Structure, deformation behavior under static tension and impact toughness of 09Mn2Si steel subjected to helical rolling.pdf Введение В последние годы в литературе активно обсуждается развитие «гетерогенных материалов» (Heterogeneous Materials) [1, 2]. Под гетерогенными материалами подразумеваются материалы с высокой неоднородностью свойств. Причина кратного повышения механических свойств гетерогенных материалов в работе [1] объясняется различием в развитии деформации в пластичных и прочных фазах. Их сочетание приводит к аккомодации деформации в соседних областях, возникновению градиентов деформации за счёт развития встречных напряжений на границах зёрен и формированию дислокационных скоплений, не сопровождающихся образованием микронесплошностей. С этой точки зрения формирование «ламеллярного» (слоистого) микро-, мезо- и макростроения в металлах и сплавах является предпочтительным с позиции реализации механизмов, обеспечивающих одновременное достижение высоких прочностных и пластических свойств. Это перспективное направление тем не менее имеет значительное ограничение. Так, согласно [2], если размеры зёрен снижаются ниже 1 мкм, пластичность материалов резко уменьшается, что существенно ограничивает возможность их использования на практике [3]. В литературе обсуждаются различные пути преодоления проблемы снижения пластичности ультрамелкозернистых (наноструктурированных) материалов, в том числе путём формирования градиентного характера изменения их свойств [4]. В качестве методов объёмного измельчения зерна и создания гетерогенной структуры активно применяются равноканальное угловое прессование [5] и др. подходы интенсивной (сдвиговой) пластической деформации. Также эффективен метод формирования «ламеллярного» строения с помощью поперечно-винтовой прокатки (ПВП) [6-9]. В данной работе метод ПВП использовали для создания неоднородной гетерогенной мезоструктуры, прежде всего для повышения ударной вязкости. В качестве объекта исследования была выбрана хорошо изученная вязкая конструкционная сталь 09Г2С феррито-перлитного класса. Материал и методика исследований Высокотемпературную многопроходную поперечно-винтовую прокатку стали с понижением температуры на каждом последующем проходе проводили на трёхвалковом министане винтовой прокатки РСП «14-40» в интервале температур 850-500 °С. После каждого прохода выполняли закалку в воду. Суммарная степень истинной логарифмической деформации стали после пяти проходов составила 0.8 (относительная деформация 73.93 %). Для определения промежуточных состояний дополнительно были проведены исследования стали после трёх проходов ПВП. Сравнение данного (промежуточного) режима должно позволить сделать заключение о рациональности дальнейшего увеличения либо снижения количества проходов. Вследствие неоднородности протекания деформационного упрочнения при ПВП по объёму прутка (поперечному сечению) он был условно разделён на три зоны, откуда далее были вырезаны пластины (образцы) для испытаний на статическое растяжение (рис. 1, а). Зона 1 расположена вблизи поверхности прутка, а зона 3 - наиболее близко к центру. Рис. 1. Схема прутка и места изготовления образцов (а); схема образца и схематичное изображение места проведения металлографического анализа (б) Испытания на одноосное статическое растяжение проводили на электромеханической испытательной машине Instron 5582. Образцы были выполнены в виде двухсторонней лопатки с размером рабочей части 20×5×1 мм. Ударную вязкость определяли на образцах Шарпи размером 55×10×10 мм с V-образным надрезом глубиной 2 мм на маятниковом копре c инструментированным бойком Instron 450MPX, согласно стандарту ASTM E23, с возможностью записи кривой нагружения для расчёта энергии, затраченной на зарождение и распространение трещины. Дополнительно оценивали максимальную нагрузку при ударном нагружении. Испытания были проведены при следующих температурах: +20, 0, -20, -40 и -70 ºС. Охлаждение образцов проводили в силиконовом масле на установке Lauda rp 870 в течение 10 мин непосредственно перед испытанием. Время между проведением испытания и извлечением образца из чилера не превышало 5 с. Оптические исследования выполняли с помощью микроскопа Carl Zeiss Axiovert 25. Структура металла вытравливалась 5 %-м раствором азотной кислоты. Определение размера ферритного зерна выполняли согласно стандарту ASTM E112-96. Измерение твёрдости и микротвёрдости выполняли соответственно на приборах ТП-7Р-1 (49 Н) и ПМТ-3 (0.98 Н). Поверхность разрушения образцов анализировали с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO 50 («Zeiss», Германия) в ЦКП «НАНОТЕХ» ИФПМ СО РАН. Исследование структуры Металлография В состоянии поставки сталь 09Г2С имеет феррито-перлитную структуру с характерным размером равноосных зёрен (21±2) мкм (рис. 2, а). После пяти проходов ПВП в продольном и поперечном сечениях прутка (рис. 1, б) в поверхностном слое наблюдается мелкодисперсная структура, предположительно состоящая из феррита и разрушенных перлитных пластин (рис. 2, б). На глубине более 1 мм в продольном сечении становятся различимы отдельные вытянутые ферритные зёрна (рис. 2, в), сохранившиеся после деформации и имеющие небольшое отклонение главной оси в направлении к центру прутка (под углом ~ 20°). Такое ориентирование к центру прутка обусловлено существенным уменьшением диаметра прутка в результате ПВП, а также наклоном прокатных валков относительно оси заготовки. В поперечном сечении такие зёрна выглядят как равноосные структурные элементы (светлые области) несколько вытянутой формы (вследствие указанного выше отклонения) (рис. 2, г). По мере перемещения к центру прутка фиксируется увеличение как размера, так и количества различимых вытянутых ферритных зёрен. На удалении от поверхности более 4 мм при рассмотрении продольного сечения прутка (рис. 1, б) становятся хорошо различимы вытянутые ферритные зёрна, формирующие «ламеллярную» структуру материала. В шлифе, изготовленном из поперечного сечения прутка, на данной глубине различима фаза феррита и перлитной составляющей. Границы между ними искривлены, что вызвано интенсивной деформацией в процессе ПВП. Рис. 2. Металлографическая картина зёренной структуры стали 09Г2С: а - исходное состояние; б-г - после ПВП: приповерхностный слой (б), продольное сечение прутка (в) и поперечное сечение прутка (г) Согласно проведённым оценкам (табл. 1), наиболее интенсивное вытягивание зерна происходит преимущественно вдоль оси прутка (в продольном сечении), в то время как в поперечном сечении прутка наблюдается только снижение их размера по сравнению с исходным состоянием. Таким образом, в нижележащих слоях (ближе к сердцевине) формируется «ламеллярная» структура, состоящая из тонких вытянутых ферритных зёрен, ориентированных преимущественно вдоль оси прутка. В поверхностном слое на глубине примерно до 1 мм формируется мелкодисперсная структура без выраженной текстуры, испытавшая в процессе прокатки максимальную степень деформации. Чёткая граница между этими слоями не наблюдается. Таблица 1 Оценка размеров зёрен в различных областях прутка, подвергнутого ПВП Расстояние от поверхности прутка, мм Размер зерна, мкм Исходное состояние После ПВП Поперечное сечение Продольное сечение Поверхность 21±2 1.8±0.3 2.7±0.3 1 2±0.3 8.5±1.3 2 2.5±0.3 17.3±2.4 3 3.3±0.4 21.6±3.8 4 6.3±0.6 32.7±5.7 Измерение твёрдости Проведено измерение микротвёрдости после пяти проходов ПВП в поперечном сечении прутка (измерение выполняли на глубину до 9 мм при диаметре прутка после ПВП 18 мм) (рис. 3, а). Наибольшее увеличение микротвёрдости наблюдается в поверхностном слое толщиной до 3 мм. По сравнению с образцом в исходном состоянии видно (рис. 3, а), что упрочнение происходит по всему объёму прутка с постепенным снижением интенсивности в центре. Рис. 3. Результаты измерения микротвёрдости (а); диаграмма растяжения стали 09Г2С (б) Измерение твёрдости в зоне 2 (рис. 1, а) проводили для образцов в состоянии поставки, а также после трёх и пяти проходов ПВП (табл. 2). Наименьшие значения твёрдости характерны для необработанной стали, в то время как увеличение количества проходов ПВП ведёт к повышению твёрдости до 20 %. Таблица 2 Значение твёрдости в зоне 2 для образцов до и после ПВП по разным режимам Состояние HV Исходное 97±7 После трёх проходов ПВП 116±3 После пяти проходов ПВП 123±7 Результаты механических испытаний Испытания на статическое растяжение Образцы для испытаний на статическое растяжение были вырезаны из прутка после пяти проходов ПВП на различном удалении от поверхности (из различных зон, согласно схеме на рис. 1, а). Всего по сечению прутка было вырезано 12 пластин (и соответственно образцов) толщиной 1 мм каждая. Кривая течения образца в состоянии поставки характеризуется зубом и площадкой текучести, продолжительной стадией параболического упрочнения и высокими значениями относительного удлинения, типичными для малоуглеродистых сталей (рис. 3, б, табл. 3). После пяти проходов ПВП наблюдается значительное повышение предела прочности, а также значения напряжения зуба и протяжённости площадки текучести при одновременном снижении величины относительного удлинения. Наиболее высокие значения указанных механических характеристик выявлены для образцов после ПВП, вырезанных из приповерхностной зоны прутка (зона 1). У образцов, полученных из зон, расположенных ближе к сердцевине, указанные характеристики снижаются. В то же время у них повышается относительное удлинение, что также подтверждает неоднородный характер упрочнения по объёму прутка в процессе ПВП. Таблица 3 Результаты испытаний на статическое растяжение образцов до и после ПВП, вырезанных из различных зон прутка Состояние Напряжение на площадке текучести, МПа Напряжение зуба текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Исходное 309±20 334±21 467±19 32±5 ПВП, зона 1 621±25 691±27 642±25 13±3 ПВП, зона 2 565±22 622±23 617±21 21±3 ПВП, зона 3 587±24 611±24 659±20 21±4 Интересный эффект наблюдается для материала из центра прутка, где образцы характеризуются как высокими значениями предела прочности, так и наиболее высокими значениями относительного удлинения. По мнению авторов, данный эффект связан, в том числе с сочетанием благоприятных условий термомеханического воздействия (медленным остыванием по сравнению с поверхностным слоем, меньшим деформационным воздействием и меньшей дефектностью, ориентацией границ зёрен преимущественно вдоль оси прутка и др.). Известно, что при наклепе вследствие деформационного упрочнения на кривой течения могут не формироваться зуб и площадка текучести. Однако при использовании данной обработки они присутствуют (рис. 3, б), что свидетельствует о сохранении микромеханизмов пластического упрочнения, крайне важных в условиях ударного нагружения. Сохранение эффективных дислокационных механизмов пластичности на этапе движения полос Чернова - Людерса и плавное снижение деформирующего напряжения на кривой течения после образования шейки авторы связывают с уменьшением размера зерна и созданием «ламеллярной» структуры. Сформированные протяженные границы зёрен препятствуют развитию однородной пластической деформации и обеспечивают повышение прочности; с другой стороны, сохранившиеся («за границами критического» упрочнения) ферритные зёрна позволяют эффективно релаксировать концентраторы напряжений, что не исключает формирования на кривой течения зуба и площадки текучести. Ударная вязкость Согласно данным измерения микротвёрдости (рис. 3, а), образцы для испытаний на ударный изгиб (поперечное сечение 1010 мм), вырезанные из центральной части прутка, имели более высокие значения микротвёрдости по сравнению с материалом в состоянии поставки. В соответствии с «затухающим» характером уменьшения микротвёрдости по поперечному сечению образцы имели упрочнённый поверхностный слой и более «мягкую» сердцевину. Наиболее твёрдый поверхностный слой прутка, наличие которого могло привести к хрупкому разрушению при испытании на ударный изгиб, срезали на этапе изготовления образцов Шарпи. ПВП стали 09Г2С как после трёх, так и после пяти проходов приводит к повышению ударной вязкости во всём температурном интервале (рис. 4, а, табл. 4). В отличие от образцов в исходном состоянии, после ПВП при снижении температуры испытаний не наблюдается резкого снижения ударной вязкости. Наиболее высокие её значения при комнатной температуре фиксируются у образцов после трёх проходов ПВП. В то же время при снижении температуры испытаний разница величины KCV-образцов после трёх и пяти проходов ПВП снижается. Рис. 4. Зависимость ударной вязкости от температуры ударного изгиба (а); работа, затраченная на зарождение трещины (б); на распространение трещины (в); максимальная нагрузка при ударном изгибе (г); 1 - исходное состояние; 2 - образец после трёх проходов ПВП; 3 - образец после пяти проходов ПВП Таблица 4 Результаты испытаний на ударную вязкость образцов стали 09Г2С до и после ПВП Т, °С KCV, Дж/см2 Исходное состояние Три прохода ПВП Пять проходов ПВП -70 196.0±16 299±17 317±24 -40 226±21 308±19 332±30 -20 285±20 353±25 333±21 0 308±26 355±28 337±25 20 310±25 387±24 336±26 Величина энергии зарождения трещины для всех типов образцов находится примерно на одном уровне. При этом более высокие значения характерны для образцов в состоянии поставки, в то время как меньшие - для образцов после пяти проходов ПВП (рис. 4, б). Обратный характер изменения типичен для максимальной нагрузки при ударном изгибе (рис. 4, г). Данные различия хорошо согласуются с выявленной при статическом растяжении пластичностью материала как в исходном состоянии, так и после обработки. Основной причиной повышения ударной вязкости после ПВП, по данным измерения работы зарождения и распространения трещины, является более эффективное сопротивление разрушению именно на этапе роста трещины (рис. 4, в). Наименьшие значения затраченной энергии и более резкое её уменьшение при снижении температуры наблюдаются у образца в состоянии поставки. Получены РЭМ-фотографии поверхности излома (рис. 5). При комнатной температуре излом образцов как в состоянии поставки, так и после ПВП представлен развитым фрактографическим рельефом, состоящим из крупных вытянутых ямок, ориентированных поперёк направления роста трещины, а также большой зоны долома, имеющей более гладкую поверхность (с постепенным изгибом в направлении места приложения ударной нагрузки). Существенное изменение формы поверхности излома на начальном этапе движения трещины (вытяжка образца) указывает на значительное сопротивление ударному нагружению. Однако при достижении определённой длины макротрещины происходит быстрый долом по минимальному остаточному сечению. Поверхность имеет классический вязкий характер разрушения с характерным ямочным изломом (рис. 5, а). Снижение температуры испытаний до -70 °С приводит к увеличению площади зоны долома для всех типов образцов. При этом для образца в состоянии поставки фрактографический рельеф отражает хрупкий характер разрушения (рис. 5, г). Образцы после ПВП сохраняют вязкий характер разрушения (рис. 5, д, е). При этом существенных различий в фрактографическом характере излома образцов, подвергнутых как трём, так и пяти проходам ПВП, не обнаружено. Рис. 5. РЭМ-фотографии излома образцов стали 09Г2С после испытаний на ударную вязкость: а, г - состояние поставки; б, д - после трёх проходов ПВП; в, е - после пяти проходов ПВП Заключение В результате модификации стали 09Г2С методом поперечно-винтовой прокатки выявлено, что после пяти проходов в поверхностном слое глубиной примерно до 1 мм происходит формирование мелкодисперсной структуры, в то время как в нижележащих слоях формируется «ламеллярная» структура, состоящая из тонких вытянутых ферритных зёрен, ориентированных вдоль оси прутка. Показано, что в результате ПВП наиболее интенсивное упрочнение наблюдается в поверхностном слое на глубине до 3 мм с плавным снижением микротвёрдости к центру прутка. Количество проходов ПВП увеличивает деформационное упрочнение материала и, как следствие, его твёрдость. После пяти проходов ПВП в процессе статического растяжения на кривой течения сохраняется зуб и площадка текучести, протяженность которой повышается до 2 раз относительно необработанной стали, при этом на треть повышается предел прочности и снижается относительное удлинение. Разрушение обработанной стали после формирования шейки происходит плавно (с заметной утяжкой), аналогично образцу в состоянии поставки. Образцы, вырезанные ближе к поверхности прутка, имеют более высокие прочностные характеристики, но меньшее относительное удлинение. Таким образом, сформированная структура материала обеспечивает более высокие прочностные свойства при сохранении пластичности и приемлемой вязкости. Сформированные протяженные границы зёрен и сохранение исходной двухфазной структуры обеспечивают высокую прочность, пластичность и вязкий характер разрушения. Пять проходов ПВП стали 09Г2С обеспечивают повышение ударной вязкости при комнатной температуре на 10 %, а три прохода ПВП - на 25 %. При понижении температуры испытаний ниже -20 °С ударная вязкость образцов в состоянии поставки резко снижается, в то время как после ПВП её величина возрастает на 60 %. Основной причиной повышения ударной вязкости авторы считают формирование «ламеллярной» мезоструктуры и сохранение микромасштабных механизмов пластического течения после ПВП.

Скачать электронную версию публикации