Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор 8
1.1 Химический состав, структура и механические свойства современных строительных сталей 8
1.2 Виды разрушения металлов 12
1.3 Особенности вязкого разрушения 20
1.4 Вязкость разрушения и методы ее оценки 34
1.5 Постановка цели и задач исследования 44
2 Материалы и методики исследования 46
2.1 Материал исследования 46
2.2 Методики структурных исследований 46
2.3 Испытания механических свойств 47
3 Деформационные параметры вязкости 52
3.1 Изменение геометрических размеров образцов 52
3.2 Область пластической деформации магистральной трещины 57
3.3 Микротвердость приповерхностных областей изломов 61
3.4 Выводы по главе 3 80
4 Энергосиловые параметры вязкости 82
4.1 Инструментальная оценка ударной вязкости 82
4.2 Энергоемкость разрушения в отдельных зонах излома 98
4.3 Выводы по главе 4 103
5 Структурно - фрактографические параметры вязкости 105
5.1 Структура и дисперсные частицы 105
5.2 Механизм образования расщеплений 109
5.3 Расщепления – слоистые трещины в толстолистовом прокате 135
5.4 Выводы по главе 5 141
Заключение
- Виды разрушения металлов
- Испытания механических свойств
- Микротвердость приповерхностных областей изломов
- Энергоемкость разрушения в отдельных зонах излома
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время хорошо известны и сравнительно легко достижимы факторы повышения прочностных свойств сплавов. Однако большинство способов по увеличению прочности приводит к уменьшению вязкопластических характеристик. В общем плане пути улучшения вязкопластических характеристик сталей известны: диспергирование структуры, повышение чистоты металла по вредным примесям и др. В конце прошлого столетия был достигнут существенный прогресс в этом направлении, состоящий в разработке и использовании в значительных объемах толстолистового проката из высокочистых сверхнизкоуглеродистых сталей класса прочности К65 (Х80) и выше, получаемого по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Стали обладают уникальным комплексом механических свойств: сочетанием повышенной прочности (в 730 МПа, т 600 МПа), пластичности (5 > 22%) и высокой вязкости (KCV"40 250 Дж/см2). Это позволило сформулировать технически достижимое требование - полностью исключить в строительных конструкциях из сталей нового поколения хрупкое разрушение. В то же время в большинстве работ рассматривается поведение сталей вблизи вязкохрупкого перехода, а параметры разрушения высоковязких материалов изучены сравнительно слабо.
Возникла необходимость отыскания научно обоснованных критериев и способов оценки трещиностойкости при натурных и лабораторных испытаниях высоковязких сталей, поскольку ключевым моментом их использования в сварных строительных конструкциях (газопроводах высокого давления, высотных зданиях, судостроительстве и пр.) является их надежность, которая во многом определяется трещиностойкостью материала.
Сложная физическая природа вязкости определяется сочетанием пластичности и прочности сталей. Выявление физической природы вязкости требует исследования ее разнообразных параметров: деформационных, энергосиловых и структурно-фрактографических.
Высокочистые по вредным примесям и неметаллическим включениям стали типа 06Г2Б оказались весьма удобным объектом для изучения природы вязкости, так как разрушаются исключительно по телу зерна, а хрупкое разрушение появляется в районе крайне низких температур (< -80 С).
Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленных в работе целях и задач.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках проектной части госзадания МОиН РФ № 11.1465.2014/К.
Степень разработанности темы исследования
Подавляющее большинство работ по изучению вязкости сталей посвящено критериям вязкохрупкого перехода, оценке температуры и факторов хрупкого разрушения. Высоковязкие стали, разработанные в последнее десятилетия, обладают столь высокой вязкостью, что у них вязкохрупкий переход находится в районе крайне низких температур (< -80 С).
Вопросы оценки резерва вязкости подобных высоковязких сталей не разработаны, и имеются значительные затруднения определения уровня трещиностойкости (вязкости) сталей, у которых уровень ударной вязкости в интервале климатических температур составляет > 350 Дж/см2.
Цель работы: на основе структурных, энергетических и фрактографических исследований разрушенных динамическим изгибом образцов сталей типа 06Г2Б с ультрадисперсной феррито-бейнитно/мартенситной структурой, установить основные факторы, ответственные за их высокую вязкость, и разработать рекомендации по ее оценке.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
На основе совместного анализа диаграмм нагружения и фрактографических данных образцов Шарпи сталей типа 06Г2Б оценить энергоемкость стадий зарождения и распространения трещины, отдельных зон на поверхности изломов и их вклад в вязкость.
-
Выявить структурные и фрактографические параметры, ответственные за высоковязкое состояние.
-
Изучить природу особых очаговых трещин - расщеплений на основе детального исследования процессов их зарождения и роста, их вклад в вязкость сталей.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
впервые с привлечением фрактографического анализа выявлена связь отдельных участков диаграмм ударного нагружения с зонами на поверхности излома образцов Шарпи;
показано, что в слоевой структуре горячекатаного листа ферритные зерна имеют малоугловые границы (9…11), то есть внутри слоев формируется полигонизированная структура, обладающая высокой конструктивной прочностью;
установлено, что при всех температурах испытаний наибольший вклад (до 60 %) в энергоемкость разрушения исследованных сталей вносит зона однородного вязкого излома;
изучен механизм возникновения особых очаговых трещин -расщеплений, включающий образование пор и тонких трещин, их многократное объединение, приводящее к возникновению зародышей расщеплений сборно-ступенчатой морфологии, а также их последующий рост по границам слоев;
выявлены структурные параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Практическая значимость работы:
предложен способ оценки вязкости для металлических материалов при испытаниях на ударный изгиб с записью диаграмм нагружения (патент № 2570237). Предлагаемый способ может быть использован его для аттестации вязкости любых металлических материалов при наличии инструментальной записи кривой разрушения;
сформулированы практические рекомендации по фрактографическим методам оценки трещиностойкости;
результаты работы использованы при разработке учебных пособий по инструментальным испытаниям на ударный изгиб и измерениям микротвердости металлических материалов для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов»;
результаты исследования используются в курсе лекции по дисциплине «Прочность сплавов» на кафедре Термообработки и физики металлов Института Материаловедения и металлургии УрФУ.
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой исследования послужили труды ведущих и зарубежных ученых в области изучения высоковязких сталей, зарубежные и государственные стандарты РФ, а также положения теории вязкохрупкого перехода, теории разрушения сталей и сплавов.
Для достижения поставленной цели и задач в диссертационной работе были использованы методы: инструментальные испытания на ударную вязкость и микротвердость, металлография, световой и электронный фрактографический анализ, анализ текстуры методом EBSD.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
инструментальная оценка ударной вязкости;
вклад в энергоемкость разрушения отдельных зон на поверхности изломов образцов Шарпи;
исследование областей пластической деформации, формирующихся при разрушении образцов Шарпи;
структурные и фрактографические параметры, ответственные за высокую вязкость исследованных сталей.
Степень достоверности результатов диссертации определяется применением современной экспериментальной техники и измерительных приборов, комплекса современных методов исследования, а также воспроизводимостью и непротиворечивостью результатов полученных различными методами.
Личный вклад соискателя заключается в подборке и анализе современных публикаций по рассматриваемой тематике, в постановке цели и задач, в проведении экспериментов и обработке и анализе их результатов, в формулировании выводов, написании статей и тезисов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XVIII международной научно-технической конференции «Трубы» (г. Челябинск, 2010); XI-XVI международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2010-2015); научно-практической конференции «Актуальные вопросы конструкционный прочности и износостойкости деталей машин» (г. Нижний Тагил, 2014); ХХII уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Оренбург, 2014); III международной уральской научно-практической конференции «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования техническое диагностирование и экспертиза промышленной безопасности» (г. Челябинск, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 5 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент РФ на изобретение.
Виды разрушения металлов
В основе многих процессов разрушения лежит конкуренция и взаимодействия пластического течения и разрушения, которая необходима в разных масштабах. Конкуренция трещинообразованием и пластическим сдвигом создает обратную связь. Пластическая деформация, разгружая концентратор напряжения, предотвращает зарождение трещины. Когда концентратор напряжения разгружен трещиной, для пластического сдвига здесь нет сил.
Образование и объединение трещин в микроструктуре может поглощать основную часть работы продвижения макротрещины, но может быть и всего лишь «спусковым механизмом», контролирующим ее продвижение, тогда как основную работу совершает течение в пластической зоне макротрещины [28].
Дагдейл (1960) указал, что перед кромкой всякой растущей трещины надо различать две зоны. В зоне событий на расстояниях г гс происходит собственно раскрытие трещины - возникают две новые поверхности.
В пластической зоне радиусом rs происходит диссипация энергии — работа пластической деформации (а также множественного растрескивания, если оно есть вне магистральной трещины).
В вязких материалах обычно rc rs. Основную работу совершает пластическая зона г rs, а разрыв в малой области г гс услужит лишь «спусковым механизмом» для продвижения пластической зоны вместе с кромкой трещины [2].
Пластическая деформация в процессе нагружения играет двоякую роль. С одной стороны, именно она создает в кристалле концентраторы напряжений, способствующие образованию зародышевых микротрещин. С другой стороны, микропластическая деформация в области концентраторов уменьшает напряжения (релаксация их в соседних микрообъемах). Лишь разрушение некоторых пластичных металлов, например, алюминия возможно без образования трещин только пластической деформацией. В основном же разрушение происходит в результате зарождения микротрещин, их роста и выхода на поверхность кристалла.
В основу классификации микротрещин положено соотношение их длины / и радиусов кривизны вершин г? и г2 (Рисунок 1.3) [29]:
1. Упругая трещина (г// г2/1 « /7). В предельном случае(г7 r2 а) - это разрез тела конечной длины вдоль какой-нибудь плоскости. Упругая трещина механически нестабильна, раскрывается только под действием растягивающих напряжений. Такая трещина является концентратором приложенных растягивающих напряжений.
2. Дислокационная трещина (г// » г2/1) - полое ядро дислокации с большим вектором Бюргерса nb. Упругая энергия дислокации п2Ь2, и энергетически выгодным является раскрытие трещины в ядре. Это приводит к уменьшению упругой энергии, но увеличивает поверхностную энергию. Соотношение изменений этих энергий определяет равновесную длину трещины. Наблюдаемые экспериментально дислокационные трещины имеют длину порядка п2Ъ (при и = 20,/ 0.1 мкм).
3. Пора (2r/l 2г2/1) - механически стабильная трещина, не создающая собственных напряжений и не являющаяся концентратором приложенных напряжений.
Рост трещины приводит к хрупкому или вязкому разрушению. В основе такого разделения, удобного для технических целей, лежит величина предшествующей разрушению пластической деформации. Хрупким называется разрушение, если эта деформация не превышает 1…2%. Различие между двумя видами разрушения заключается в степени локализации пластической деформации: при хрупком разрушении локализация происходит на ранней стадии деформации, при вязком - после значительной равномерной деформации.
Вопрос о том, какой из двух процессов: разрыв межатомных связей или пластическая деформация является ведущим, в настоящее время продолжает оставаться дискуссионным. Можно полагать, что эти процессы являются ведущими на разных стадиях развития трещины. Поэтому вводится представление о квазихрупком разрушении (скорость разрушения лимитируется разрывом межатомных связей на стадии зарождения трещины и пластической деформацией на стадии ее распространения). В основе такой классификации лежит соотношение между энергией активации разрыва межатомных связей и энергией активации пластической деформацией на различных стадиях разрушения [29].
Разрушение есть процесс образования новой поверхности. У него всего два возможных типа кинематики (Рисунок 1.4): смещение происходит или вдоль этой поверхности - срез, или по нормали к ней — отрыв. Отрыв создает две новые поверхности - берега, противолежащие друг другу. Срез может создавать или одну поверхность, или две, но далеко разнесенные.
Испытания механических свойств
Согласно рисунку 1.17, наибольшую твердость имеют приповерхностные области балки, где y и максимальные. С удалением от поверхности она постепенно снижается, достигая минимального значения (твердости исходного металла) на нейтральной линии.
При распространении трещины в пластически изогнутой балке (в образце Шарпи) нейтральная линия, расположенная на глубине b=В/2, опускается до точки b=(В+l)/2, где l –длина трещины [45], и тем в большей степени, чем глубже релаксация напряжений, то есть чем значительней вязкая компонента разрушения (больше мобильность дислокаций в образце). Образование в образце хрупкого квадрата, где отсутствует движение дислокаций, приводящее к пластической деформации (релаксации), способствует из-за концентрации напряжений смещению нейтральной линии вверх (в сторону надреза).
Таким образом, нейтральная линия в разрушенном образце Шарпи «подвижна» и ее положение определяется вязкостью сталей, в частности мобильностью дислокаций МД, если абстрагироваться от возможного охрупчивающего действия межзеренных и межфазных границ. В образцах с пониженной вязкостью, нейтральная линия, находясь над хрупким квадратом, смещается в сторону надреза и тем большей степени, чем больше хрупкий квадрат (меньше KCV). В высоковязком образце без хрупкого квадрата в изломе нейтральная линия максимально удалена от надреза.
Исходя из вышесказанного, можно полагать, что оценка распределения твердости по высоте разрушенного образца Шарпи позволит установить расположение в нем нейтральной линии, размер областей растяжений и сжатия, что должно оказывать влияние на особенности механизма разрушения в них.
В момент, когда пластические зоны охватят все сечение образца, в зоне долома LД, образуется так называемый пластический шарнир (Рисунок 1.18). Нагрузка, соответствующая образованию пластического шарнира, называется разрушающей. Разрушающий момент в пластическом шарнире определяется по формуле [116]: Mразр = mWпл, (1.1) где Wпл – пластический момент сопротивления сечения; m – предел текучести материала балки. В настоящее время ударные испытания используются преимущественно для оценки способности конструкционных сталей сопротивляться хрупкому разрушению [1, 3]. Эти испытания чувствительны к различным изменениям структуры металлов, иногда невыявляемыми другими методами. В связи с этим испытания на ударный изгиб часто применяют в заводской практике для оценки правильности режимов термической обработки, качества металла. Рисунок 1.18 - Образование пластического шарнира [116]
Определяемой характеристикой при испытаниях на ударный изгиб является ударная вязкость [32]. Под ударной вязкостью понимается работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте излома КС = (1-2) где КС ударная вязкость, МДж/м2 или Дж/см2; А - работа удара, Дж; F -площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м2. При инструментальных испытаниях первичная кривая ударного разрушения в координатах «усилие F - время т» для уменьшения колебаний системы «опора-образец-молот» подвергается фильтрации и двойному интегрированию для получения кривой в координатах «усилие F - прогиб S». Согласно стандарту ASTM Е2298-13 [46], на такой осциллографической кривой F = f (S) выделяются характерные точки, соответствующие разным стадиям разрушения образца (Рисунок 1.19): Fgy - начало общей текучести, Fmax -максимум нагрузки, Fbf - началу нестабильного хрупкого разрушения и Fa -затупление трещины при доломе. F,KHT V, мм Рисунок 1.19 – Диаграмма нагрузка F – прогиб S при ударном деформировании образца Шарпи [46]
Твердость. Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны, более твердого и не имеющего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера [45].
Испытания на твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространенными испытаниями на статическое растяжение, что объясняется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади. Результаты определения твердости легко сопоставимы с данными испытаний другими методами [45].
Микротвердость. Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Он незаменим для оценки твердости отдельных фаз и структурных составляющих сплавов или их отдельных областей [47].
Метод стандартизован (ГОСТ 9450—76). В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего используют алмазную пирамиду Виккерса — правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136. При измерении микротвердости расстояние между соседними отпечатками должно быть не менее двух длин диагонали большего отпечатка, как и расстояние от центра отпечатка до края образца.
Источники погрешностей при измерении микротвердости являются вибрации, инструментальные ошибки в нахождении длины диагонали отпечатка, шероховатость поверхностного слоя и др. По мере уменьшения нагрузки все погрешности возрастают, особенно благодаря упругой составляющей деформации [48]. Использование приставок для автоматического нагружения, всемерное устранение вибраций, тщательная отработка методики приготовления шлифов, применение оптимальной нагрузки позволяют свести ошибки в определении числа микротвердости к минимуму.
Изучение поверхности разрушения. Фрактография — наука об изломах, известна с давних времен. Уже в XVI в. излом использовали для оценки качества металла.
Изучение микро- и макрорельефа изломов ударных образцов позволило изучить процессы зарождения и развития трещины при ударном изгибе образцов из различных сталей [5]. На начальных этапах процесса деформирования у вершины надреза возникает пластическая зона. Дальнейшее повышение нагрузки приводит к образованию сдвиговых микротрещин по плоскостям максимальных касательных напряжений и по границе пластической зоны. Объединение микротрещин приводит к образованию и страгиванию магистральной трещины, которая развивается по границе пластической зоны разрушения перемычек между возникшими ранее сдвиговыми микротрещинами. При этом возникают макрополосы, состоящие из участков со сдвиговым рельефом, чередующиеся с областями, состоящими из вязких ямок отрыва.
Микротвердость приповерхностных областей изломов
Как следует из рисунков 3.15 и 3.16, изменение микротвердости по траектории МТр носит волнообразный характер как в непосредственной близости к поверхности разрушения (трасса 1), так и при удалении от нее на 1,6 мм (трасса 3). По усредненным значениям HV, показанным жирной линией на рисунках 3.15 и 3.16, согласно уравнению 3.3, была проведена оценка степени деформации в выделенных микрообъемах. Это позволило сделать следующие заключения: - по мере движения МТр происходит плавное изменение величины наклепа в окружающей ее области пластической деформации (ОПД); - минимальную величину микротвердости (степени деформации) имеют участки вначале зон Lc и LB: 240 и 270 HV соответственно; тогда как максимум достигается в середине зоны Lc (-300 HV) и в конце зоны ЬД (-340 mg; - снижение Тдеф от -40 до -60 С несколько уменьшает все значения HV (), за исключением зоны ЬД, что свидетельствует об уменьшении с понижением Тдеф.
Можно предположить следующую трактовку этих экспериментальных данных. Надрез на образце создает трехмерное напряженное состояние, что способствует концентрации напряжений и страгиванию МТр [3, 33, 45]. По мере удаления от надреза в условиях легкого пластического 06Г2Б оно постепенно сменяется двухмерным напряженным состоянием, что и приводит к формированию зоны Lc. Здесь при перемещении дислокаций под действием касательных напряжений т = происходит формирование дислокационной ячеистой структуры [64, 65], что находит отражение в однородном ямочном рельефе излома в зоне Lc и накоплении наибольшей плотности дислокаций (HV 12 [3]). Это рассматривается как I мода пластического течения металлов. При II моде пластического течения в ходе течения (большой мобильности дислокаций Мд) в исследованных сталях типа больших пластических деформаций происходит образование дисклинаций - плоских большеугловых границ (БУГр), разбивающих металл на взаимно перемещающиеся слои [66]. При слоевом течении ячеистая дислокационная структура внутри слоев становится все более совершенной, что обуславливает сохранение в зоне LB вязкого ячеистого излома. Однако разрушение по БУГр придает излому в зоне LB волокнистое строение, унаследованной от слоевой структуры [67, 68].
БУГр концентрируют напряжения и разгружают слои благодаря появлению и росту компоненты i, перпендикулярной к ним, что способствует облегчению пластического течения и уменьшению наклепа (микротвердости). Вследствие использованной в данной работе ориентации образца Шарпи и надреза на нем (Глава 2, рисунок 2.1) новые БУГры, формирующиеся в ходе разрушения образца, параллельны «старым» БУГрам, унаследованным металлом от горячей пластической деформации при безрекристаллизационной контролируемой прокатке листа, а возникающее на них напряжение i направлено вдоль НН, то есть i = z.
Очевидно, постепенный переход от моды I к моде II при увеличении масштаба слоевого пластического течения в ОПД МТр обуславливает плавное снижение микротвердости (HV 12 %) и степени деформации ( 50 %) при переходе от зоны LC к зоне LB.
Трактовка этих данных возможна и с других позиций. Сопоставление хода кривой микротвердости в приповерхностном районе излома по траектории МТр в разрушенном образце Шарпи (Рисунки 3.15 и 3.16) и изменением твердости по высоте изогнутой прямоугольной балки (Глава 1, рисунок 1.16) показывает их сходство и ориентировочно положение нейтральной линии, где твердость минимальна между зонами LC и LB. Об этом же свидетельствует область пластической деформации МТр (Рисунок 3.13), ширина которой наибольшая на верхней и нижней поверхности образца, что соответствует максимальному масштабу пластической деформации (глава 1, рисунок 1.17 а), а минимум ширины ОПД приходится между зонами LC и LB. При этом, по всей видимости, в изгибающемся образце с распространяющейся МТр нейтральная линия (плоскость) изогнута.
Таким образом, в зоне LB действуют сжимающие напряжения (+y), как, несомненно, и в примыкающей к ней зоне долома LД. В зоне LC – растягивающие напряжения (-y), что должно, в частности, влиять на плоскость распространения МТр. Действительно, на рисунках 3.15 и 3.16 наблюдается обратная корреляция между изменением профиля и величины HV по мере распространения МТр в зонах LC и LB (Рисунки 3.15, 3.16). В зоне долома выполняется прямая корреляция между этими параметрами, что, вероятно, связано с принципиально иным характером пластического течения и распространения МТр в этой зоне.
Сделанное заключение, что при разрушении образцов ударным изгибом в зонах излома, разделенных нейтральной линией (плоскостью) действуют напряжения растяжения (LC) и сжатия (LB), является весьма принципиальным, поскольку дает объяснение многим экспериментальным данным и, главное, происхождению зон и их протяженности.
Напряжения сжатия – необходимое условие образования большеугловых границ (БУГр) деформационного происхождения [36, 66, 69], концентрируя на себе компоненту 3 (z), создают трехмерное напряженное состояние, что приводит к разбиению металла на трансляционно-ротационно смещающиеся слои при пластическом течении. Наличие сжимающих напряжений в зоне LB, усиливающихся по мере удаления от нейтральной линии способствует возникновению БУГр – слоевого течения – волокнистого вязкого рельефа излома при сравнительно небольших степенях деформации в зоне LB, как можно судить по HV.
Уникальная зона однородного вязкого разрушения LC формируется в растягиваемой части образца при максимально высокой МД, чему способствует двуосное напряженное состояние [64]. С увеличением МД (масштаба пластической релаксации) нейтральная линия удаляется от надреза – растет протяженность зоны LC, и у образцов в высоковязком состоянии, например, при Тисп 20 С, зона LC настолько велика, что практически примыкает к зоне долома. У образцов с пониженной вязкостью, зона LC (область растяжения) отсутствует и нейтральная линия максимально близка к надрезу. Следовательно, положение нейтральной линии – размер зоны LC в изломе образца Шарпи является геометрическим параметром вязкости.
Энергоемкость разрушения в отдельных зонах излома
Для высоковязких сталей, имеющих исключительно макровязкий излом без хрупкого квадрата вплоть до крайне низких температур испытаний, отрезок Fbf - Fa оправдано отнести к зоне LB (Рисунок 4.5). Отсюда следует весьма принципиальный вывод: прямолинейность отрезка Fbf - Fa свидетельствует, что в механизме разрушения в зоне LB существует хрупкая компонента. Так, для сталей обычной вязкости из этого положения следует, что лин ейный от резок Fbf - Fa связан не только с движением магистральной трещины по хрупкому квадрату, но и по предшествующей ему зоне LB, которую ранее не идентифицировали [5, 71]. Значит, в таких сталях нет чисто вязкого разрушения (или крайне мало), что подтверждается отсутствием в изломе однородной зоны LC, а зона волокнистого макровязкого разрушения является зоной квазивязкого разрушения, в котором в том или ином масштабе присутствует хрупкая составляющая.
В изломе высоковязких сталей типа 06Г2Б при разрушении вплоть до крайне низких температур хрупкая компонента не локализована в виде хрупкого квадрата, а рассредоточена по всей зоне LB. Излом в зоне LB на микроуровне состоит преимущественно из ячеек отрыва, а макроуровне имеет волокнистое строение. Следовательно, хрупкая компонента, по всей вероятности, обусловлено разрушением по поверхности волокон.
Обосновано считать, что волокнистый рельеф излом наследует от слоевой структуры, формирующейся в ходе испытания образца на изгиб. Разбиение металла на трансляционно-ротационно перемещающиеся слои при пластической деформации со значительной компонентой сжатия связано с возникновением большеугловых границ [38, 69]. Тогда хрупкая компонента квазивязкого излома в зоне LB – результат межслоевого хрупкого разрушения по большеугловым границам (БУГр) деформационного происхождения.
В образцах исследованных сталей таковыми являются «старые» границы, внесенные горячей пластического деформацией при изготовлении листа, и «новые» границы, возникшие при испытании образцов. Наглядным проявлением такого хрупкого межслоевого разрушения по БУГр является образование в зоне LB особых очаговых трещин – расщеплений, что детально рассмотрено в главе 5.
Из данных представлений становится ясен физический смысл уравнений 4.1 и 4.2, положенных в основу запатентованного способа оценки вязкости сталей по параметру WB – работе разрушения на ниспадающем линейном участке Fbf – Fa диаграммы нагружения при ударном изгибе. Величина WB учитывает сохранившуюся в зоне LB долю вязкого разрушения и ее энергоемкость. Отсюда корреляция между KB (WB) и KCV образца (Рисунок 4.3), кстати, и между размером зоны LB (протяженностью имеющихся в ней БУГр) и KCV (так как Lc+LB=const, глава 5, рисунок 5.23).
Итак, за понижение вязкости сталей с ультрадисперсной феррито-бейнитной (мартенситной) структурой ответственна зона LB, что при снижении Тисп проявляется, как уменьшение параметра WB (Кв) вследствие более раннего по S и более крутого спада F на отрезке Fbf - Fa. На сериальной кривой KCV = (Тисп) это проявляется как ниспадающая ветвь (Рисунок 4.2). В силу следующих причин ее нельзя трактовать, как вязкохрупкий переход, как это имеет место для сталей обычного уровня вязкости [3]. На нижнем уровне еще сохраняется KCV = 50-100 Дж/см2, в макровязком изломе отсутствует хрупкий квадрат, что свидетельствует о еще существенной мобильности дислокаций МД. Очевидно, при разрушении в интервале температур, соответствующем ниспадающей ветви KCV, не «выдерживают» сформировавшиеся большеугловые границы деформационного происхождения, и с понижением Тисп все больший масштаб хрупкой компоненты разрушения.
Зоны излома отражают различные стадии (механизмы) разрушения. В величину зон вязкого разрушения ЬД и X вносит вклад инструментальный фактор: вследствие близости поверхности образца в них формируется плоское напряженное состояние, способствующее легкому протеканию пластической деформации [5, 33, 79]. Поверхность тела, как и границы зерен, являются источником (стоком) вакансий и дислокаций, что обеспечивает в ее окрестностях высокую подвижность и маневренность дислокаций [50]. В результате в приповерхностных зонах излома разрушение всегда происходит по сдвиговому механизму даже в сталях с пониженной вязкостью.
Однако наибольшее внимание заслуживают зоны Lc и LB, напрямую связанные с природой металла, тогда как на приповерхностные зоны , , ЬД оказывает влияние масштабный фактор. Из совокупности энергетических данных, найденных из диаграмм нагружения, и фрактографического анализа удается выделить границы зон излома, однако отыскание абсолютных значений энергоемкости разрушения при прохождении МТр через каждую зону является сегодня трудно решаемой задачей в силу ряда моментов, например, таких: - МТр всегда одновременно находится в зонах Lc+ и LB+ (Глава 2, рисунок 2.3); - фронт МТр весьма искривлен (не плоский), что не позволяет с достаточной точностью определить площадь каждой зоны. Поэтому возможна лишь полуколичественная сравнительная оценка изменения при снижении температуры испытаний энергоемкости разрушения в каждой зоне, а также соотношения энергоемкости разрушения зон, в первую очередь Lc и LB. Примем, что удельная энергия разрушения в каждой зоне образца равна работе, затраченной на разрушение в данной зоне (а,), отнесенной к ее площади (At):