IPF) участка фасетки скола, полученные методом просвечивающей Кикучи-дифракции.

Рис. 7.

Ориентационная карта участка фольги в координатах ЛР (а); ориентационная карта в координатах РОС с отмеченными участками образования речного узора, для которых была измерена разориентация относительно средней ориентации зерна; ориентационная карта в координатах ОПФ с отмеченными траекториями профилей разориентации (в); профили разориентации относительно начальной точки (г).

Карта РОС, отражающая внутреннюю субструктуру зерна, показывает наличие областей деформации вблизи пересечения плоскости фольги с деталями речного узора фасетки (рис. 7б). Такие области идентифицируются по более резким границам относительно прочих ориентационных градиентов на карте. При этом разориентация в данных областях происходит вокруг одной оси, закодированной цветом на изображении. Так, разориентация между средней ориентацией деформированных областей, обведенных на рис. 7б, и средней ориентацией остальной части зерна составляет 0.05° для меньшей области и 0.09° для большей и происходит вокруг оси [110] для обеих областей. Одинаковая ось разориентации решеток, совпадающая при этом с осью разориентации отогнутого фрагмента, может говорить о похожей схеме нагружения деформированных участков.

В областях, примыкающих к излому, не находящихся в непосредственной близости от деталей речного узора, пластическая деформация на карте РОС не регистрируется.

Участки с высокой локальной разориентацией, не связанные с точками пересечения с речным узором, не наблюдаются и на карте ЛР (рис. 7а). Причина отсутствия таких деталей на карте ЛР в том, что ориентация внутри зерна изменяется плавно, без образования малоугловых границ.

Профили разориентации от точки к точке по линиям, отмеченным на рис. 7в, показывают одинаковый ориентационный градиент как вдоль поверхности излома на различном расстоянии от нее, так и поперек поверхности излома (рис. 7г), что также указывает на отсутствие пластической деформации, связанной с ростом хрупкой трещины в пределах одной плоскости распространения. Само наличие ориентационного градиента в зерне может быть связано с пластической деформацией образца в испытаниях на ударный изгиб, предшествующей хрупкому разрушению.

В случае прохождения трещины скола через колонию перлита следов пластической деформации, связанной с ее распространением в пределах одной плоскости, также не наблюдается. Пересечение трещиной цементитных ламелей при этом не вызывает значимого отклонения от прямолинейного пути распространения (рис. 8).

Рис. 8.

Ориентационная карта участка фольги, показанного на рис. 3 (а), и изображение фрагмента того же участка в ПЭМ (б).

Деформация, наблюдаемая под поверхностью излома на картах ЛР (рис. 9б), при этом обусловлена как несовершенством зерен феррита, возникающим в процессе γ-α-превращения, так и пластической деформацией образца в испытаниях на ударный изгиб, предшествующей хрупкому разрушению.

Рис. 9.

Ориентационная карта участка на рис. 7 в координатах РОС (а); ориентационная карта того же участка в координатах ЛР, стрелками показаны траектории ориентационных профилей (б); профили разориентации относительно начальной точки (в).

Субструктура зерна, наблюдаемая на картах РОС (рис. 9а), не выявляет областей деформации вблизи поверхности разрушения как в участке роста трещины через перлитую область, так и в соседнем ферритном зерне, превышающих по интенсивности внутренние ориентационные градиенты зерна.

Профили разориентации от точки к точке показывают, что градиент разориентации вдоль поверхности излома выше, чем поперек, что также указывает на отсутствие значимой пластической деформации, связанной с ростом трещины.

На рис. 10а приведены карты ЛР и ОПФ, полученные методом просвечивающей Кикучи-дифракции на фольге, вырезанной из участка, содержащего межзеренную трещину в образце, испытанном при –90°С. Распространение трещины проходит по границе ферритного зерна и мартенситной области (рис. 10б). Мартенсит на картах качества картин Кикучи (Band Slope) представлен в виде темных областей.

Рис. 10.

Межзеренная трещина на фольге, вырезанной с поверхности шлифа: вверху справа – снимок во вторичных электронах, сверху слева – ориентационная карта в координатах качества картин Кикучи (BS), внизу слева – ориентационная карта в координатах ОПФ, внизу справа – ориентационная карта в координатах ЛР (а); ориентационная карта участка шлифа, из которого была вырезана фольга с межзеренной трещиной (отмечена белым): М – мартенсит, Ф – феррит (б).

Ориентационные градиенты, наблюдаемые в ферритном зерне вблизи поверхности трещины на карте ЛР, по всей видимости, связаны с процессами, происходящими при формировании мартенсита, поскольку аналогичные области с высокой локальной разориентацией наблюдаются и в других ферритных зернах, граничащих с мартенситом, но не участвующих в росте трещины.

Исследование деформационных особенностей роста вторичных трещин скола под поверхностью разрушения образца, испытанного при 0°С, показывает, что механизмы деформации перемычек, объединяющих участки роста трещин в разных плоскостях, отличаются. В некоторых случаях между краями трещин скола образуются области, развернутые относительно исходного зерна на углы от 20° до 45°, имеющие при этом четко очерченные границы – рейки (рис. 11–13). Разориентация реек относительно исходной ориентации зерна на рис. 12 происходит вокруг осей [$21\bar {2}$], [501], [$0\bar {1}\bar {2}$] для участков 1, 2 и 3 соответственно. Область с очерченными границами окружена участком пластической деформации с углами разориентации до 10°, относительно исходной ориентации зерна. Такие деформационные рейки наблюдаются как при переходе трещины через границу зерна (рис. 11, 13), так и в пределах зерна. Другой механизм деформации подразумевает образование областей с разориентацией до 10° между перекрывающимися в параллельных плоскостях трещинами скола (рис. 13, профиль 2 и рис. 14). Исследованные сочленения вторичных трещин скола позволяют предположить, что деформация в таких областях сначала проходит с образованием диффузных ориентационных градиентов, а выделение реек происходит на следующих этапах. Это предположение основано на близости интенсивности ориентационных градиентов, наблюдающихся вокруг реек и в деформированных областях между накладывающимися трещинами (рис. 14).

Рис. 11.

Участок сочленения трещин скола на границе зерна: а – карта в координатах качества картин Кикучи (BS) с отмеченной траекторией ориентационного профиля, б – ориентационная карта того же участка в координатах ЛР, в – ориентационная карта того же участка в координатах ОПФ, г – профиль разориентации относительно начальной точки.

Рис. 12.

Участки сочленения трещин скола внутри зерен: а – карта в координатах качества картин Кикучи (BS) с отмеченными траекториями ориентационных профилей, б – ориентационная карта того же участка в координатах ЛР, в – ориентационная карта того же участка в координатах ОПФ, г – профили разориентации относительно начальной точки.

Рис. 13.

Участки сочленения трещин скола с малым (1) и большим (2) перекрытием поверхностей трещин: а – карта в координатах качества картин Кикучи (BS), б – ориентационная карта того же участка в координатах ЛР с отмеченными траекториями ориентационных профилей, в – ориентационная карта того же участка в координатах ОПФ, г – профили разориентации относительно начальной точки.

Рис. 14.

Участки сочленения трещин скола с большим перекрытием поверхностей трещин: а – карта в координатах качества картин Кикучи (BS) с отмеченной траекторией ориентационного профиля, б – ориентационная карта того же участка в координатах ЛР, в – ориентационная карта того же участка в координатах ОПФ, г – профиль разориентации относительно начальной точки.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Приведенные результаты показывают, что в испытаниях на ударный изгиб в критическом интервале температур хладноломкости распространение трещины скола в ферритном зерне в пределах одной плоскости не сопровождается повышением степени пластической деформации вдоль ее берегов. Данное наблюдение относится к трещинам, проходящим транскристаллитно через чистый феррит, а также к межзеренным и распространяющимся в перлитных колониях. При распространении трещин скола в соседних плоскостях образуются перемычки, разрыв которых необходим для раскрытия трещины. Разрыв таких перемычек, образующихся в пределах одного зерна, приводит к образованию на поверхности излома речного узора. Такой разрыв протекает по механизму вязкого разрушения и сопровождается пластической деформацией материала. Области пластической деформации при этом имеют размер, близкий к размеру разорванного сочленения. Таким образом, работа, затрачиваемая на распространение трещины, включает в себя не только энергию образования новых поверхностей, но также и энергию пластической деформации областей сочленений, что приводит к ее существенному увеличению. Полученный результат не противоречит существованию областей с повышенной плотностью дислокаций вблизи скола в феррите [8, 18], поскольку деформация происходит не за счет взаимодействия имеющихся дислокаций с фронтом трещины, а за счет разрыва перемычек.

Образование более частого речного узора на поверхности фасеток говорит о более высокой пластической деформации в процессе разрушения кристаллита. При этом, поскольку переход трещин из плоскости в плоскость в одном зерне связан с компенсацией локальных ориентационных градиентов, следует ожидать большей сопротивляемости ее росту в деформированных ферритных зернах и в колониях перлита. По всей видимости, энергия, затрачиваемая на рост трещины в поликристаллическом материале, мало зависит от деформации при образовании речного узора, поскольку деформация, связанная с переходом трещины через границы зерен, существенно выше.

Разрыв сочленений трещин скола происходит по смешанной схеме нагружения отрывом (мода I) и сдвигом (моды II, III). Величина перекрывания трещин в соседних плоскостях определяет доли мод сдвига и отрыва при таком разрыве (рис. 15).

Рис. 15.

Схемы образования зон пластической деформации при различных способах нагружения сочленений трещин скола по результатам экспериментальных наблюдений.

Наблюдаемое образование реек сдвига в случае преобладания мод II и III в разрушении полностью соответствует представлениям о расположении пластической зоны в направлении усилия от вершины трещины [23] (рис. 13, профиль 1). При этом в случае перекрывания трещин направление наибольшей пластической деформации отклоняется от оси приложения нагрузки (рис. 13, профиль 2), что соответствует увеличению доли моды отрыва в схеме нагружения. Образование более узкой зоны пластической деформации, ограниченной высокоугловыми границами, может объяснять снижение трещиностойкости при переходе от отрыва к сдвигу, наблюдаемое в ходе механических испытаний [24, 25].

Образование речного узора путем отгиба фрагментов сочленений происходит в смешанном режиме нагружения с преимуществом моды отрыва, поскольку сочленение формируется с перекрыванием трещин скола в соседних плоскостях. На это указывают вытянутая форма перемычки, подразумевающая образование трещины скола на обеих ее поверхностях, не соединенных с остальным зерном (рис. 5), а также совпадение ее кристаллографической разориентации относительно зерна с углом наклона длинной стороны относительно поверхности фасетки.

Разориентация в кристалле при образовании реек сдвига происходит вокруг случайных осей. При этом относительно системы координат образца эти оси ориентированы также случайным образом. Данное наблюдение показывает, что выбор плоскости сдвига, по всей видимости, не связан с расположением плоскостей, вдоль которых сдвиг происходит наиболее легко, {110}, а контролируется только ориентацией одной из возможных плоскостей скола.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан метод получения тонких фольг, расположенных перпендикулярно поверхности изломов образцов, образующихся при ударном изгибе, позволяющий исследовать микроструктуру материала методом ПЭМ и получать ориентационные карты методом просвечивающей Кикучи-дифракции.

С применением разработанного метода показаны деформационные особенности распространения трещин межзеренного и транскристаллитного скола через зерна феррита и перлита и образования на поверхности хрупких фасеток линий речного узора.

Показано, что при распространении трещины скола в зерне феррита возникает пластическая деформация, связанная с разрывом сочленений, образующихся при переходе трещины между параллельными плоскостями распространения.

Распространение трещины скола в пределах одной плоскости внутри зерна не сопровождается повышением степени пластической деформации вдоль ее берегов.

Переход через цементитные ламели в колонии перлита не является источником пластической деформации в процессе роста трещины транскристаллитного скола.

Нагружение перемычек между трещинами происходит по смешанной схеме отрыва и сдвига. Увеличение доли отрыва происходит при наложении трещин, распространяющихся в параллельных плоскостях, и сопровождается повышением пластической деформации. Разрушение путем сдвига приводит к образованию узких реек с измененной ориентацией, отделенных высокоугловыми границами от исходного зерна.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена в рамках государственного задания № 075-00947-20-00.

Авторы благодарят профессора НИТУ МИСиС докт. физ.-мат. наук. М.А. Штремеля за детальное обсуждение экспериментальных результатов.

Список литературы

  1. Cottrell A.H. Theory of Brittle Fracture in Steel and Similar Metals // Trans. Met. Soc. AIME. 1958. V. 212.

  2. Фридель Ж. Дислокации: Пер. с англ. М.: Мир, 1967.

  3. Rice J.R., Thomson R. Ductile Versus Brittle Behaviour of Crystals // 1974. V. 29. №. 1. P. 73–97. https://doi.org/10.1080/14786437408213555

  4. Rice J.R., Beltz G.E., Sun Y. Peierls Framework for Dislocation Nucleation from a Crack Tip // Topics in Fracture and Fatigue. N.Y. N.Y.: Springer, 1992. P. 1–58. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-2934-6_1

  5. Штремель М.А., Беляков Б.Г., Беломытцев М.Ю. Диссипативная структура скола // Докл. АН СССР. 1991. Т. 318. № 1. С. 105–111.

  6. Qiao Y., Argon A.S. Cleavage Crack-Growth-Resistance of Grain Boundaries in Polycrystalline Fe–2% Si Alloy: Experiments and Modeling // Mech. Mater. 2003. V. 35. № 1–2. P. 129–154. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(02)00194-1

  7. Беломытцев М.Ю., Беляков Б.Г., Штремель М.А. Влияние температуры на процессы скола молибдена// Изв. АН. Металлы. 1992. № 2. С. 200.

  8. Беломытцев М.Ю. Структуры и механизмы скола ОЦК-монокристаллов по наблюдениям в ПЭМ // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 100. № 5. С. 85–93.

  9. Nohava J., Haušild P., Karlık M., Bompard P. Electron Backscattering Diffraction Analysis of Secondary Cleavage Cracks in a Reactor Pressure Vessel Steel // Mater. Character. 2002. V. 49. №. 3. P. 211–217. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00360-1

  10. Naylor J.P., Krahe P.R. Cleavage Planes in Lath Type Bainite and Martensite // Metall. Trans. A. 1975. V. 6. №. 3. P. 594.

  11. Mohseni P., Solberg J.K., Karlsen M., Akselsen O.M., Østby E. Application of Combined EBSD and 3D-SEM Technique on Crystallographic Facet Analysis of Steel at Low Temperature // J. Microscopy. 2013. V. 251. № 1. P. 45–56. https://doi.org/10.1111/jmi.12041

  12. Pineau A., Benzerga A.A., Pardoen T. Failure of Metals I: Brittle and Ductile Fracture // Acta Mater. 2016. V. 107. P. 424–483. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.12.034

  13. Kong X., Qiao Y. Crack Trapping Effect of Persistent Grain Boundary Islands // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2005. V. 28. № 9. P. 753–758. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.2005.00908.x

  14. Qiao Y., Argon A.S. Cleavage Cracking Resistance of High Angle Grain Boundaries in Fe–3% Si Alloy // Mech. Mater. 2003. V. 35. № 3–6. P. 313–331. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(02)00284-3

  15. Клевцов Г.В. Пластические зоны и диагностика разрушения металлических материалов. М.: МИСИС, 1999. 112 с.

  16. Alexander D.J., Bernstein I.M. The Cleavage Plane of Pearlite // Metall. Trans. A 1982. V. 13. № 10. P. 1865–1868.

  17. Imamura S., Muramoto H., Murata Y., Shimada Y., Kayamori Y., Tagawa T. Crystallographic Orientation Analysis of Cleavage Facets Adjacent to a Fracture Trigger in Low Carbon Steel // Int. J. Fracture. 2015. V. 192. № 2. P. 253–257. https://doi.org/10.1007/s10704-015-0014-5

  18. Karlík M., Haušild P., Prioul C., Stöger-Pollach M. Microstructure of Low Alloyed Steel Close to the Fracture Surface // Mater. Sci. Eng., A 2007. V. 462. № 1–2. P. 183–188. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.04.149

  19. Trimby P.W. Orientation Mapping of Nanostructured Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction in the Scanning Electron Microscope // Ultramicroscopy. 2012. V. 120. P. 16–24. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2012.06.004

  20. Liang X.Z., Dodge M.F., Jiang J., Dong H.B. Using Transmission Kikuchi Diffraction in a Scanning Electron Microscope to Quantify Geometrically Necessary Dislocation Density at the Nanoscale // Ultramicroscopy. 2019. V. 197. P. 39–45. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.11.011

  21. Кантор М.М., Судьин В.В., Солнцев К.А. Влияние типа и морфологии границ зерен на коррозионное растрескивание под напряжением в низколегированной малоуглеродистой стали // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. №. 4. С. 442–450.

  22. Brewer L.N., Field D.P., Merriman C.C. Mapping and Assessing Plastic Deformation Using EBSD // Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. Springer, Boston, MA, 2009. P. 251–262. https://doi.org/10.1007/978-0-387-88136-2_18

  23. Wang Y., Wang W., Zhang B., Li C.Q. A Review on Mixed Mode Fracture of Metals // Eng. Fract. Mech. 2020. P. 107126. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107126

  24. Zhang X.P., Dorn L., Shi Y.W. Correlation of the Microshear Toughness and Fracture Toughness for Pressure Vessel Steels and Structural Steels // Int. J. Pressure Vessels Piping. 2002. V. 79. № 6. P. 445–450. https://doi.org/10.1016/S0308-0161(02)00032-7

  25. Novak J. Ductile Fracture of Ferritic Steels: Correlation of KIIc/KIc Ratio and Strain Hardening Curve // ASME Pressure Vessels and Piping Conference. 2002. V. 46547. P. 131–135. https://doi.org/10.1115/PVP2002-1342

Дополнительные материалы отсутствуют.