Investigation of a plastic deformation inhomogeneity and failure of the corrosion-resistant bimetal under uniaxial tensi.pdf Локализация пластической деформации проявляется на всех масштабных уровнях процесса в виде полос и пачек скольжения, дислокационных субструктур (ячейки, полосовые структуры, фрагменты), фронтов пластической деформации, полос сброса, пространственно-временных осцилляций пластической деформации и т.п. [1-5]. Явления пространственно-временной локализации пластической деформации в твердых телах являлись предметом большого интереса на протяжении последних десятилетий, были предприняты значительные усилия их интерпретации в рамках современных подходов к описанию процессов самоорганизации в системах, далеких от равновесия. Процесс неоднородного развития пластической деформации, по крайней мере в металлах, подвергаемых одноосной пластической деформации, имеет многомасштабную природу, зависящую от величины средней пластической деформации, ее скорости, температуры и других факторов. Изученные к настоящему времени закономерности пластической деформации на микро-, мезо- и макроскопическом масштабных уровнях установлены на широком классе чистых металлов или сплавов [1-5]. Различные формы процесса локализации пластической деформации на макроскопическом уровне могут рассматриваться как разные типы автоволн, зависящие от действующего на данной стадии закона деформационного упрочнения [4, 5]. Деформационному поведению многослойных материалов при интенсивной пластической деформации посвящено ограниченное количество работ. Такие материалы могут быть изготовлены с помощью соединения разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. К числу таких материалов относятся двухслойные металлические композиты - биметаллы, в том числе и антикоррозионные биметаллы, которые достаточно устойчивы к воздействию агрессивных сред и обладают высокими механическими характеристиками [6-9]. Наибольшая доля в выпуске коррозионно-стойкого биметалла приходится на композиции углеродистых и коррозионно-стойких сталей в виде тонких и толстых листов, а также в виде труб в химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности и судостроении. Водородосодержащая среда, проникая в объем элементов конструкции и деталей, приводит к значительным ухудшениям кратковременных и длительных механических характеристик материала, что вызывает изменение напряженно-деформированного состояния и приводит к значительному уменьшению несущей способности и сокращению долговечности конструкций [10-13]. Коррозия и водородное охрупчивание металлических материалов тесно связаны с определенными элементами их микроструктуры и, в частности, с сегрегационными и диффузионными процессами, протекающими на внутренних структурно-фазовых поверхностях (границах) раздела и ассоциированных дефектах дислокационного типа; микромеханизмы таких процессов мало изучены. Фундаментальные знания о природе водородного охрупчивания металлов и сварных соединений необходимы для стандартизации материалов, применяемых при создании водородной инфраструктуры. Необходимы фундаментальные исследования для раскрытия механизмов локализации деформации, водородной деградации и разрушения, что позволит усовершенствовать конструкционные материалы. Настоящая работа посвящена изучению особенностей пластической деформации и разрушения биметаллической композиции на основе соединения углеродистой стали и высокохромистой нержавеющей стали при одноосном растяжении в условиях агрессивной водородосодержащей среды. Материалы и методы исследования Исследовались образцы биметаллического соединения, вырезанные из полосы, полученной по следующей схеме: между вставленными в изложницу листами плакирующего металла -12Х18Н9Т - в качестве основного металла заливалась Ст3 (T = 1500 °С) с последующей горячей прокаткой полученного трехслойного листа при Т = 1200-1400 °С. По внешнему краю образца с обеих сторон расположен плакирующий слой из стали 12Х18Н9Т толщиной s 750 мкм, в центре - основной металл ~ 6.7 мм Ст3 [6-9]. Насыщение водородом исследуемого металла проводилось электролитическим методом в трехэлектродной электрохимической ячейке при постоянном контролируемом катодном потенциале в 1N растворе серной кислоты в течение 6 [14]. Механические испытания на одноосное растяжение проводились при T = 300 К со скоростью деформации 6.6710-5 с-1 на испытательной машине LFM-125 плоских образцов в исходном состоянии - 1 и после электролитического насыщения водородом - 2 (рис. 1). Требования к методике исследования локализации пластического течения в деформируемых материалах являются ключевыми при поиске главных закономерностей пластического течения. Эти требования практически очевидны: методика Переходная область Ст3 12Х18Н9Т Рис. 1. Схематическое изображение образца биметаллического материала Fig. 1. Schematic representation of a sample of bimetal material должна сочетать точность измерения количественных характеристик процесса пластического течения на уровне разрешения оптического микроскопа (~10-6 м) с размером поля зрения порядка длины исследуемого образца (~10-1 м). Выполнение первого требования необходимо для обеспечения достаточной чувствительности прибора, а второго - продиктовано необходимостью наблюдения деформации образца в целом. Детальное исследование картин локализации пластического течения на макромасштабном уровне проводилось с использованием универсального измерительного комплекса ALMEC-tv для цифровой регистрации полей векторов смещений и компонент тензора пластической дисторсии [15]. При использовании этого комплекса растягиваемый образец освещается когерентным светом полупроводникового лазера с длиной волны 635 нм и мощностью 15 мВт. Полученные изображения деформируемого образца с наложенными спекл-картинами регистрируются цифровой видеокамерой PixeLink PL-B781. Для каждой точки изображения формируется последовательность отсчетов, характеризующая временной ход ее яркости, вычисляются дисперсия и математическое ожидание яркости мерцания спеклов, которые используются для отображения зон локализации деформации. Используя такую методику, удается in situ регистрировать области, в которых при заданном приросте общего удлинения образца локализуется деформация материала. Экспериментальные результаты Изучение микроструктуры методами оптической металлографии позволило выявить 3 основные области материала: основной материала Ст3, переходную область и плакирующий слой материала из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (рис. 2). Из рис. 2 видно, что в трехслойном образце после прокатки границы раздела разнородных материалов четкие и тонкие, поры и неметаллические включения отсутствуют, что свидетельствует о сплошности и высоком качестве соединения. В стали Ст3 основой фазой является феррит, а в стали 12Х18Н9Т - аустенит. Структура основного металла (стали Ст3) на расстоянии s 2 мм от границы соединения предоставляет собой матрицу феррита с колониями перлита, что является типично для низкоуглеродистой стали. На расстоянии около 200 мкм от границы соединения обнаружена область частичного обезуглероживания, которая является переходной от структуры основного металла к ферритной структуре. По границе соединения металлов со стороны стали Ст3 образовался обезуглероженный слой, состоящий полностью из зерен феррита. В зоне частичного обезуглероживания стали Ст3 по границам ферритных зерен выявлены отдельные включения и прослойки перлита. 1 2 3 Рис. 2. Оптическая металлография биметалла: 1 - область плакирующего слоя металла 12Х18Н9Т; 2 - переходная область (зона соединения); 3 - область основного металла Ст3 Fig. 2. Optical metallography of bimetal: 1, area of the cladding layer of 12Х18Н9Т (12Н18ШТ); 2, transition area (interface); and 3, area of the basic metal Ст3 (St3) В результате проведения механических испытаний были получены деформационные кривые биметалла в исходном состоянии 1 и состоянии 2 после насыщения водородом в течение 6 ч (рис. 3). Рис. 3. Диаграмма нагружения биметалла в исходном состоянии 1 и состоянии 2 после электролитического насыщения водородом в течении 6 часов Fig. 3. Loading diagram for bimetal (1) in the initial state and (2) after 6-hour electrolytic hydrogenation Деформационные кривые в состояниях 1 и 2 можно отнести к диаграммам общего типа, которые принято описывать параболической функцией вида ст = ст0 + K en, (1) где K - коэффициент деформационного упрочнения; n < 1 - показатель деформационного упрочнения. Анализ стадийности деформационных кривых в состояниях 1 и 2 позволил выделить следующие стадии пластического течения: зуб и площадку текучести, стадию линейного деформационного упрочнения, стадию параболического деформационного упрочнения и стадию предразрушения. В результате электролитического насыщения водородом в течение 6 ч произошло незначительное уменьшение прочности и увеличение пластичности биметалла. Использование метода корреляции цифровых спекл-изображений позволило на всех стадиях деформационного упрочнения для образцов состояний 1 и 2 рассмотреть эволюцию картин локализации пластической деформации во внешнем слое нержавеющей стали 12Х18Н9Т, основном слое низкоуглеродистой стали Ст3 и переходном слое (зоне соединения) материала. Прирост деформации растяжения между отдельными кадрами составил 0.002. Контраст для изображений обычно выбирается таким образом, чтобы темные области соответствовали деформирующимся в данный момент объемам, а светлые указывали на пассивные объемы, где пластического течения в момент наблюдения нет. Интенсивность окраски пропорциональна амплитуде локальной деформации (рис. 4). Переходный слой Рис. 4. Картина распространения фронтов локализации пластической деформации для материала в состоянии 2, при общей деформации: а - 1,7 %, б - 2,6 % Fig. 4. Pattern of the propagation of localized bands of plastic deformation for material in the state 2 at the total deformation s of (а) 1.7 % and (b) 2.6 % Анализ картин локализации пластической деформации биметалла в состоянии (1) и (2) показал, что на площадки текучести в области внешнего и переходного слоя материала формируется общая система подвижных очагов локализации пластической деформации (рис. 4, а). Далее, в процессе деформирования от них, в области переходного слоя на глубине 0,7 мм от поверхности, отделяются одиночные фронты, которые продолжают согласованное движение вдоль оси растяжения материала, но уже с другими скоростями, в отличие от очагов локализации деформации слоя нержавеющей стали (рис. 4, б). На стадии линейного деформационного упрочнения для состояний 1 и 2 помимо описанной выше картины в области основного материала Ст3 формируются четыре эквидистантно расположенных подвижных очага локализации пластической деформации. Однако подвижные очаги в нержавеющей стали 12Х18Н9Т и очаги пластической деформации в переходной области материала препятствуют их распространению с постоянной скоростью по длине образца. На стадии параболического деформационного упрочнения при общей деформации е = 12 % для состояния 1 и е = 13 % для состояния 2 формируются стационарные системы эквидистантно расположенных очагов локализации пластической деформации. На стадии предразрушения в состоянии 1 и 2 неподвижные ранее очаги локализации пластической деформации начинают согласованное движение с тенденцией к их слиянию к высокоамплитудному максимуму локальных деформаций, который формируется в том месте образца, где происходит разрушение (рис. 5). 1 F Рис. 5. Образование трещины образца в состоянии 2 и распределение локальных удлинений на стадии предразрушения Fig. 5. Formation of a sample crack in the state 2 and distribution of the local extensions at the prefracture stage Характер разрушения материала в двух состояния 1 и 2 отличен друг от друга. В состоянии 2 разрушение имеет более вязкий характер. В исходном состоянии 1 в области макроконцентратора напряжений на стадии образования шейки при общей деформации е = 32,6 % формируются две макрополосы локализованной пластической деформации, распространяющиеся по направлениям максимальных касательных напряжений, образуя магистральную трещину. Магистральная трещина зарождается в области защитного слоя биметалла и быстро распространяется через все сечение образца (рис. 6, а). В состоянии 2 после электролитического наводороживания биметалла, при общей деформации е = 31,7 %, формируется одна макрополоса локализованной пластической деформации (рис. 6, б) и наблюдается повышенное сопротивление разрушению по сравнению с состоянием 1. В процессе движения основная магистральная трещина разделяется на ряд отдельных мелких трещин, которые Рис. 6. Визуализация полос локализованной пластической деформации на стадии предразрушени: а - в состоянии 1 при общей деформации s = 32,6 %, б - в состоянии 2 при общей деформации s = 31,7 % Fig. 6. Visualization of the localized bands of plastic deformation at the prefracture stage: (a) in the state 1 at the total deformation of s = 32.6 % and (b) in the state 2 at the total deformation of s = 31.7 % уменьшают скорость распространения магистральной трещины и увеличивают вязкость разрушения материала. Магистральная трещина имеет зигзагообразный вид и распространяется рывками, меняя свое положение и направление распространения в процессе движения. Следует отметить, что траектория трещины обусловлена расположением зон локализации пластической деформации на ранних стадиях пластического течения, которые являются предвестниками будущего разрушения. Заключение В настоящей работе установлено, что при растяжении биметаллических образцов От3+12Х18Н9Т как в исходном состоянии поставки 1, так и в состоянии 2 после электролитического наводороживания в течение 6 ч на всем протяжении пластического течения в основном, защитном и переходном слое биметалла формируются и эволюционируют очаги локализации пластической деформации. Установлено, что в исходном состоянии 1 в биметалле со стороны стали Ст3, образуется обезуглероженный слой, а со стороны стали 12Х18Н9Т - науглероженный слой. Процесс разрушение биметалла в состояниях 1 и 2 обусловлен формированием концентраторов напряжений в области переходного слоя биметалла. Картины распределение локальных удлинений на стадии предразрушения в виде высокоамплитудного максимума локальных деформаций позволяют за 5 % до предела прочности определить место зарождения и распространения трещины. Характер разрушения образцов после легирования водородом имеет более вязкий характер по сравнению с исходным материалом, что свидетельствует о том, что в данном случае атомы водорода способствует увеличению пластичности слоя нержавеющей аустенитной стали рассматриваемого биметалла.

Скачать электронную версию публикации