Д.т.н., проф. СПб АНТ и ПП, Санкт-Петербург

 

Если спросить любого специалиста по материаловедению о надежности, то он сразу же скажет Вам, что показатели надежности определяются уровнем ударной вязкости сталей. Ударная вязкость закладывается практически во все технические требования к сталям. К сожалению, часто не удается выяснить причины значительного разброса показателей ударной вязкости литых сталей, в связи с чем переходят от литья к деформированным корпусам арматуры. Жертвуют при этом как гидравлической гладкостью проточной части корпуса, так и значительным увеличением сроков изготовления арматуры.

Из причин низких пластических и вязких свойств литья называется литая структура и связанная с ней неравномерность свойств. Однако в работах, проведенных на кафедре технологии металлов СПбАНТ и ПП в лаборатории криогенных сталей, были найдены такие композиции аустенитных хромомарганцевых сталей, где грубая литая структура стала служить даже для повышения свойств, а значения ударной вязкости превысили 140 Дж\см² при -196^оС. Этот эффект был достигнут в области составов хромомарганцевой стали 07Х(8-13)Г(20-28)Л.

Таким образом, литые стали могут быть надежными, а низкие вязкие свойства не определяются только литой структурой. Возникает необходимость в разработке способов оценки надежности литых сталей, позволивших бы гарантировать эксплуатационную надежность их в изделии. В значительно большей степени нужно обращать внимание на особенности разрушения и разрабатывать специализированные способы оценки сопротивления хрупкому разрушению литых аустенитных сталей. Кроме оценки влияния литой дендритной структуры необходимо анализировать и состояние границ зерен, оценивать влияние неметаллических включений и химической неоднородности и для аустенитных сталей – наличия дельта феррита, образующего фасетки скола.

Один из известных путей к этому – анализ изломов с оценкой доли волокна на поверхности разрушения. Методики анализа изломов хорошо разработаны и часто используются для оценки вязкости разрушения аустенитных сталей при низких температурах. Однако, исследователями не раз отмечалось, что стали одного и того же состава при близких показателях волокна в изломе могут иметь сильно различающуюся ударную вязкость. Стали с меньшей долей волокна в изломе могут иметь более высокую ударную вязкость по сравнению со сталями с высокой долей волокна в изломе.

 

Для получения более точного ответа о возможности сопротивления стали разрушению для аустенитных сталей необходимо углубиться в анализ микроструктуры разрушения и оценивать особенности микропластической деформации и разрушения. Сделать это можно при помощи фрактографического анализа, способного дать ответы об особенностях микроразрушения. При этом особенности макро и микростроения изломов литых сталей необходимо рассматривать совместно.

 

ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ

Фрактографические особенности поверхности разрушения с достаточной степенью точности характеризуют вязкое и хрупкое разрушение. Сопоставление вида поверхности излома с механическими свойствами и определение структурной составляющей, ответственной за тот или иной тип разрушения, позволяет оценить характер разрушения и рекомендовать температурный интервал применения литой аустенитной стали.

Наиболее важным с точки зрения надежности работы литых сталей при криогенных температурах является анализ изломов ударных образцов. Макроизломы литых аустенитных сталей при ударном нагружении и комнатной температуре характеризуются в основном высокими показателями утяжки и уширения. При криогенных температурах или сохраняется вязкий излом или проявляется хрупкий излом.

Влияние температуры испытания для вязких изломов выражается в незначительном понижении утяжки и уменьшении шероховатости центральной части излома. При этом можно сказать, что полная работа разрушения образца с учетом постоянства работы зарождения трещины (идущей на пластическую деформацию у надреза, образование боковых скосов и определяемой по неизменности их при снижении температуры) определяется работой развития трещины и зависит от доли волокна в изломе.

Анализ поверхности разрушения при больших увеличениях показывает, что доля волокна в зоне развития трещины, как определяющей надежность стали, может быть различной. При снижении температуры от комнатной до криогенной излом сталей может сохраняться вязким, но может быть вязко-хрупким, смешанным или неопределенным, обычно в зоне долома. Отметим, что у некоторых сталей, например, стали 07Х13Г28Н3Л ударная вязкость вырастала более чем в 6 раз после закалки, тогда как увеличения доли волокна в изломе почти не происходило (менее 15%). Сопоставление ямочного рельефа до и после закалки показало, что рост вязкости обусловлен уменьшением «трещиноватости» ямок, (рис.1а, и рис.1б), повышением их глубины и степени серпентинности рельефа стенок.

 

(а)

(б)

Рис. 1. Характер вязкого излома стали 07Х13Г28Н3Л, увеличение х300

а) - в литом состоянии; б) - после закалки при 1050^оС;

 

Таким образом, повышение ударной вязкости может происходить не только за счет увеличения доли волокна в изломе, но и за счет качественного изменения самих ямок. Просто наличие ямочного рельефа не всегда свидетельствует о высоких вязких свойствах.

Наши исследования фрактограмм множества аустенитных сталей показали, что ямочный рельеф изломов большинства сталей с высокой ударной вязкостью, существенно различается в зависимости от температуры испытания, степени легирования, скорости деформации и др. Могут наблюдаться крупные неглубокие ямки с поверхностью, сглаженной при вытягивании, мелкие ямки с незначительными следами пластического течения на перемычках, или достаточно глубокие ямки со следами серпантинного скольжения по стенкам. В сталях с наиболее высокой низкотемпературной ударной вязкостью обнаруживалось сочетание достаточно глубоких ямок с хорошо выраженными следами серпантинного скольжения, чередование крупных сильно пластически продеформированных ямок с мелкими ямками отрыва, или чередование мелких ямок с областями значительного вытягивания, рис.2.

 

 

Рис. 2. Поверхность разрушения стали 07Х13Г28Н3Л, увеличение х1000

 

Как правило, стали с мелкими ямками показывали более высокую прочность, но меньшую пластичность, а стали с крупными ямками более высокую пластичность. В первом случае материал обладает малым сопротивлением касательным напряжениям, во втором – нормальным.

Можно предположить, что механические свойства при криогенных температурах зависят от среднего диаметра ямки, наблюдаемого по характерной микроплощади центральной части вязкого излома. Мы также проводили такой анализ и сопоставляли механические свойства сталей с размером ямки в изломе. Средний диаметр ямки находили как частное от деления видимой площади излома на число ямок в поле зрения.

Сопоставление прочностных, пластических и вязких свойств при комнатной и криогенных температурах показало, что в наибольшей степени с диаметром ямки в изломе коррелировали пластические и вязкие свойства. При этом рост пластичности и вязкости с увеличением размера ямки наблюдается в основном при комнатной температуре и мало зависит от размера ямки при криогенных. В тоже время у большинства сталей, вязко разрушающихся при низких температурах, размер ямки оставался практически неизменным при всех температурах испытаний.

Сопоставление пластичности и вязкости со средним диаметром ямки при 77К после закалки с различных температур показало следующее: закалка с температуры 1050^оС и 1100^оС приводила к незначительному росту ямок и относительному удлинению, а высокие значения ударной вязкости при всех температурах испытаний наблюдались в области размеров ямок 10-30мкм. Этой же тенденции соответствовали стали с высокой ударной вязкостью при криогенных температурах, например, сталь 07Х8Г28Н3ФЛ. Высокие значения ударной вязкости этой стали (110Дж\см²) при 77 и 20К обнаруживались при среднем диаметре ямки 5-10мкм. Таким образом, несмотря на наличие тенденции к росту пластических и вязких свойств с увеличением диаметра ямки, возможны случаи, когда высокая низкотемпературная вязкость наблюдается и при низких размерах ямки.

Противоречие может быть разрешено при сопоставлении количества видимых в изломе мелких ямок, снижающих вязкость и пластичность с числом крупных ямок, ответственных за повышение пластических свойств. В случае превалирования мелких ямок пластичность должна падать, при большом числе ямок – расти.

Для ряда сталей была проведена оценка распределения ямок одного размера по их количеству и занимаемой площади одного размера при различных температурах испытаний, рис.3.

 

Рис. 3. Гистограммы распределения ямок по количеству (N) и занимаемой площади (S) от диаметра ямки (d).