Dynamic strength of austenitic steel 08KH16N20M2T in the submicrosecond range of durations shock wave load.pdf Введение Исследование динамических прочностных характеристик аустенитной стали 08Х16Н20М2Т для внутрикорпусных устройств реакторов типа ВВЭР-1200В стимулируется необходимостью прогнозирования интенсивных ударных воздействий техногенной или террористической природы на конструкции. Подобных экспериментальных исследований для оценки характерных параметров прочности сталей и сплавов при ударно-волновом воздействии очень мало. Имеются также вопро-сы фундаментального характера относительно влияния температуры и скорости деформации на сопротивление пластическому деформированию и разрушению сплавов и сталей [1]. В исследова-нии [2] со сталью композиции Cr-Ni-Mo-V, разработанной для корпусов реакторов ВВЭР-1000, было показано, что увеличение температуры до 500 °C приводит к практически двукратному по-нижению динамического предела упругости, но незначительно влияет на величину динамической прочности на разрыв - откольной прочности [1]. Исследуемый материал и методика эксперимента Исследуемая в работе сталь 08Х16Н20М2Т имеет следующий состав: С - 0.06%; Si - 0.5%; Mn - 1.7%; Cr - 15.9%; Ni - 19.1%; Mo - 1.32%; Ti - 0.65%; P - 0.035%; S - 0.005%; Al - 0.1%; Cu - 0.12%; N - 0.025%. В исходном состоянии сталь имеет литую структуру. Заготовка для ис-следования была вырезана из листа. С целью уменьшения ликвационной неоднородности она под-вергнута гомогенизирующей термообработке при температуре 1150 °С в течение 16 ч с после-дующим охлаждением на воздухе. Зерно нулевого балла после гомогенизации имело средний раз-мер 350 мкм с дендритами порядка 0.7 мм вдоль оси. Образцы номинальной толщиной 4 мм выре-зались электроэрозионным способом из заготовки с поперечными размерами 25×20 мм. Измерен-ное значение продольной скорости звука (сl) составило 5610 м/с; плотность (ρ) - 7.92 г/см3. Сведения об ударной сжимаемости исследуемого материала, необходимые для интерпретации полученных результатов, в литературе отсутствуют. Поэтому в работе использовали наиболее близкие по составу к исследуемому материалу ударные адиабаты американских сталей 347 и 348 [3, 4] в диапазоне массовых скоростей до 3 км/с, которые описываются соотношением US = 4.53 + 1.49up, где US - скорость ударной волны, up - массовая скорость. Эксперименты проведены на стенде, включающем газовую пушку калибром 50 мм для гене-рации импульсов ударного сжатия в исследуемых образцах и лазерный доплеровский интерферо-метрический измеритель скорости VISAR [5] для регистрации формируемых ударом волновых профилей с временным разрешением 1 нс. Плоские ударники из меди или вольфрама номинальной толщиной 1 и 2 мм наклеивались на подложку из полиметилметакрилата толщиной 5 мм, распо-ложенную на торце пустотелого алюминиевого снаряда. Скорость метания варьировалась подбо-ром давления в рабочем газе (воздух или гелий) и составляла в данной экспериментальной серии (340±10) м/с или (590±20) м/с. Эксперименты проведены при комнатной температуре и 605-612 °C. Нагрев осуществлялся с помощью резистивного нагревателя, расположенного вблизи тыльной поверхности образца. Температура контролировалась двумя термопарами хромель-алюмель. В экспериментах регистрировались профили ufs(t) скорости свободной поверхности об-разцов в процессе выхода на нее импульса ударного сжатия. Поскольку во всех экспериментах происходило откольное разрушение стали, в работе проведены металлографические исследования сохраненных образцов на поперечных шлифах с помощью оптического микроскопа Axio Observer Z1M в светлом поле и в контрасте C-DIC после травления в нитале (4%-й раствор HNO3 в спирте). Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены профили скорости свободной поверхности образцов стали 08Х16Н20М2Т, полученные в экспериментах при комнатной и повышенной температурах. Двум скоростям удара соответствуют значения напряжения сжатия за ударной волной 5.9 и 16.3 ГПа. Рис. 1. Результаты измерений профилей скорости свободной поверхности образцов стали 08Х16Н20М2Т номинальной толщиной 4 мм: а - при комнатной температуре и двух ско-ростях удара; б - при температуре вблизи 600 °C. Экспери-менты проведены с двумя разными соотношениями толщин ударника и образца 1/2 и 1/4 На всех профилях фиксируется последовательно выход на поверхность упругого предвестника вол-ны сжатия (первая «ступенька»), пластической ударной волны, следующей за ней области постоян-ства параметров («плато») и затем части волны разрежения. Длительность плато определяется вре-менем реверберации волн в ударнике и соответственно тем больше, чем больше толщина ударника. При одинаковом пройденном расстоянии и одинаковом давлении ударного сжатия запаздывание выхода на поверхность пластической ударной волны относительно фронта упругого предвестника должно быть в разных опытах одинаковым. Однако на представленных волновых профилях этого не наблюдается: интервал времени между фронтами упругой и пластической волн произвольно варьи-руется от опыта к опыту вне зависимости от конечного давления ударного сжатия. На рис. 1, а видно, что не только временной интервал невоспроизводим, но и варьируется ам-плитуда упругого предвестника. Подобный эффект ранее регистрировался в экспериментах со свинцом высокой чистоты [6]. Вероятной причиной непостоянства запаздывания является боль-шой размер зерна, дендритная структура в литом материале и значительная анизотропия упругих свойств в пределах одного зерна. Амплитуда упругого предвестника определяется динамическим пределом упругости материала HEL (Hugoniot Elastic Limit): HEL = 0.5 uHEL 0cl, где uHEL - скачок скорости свободной поверхности в предвестнике. Предел упругости при одномерной деформации связан с пределом текучести в обычном понимании т соотношением: . После отражения импульса сжатия от свободной поверхности внутри образца генерируются растя-гивающие напряжения, в результате чего инициируется его разрушение - откол. Декремент скоро-сти поверхности ufs при ее спаде от максимума до значения перед фронтом откольного импульса пропорционален величине разрушающего напряжения - откольной прочности материала в данных условиях нагружения. В линейном (акустическом) приближении sp = 0.5 0cb( ufs + ), где - по-правка на искажение профиля скорости вследствие различия скоростей фронта откольного им-пульса и скорости пластической части падающей волны разгрузки перед ним [7]. Максимальное давление ударного сжатия в проведенных опытах (16.3 ГПа) превышало давление полиморфного превращения (13 ГПа), имеющего место в железе и многих сталях [8]. Это превращение с умень-шением удельного объема должно вызывать расщепление пластической ударной волны, чего не наблюдается на профиле скорости свободной поверхности стали 08Х16Н20М2Т (рис. 1, а). Сопос-тавляя этот результат с данными проведенных ранее измерений, можно определенно утверждать, что ГПУ-фаза высокого давления не образуется при сжатии аустенитных сталей. На рис. 2 представлены панорамы откольного разрушения стали 08Х16Н20М2Т при различ-ных температурах. Видно, что при комнатной температуре дендритная структура после ударного Рис. 2. Панорама откольного разрушения в стали 08Х16Н20М2Т при температуре: а - 20 °С; б - 605 °С. Нагружение ударником 2 мм (×25) нагружения в основном сохраняется. В отдельных областях откольного разрушения есть области гомогенизации в результате воздействия скорости деформации (динамическая рекристаллизация). После нагружения при повышенной температуре происходит более сильная гомогенизация - областей с дендритной структурой становится меньше (рис. 2, б). На рис. 3 показано, что зарожде-ние разрушения осуществляется на включениях σ-фазы (геометрические включения) независимо от толщины ударника и образца, в том числе давления ударного сжатия. Рис. 3. Зарождение разрушения на включениях σ-фазы и пористость в откольной зоне стали 08Х16Н20М2Т: а - при комнатной температуре (×2500); б - при температуре 605 °С (×1600) в контрасте C-DIC Найденные из обработки профилей скорости свободной поверхности значения динамического предела упругости HEL, предела текучести т и откольной прочности sp представлены в таблице. Видно, что не только динамический предел упругости, но и откольная прочность стали 08Х16Н20М2Т характеризуются большим разбросом значений от опыта к опыту, что, вероятно, также связано с большим размером зерна и дендритной структурой в литом материале даже после его гомогенизации. Измеренные значения откольной прочности оказались ниже при комнатной температуре примерно на 20-25%, а при повышенных температурах примерно на 35-40% полу-ченных ранее [9] данных для нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Постановка и результаты опытов со сталью 08Х16Н20М2Т № п/п Температура, С Материал и толщина ударника Скорость удара, м/с Толщина образца, мм HEL / т, ГПа sp, ГПa 1 20 Cu 0.96 мм 340±10 3.98 0.49 / 0.26 2.04 2 20 Cu 1.985 мм 340±10 3.97 0.56 / 0.29 1.46 3 20 W 1.43 мм 590±15 3.98 0.36 / 0.19 1.83 4 605 Cu 1.96 мм 340±10 3.98 0.39 / 0.19 1.13 5 612 Cu 0.96 мм 340±10 3.99 0.39 / 0.19 1.45 Заключение Проведенные эксперименты позволили определить значения динамического предела текуче-сти и динамической прочности на разрыв стали 08Х16Н20М2Т при давления ударного сжатия 5.9 и 16.3 ГПа. Однако выполненные измерения показали большой разброс данных, полученных на образцах довольно значительной для такого рода измерений толщины. Систематические иссле-дования температурно-скоростных зависимостей сопротивления деформированию и разрушению для этой стали методами физики ударных волн невозможны. Дело в том, что определение скоро-стных зависимостей основывается на измерениях эволюции упругопластических волн, основан-ных в экспериментах с образцами разной толщины, как правило, в диапазоне от 0.05-0.1 до 5-10 мм. Выявленная механическая неоднородность структуры делает бессмысленными экспери-менты с образцами, сравнимыми по толщине с размером зерна, т.е. с образцами толщиной меньше 4 мм. Путем металлографического анализа зоны откола в сохраненных образцах было выявлено, что откольное разрушение зарождается на неметаллических включениях σ-фазы, присутствующих в структуре стали. Эксперименты при ударном сжатии образцов 16.3 ГПа показали, что ГПУ-фаза высокого давления в исследуемой аустенитной стали не образуется.

Скачать электронную версию публикации