Развитие деградации и начальные стадии разрушения малоуглеродистой стали Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 539.3

РАЗВИТИЕ ДЕГРАДАЦИИ И НАЧАЛЬНЫЕ СТАДИИ РАЗРУШЕНИЯ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

© А.Н. Чуканов, А.А. Яковенко

Тульский государственный университет, г. Тула, Россия e-mail: [email protected], [email protected]

Ключевые слова: малоуглеродистые стали; деградация; пластическая деформация; наводороживание; внутреннее трение; неупругие эффекты.

На основе комплексного анализа неупругих эффектов внутреннего трения (Снука, Снука-Кестера, деструкционно-го эффекта) оценивали развитие деградации и накопление поврежденности в деформируемой малоуглеродистой стали. Аналогичная стадийность процесса выявлена в ходе коррозионного воздействия.

Традиционным методом фиксации дислокационной динамики как во всем объеме, так и в локальных зонах концентрации напряжений является метод внутреннего трения (ВТ) [1]. Температурный спектр ВТ представляет собой комплекс неупругих эффектов (НЭ), отражающих изменение диффузионных и динамических характеристик дефектов, фазового состава, морфологии фаз, перераспределение растворенных и собственных атомов, формирование суб- и микронесплошно-стей. Принципиальное преимущество ВТ - в фиксации перечисленных процессов на самых ранних этапах деградации [2].

Цель исследования: изучение развития деградации и стадийности накопления поврежденности при различных внешних воздействиях.

Объекты исследования: образцы углеродистой стали марки Ст 3 (I = 200 мм, С = 8 мм,) и сплава Ее+0,09%С (I = 70 мм, С = 0,8 мм).

Методика. Образцы стали марки Ст 3 деформировали при комнатной температуре статическим одноосным растяжением, образцы сплава Ее+0,09%С - обжатием при протяжке через фильеры (е = 0...20%). Строили условные диаграммы деформации (ГОСТ 1497-84). Фиксировали изменение плотности (р) и параметры тонкой структуры: плотность дислокаций, величину микроискажений. Коррозионное воздействие стали Ст 3 имитировали электролитическим насыщением водорода (катодная поляризация в растворе Н2БО4 [3]). Интенсивность воздействия варьировали длительностью насыщения (1.30 часов) при плотности тока ] = 150 А/м2. Стимулятор - тиомочевина.

Анализировали комплекс параметров неупругих эффектов ВТ, полученных в диапазоне от -100 до 500 °С при низко- (обратный крутильный маятник, /~1 с-1) и среднечастотных (резонансные изгибные колебания / ~ 1-10-3 с-1) измерениях амплитудных и температурных зависимостей ВТ (АЗВТ и ТЗВТ) (ГОСТ 25156-82). Скорость нагрева 2 град./мин. Параллельно измеряли модуль нормальной упругости (Е).

Результаты. На ТЗВТ идентифицировали НЭ: во-

дородную релаксацию Снука-Кестера; релаксацию Снука (С и М); релаксацию Снука-Кестера; а также деструкционный эффект, отражающий дислокационную динамику у дефектов поврежденности (микротрещин) [4]. Оценивали термоактивационные параметры НЭ (фон, высоту, температурное положение, энергию активации: 2'^, 2-1т, Тт, ДН) в зависимости от предварительной деформации и длительности насыщения.

Стадийность повреждаемости определяли на основе модели Л.Р. Ботвиной [5], описывающей разрушение при одноосном растяжении. Критерием границ отдельных стадии служило отношение текущего напряжения к максимальному а/ашах. Комплексный анализ НЭ ВТ позволил выявить некоторые стадии повреждаемости [5] и развития деградации [2], а также значительно детализировал механизмы процессов, реализующихся на этих стадиях (рис. 1).

I. Стадия микротекучести ((0,35-0,7) ашах. (до 3 %). Процесс деформации практически полностью пластический, начинают формироваться полосы Чернова-Людерса. Наблюдается резкий прирост плотности подвижных дислокаций [5]. В твердом растворе уменьшается концентрация атомов внедрения Си N в 3 раза. Они начинают закреплять подвижные дислокации. Растет энергия связи дислокаций с примесными атомами (ДЕсв ~ 4-10-19 Дж). Величина номинальных (фон ВТ) и локализованных (высота деструкционного максимума) микронапряжений растёт (рис. 2). Растет количество субмикронесплошностей.

II. Стадия накопления дефектов ((0,7-0,85) атса. (е = 3...6^8%). Рост количества подвижных дислокаций превалирует над процессом их блокировки примесными атомами. В конце стадии наблюдали слабое снижение плотности образца - начало его микроразрыхления. Характер деформации - пластико-дестру-кционный.

III. Стадия слияния дефектов ((0,85-0,97)ашах. (е = 8.13%). Достигается баланс между увеличением плотности подвижных дислокаций и количеством атомов внедрения. В вершинах микротрещин происходит

сти микротрещин n на стадиях: микротекучести (М), накопления (I), слияния (II) микротрещин и развития макротрещины

(Ш) [5]

О 3,3 13 17 20

£, %

Рис. 2. Влияние предварительной деформации на фон ВТ (1) и высоту деструкционного максимума (2) сплава Бе + 0,09 % С

формирование заблокированных дислокационных групп, которые в дальнейшем становятся локализованными зонами концентрации внутренних напряжений (Д2тЛ = 34,310-4). В этих зонах возникают субмикротрещины. К концу II стадии Е падает на 40 %.

IV. Стадия локализованного разрушения ((0,97-1) ашах. (е = 13. 17^20 %). Величина локальных микроискажений падает (рис. 2). Это связано с рассеянием энергии при образовании дополнительных поверхностей - макротрещин. Деформация в подавляющей части деструкционная. Она локализуется в узкой области концентраций напряжений продвижения магистральной трещины, что приводит к окончательному разрушению [6]. Полученные результаты хорошо согласуются с данными других исследователей [3-6].

Аналогичную стадийность изменения параметров максимумов ВТ фиксировали при измерениях ТЗВТ образцов, подвергнутых коррозионному воздействию в ходе наводороживания [3]. Это позволяет говорить о схожих механизмах накопления поврежденности и позволяет использовать параметры деструкционного НЭ для прогнозирования поврежденности в малоуглеродистой стали вне зависимости от физической природы формирующих её процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чуканов А.Н. Физико-механические закономерности формирования предельного состояния и развития локального разрушения в металлических материалах: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 2001. 39 с.

2. Чуканов А.Н., Яковенко АА. Развитие деградации и начальные стадии повреждаемости малоуглеродистой стали при деформировании // Изв. ТулГУ. Сер. Естеств. науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. № 1. С. 13-20.

3. Сергеев Н.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: дис. ... д-ра техн. наук. Самара, 1996. 463 с.

4. Левин ДМ., Чуканов А.Н., Муравлева Л.В. Исследование повреждаемости трубных сталей по эффектам неупругой релаксации // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 1998. Т. 3. Вып. 3. С. 315-318.

5. Жаркова Н.А., БотвинаЛ.Р., Тютин М.Р. Стадийность накопления повреждений в низкоуглеродистой стали в условиях одноосного растяжения // Металлы. 2007. № 3. С. 64-71.

6. Рыбакова Л.М. Механические свойства и деструкция пластически деформированного материала // Вестн. машиностроения. 1993. № 3. С. 32-37.

БЛАГОДАРНОСТИ: При поддержке гранта ректора Тульского государственного университета № Грр-03.2010 г.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Chukanov A.N., Yakovenko A.A. Evolution of degradation and the earlier stages of damage in low-carbon steel.

On the basis of the integrated analysis of anelastic effects of internal friction (Snoek, Snoek-Kester, decrtuction effect) of evolution of degradation and damage in low-carbon steels was estimated. The mechanisms of evolution of degradation and the earlier stages of damage were revealed.

Key words: low-carbon steels; deformation; degradation; damage; internal friction; anelastic effects.