CC BY
33
УДК 539.3; 669.1.017; 699 - 153.63
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-746-749
СФЕРОИДИЗАЦИЯ ПЕРЛИТА В ПОЛОСАХ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СТАЛЯХ С ПЕРЛИТОФЕРРИТНОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕНИИ
© С.Н. Буравова, Е.В. Петров, А.С. Щукин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Исследована структура области перехода откольной трещины в полосу локализованной деформации в сталях с перлитоферритной структурой после взрывной обработки. Показано, что внутри полосы образуется сильно деформированный бесструктурный материал с большим количеством микропор размером 200-600 мкм. Начальная стадия высокоскоростного растяжения материала характеризуется дроблением компонентов перлита, их перемешиванием, разложением ультратонких фрагментов цементита и его последующего растворения в феррите. Обнаружен эффект миграции углерода из матричного материала к зоне откольной повреждаемости. Вторая стадия механохимической реакции сфероидизации перлита обеспечивается дополнительным притоком углерода в зону растяжения. Увеличение ударной нагрузки способствует росту количества сфероидального цементита в полосах локализованной пластической деформации.
Ключевые слова: ударная волна; откол; волны разгрузки; интерференция волн; локализация; адиабатические полосы сдвига; перлит; сфероидизация.
Традиционно считается, что полосы адиабатического сдвига возникают в результате термопластического разупрочнения, когда работа деформации переходит в тепло. Однако известно [1], что во взрывных экспериментах полосы адиабатического сдвига локализуются в относительно недеформированном материале, что подвергает сомнению термопластическую модель локализации деформации. Несмотря на многочисленные структурные исследования полос локализованной деформации, термопластическая модель не способна установить физические законы, управляющие зарождением и развитием локализации, прогнозировать место образования полос. Обращаем внимание, что эволюция микроструктуры конструируется из анализа постдеформированных образцов без учета самого процесса деформирования. По мнению [2], вопрос о взаимосвязи между структурами, развивающимися в процессе деформирования и после окончания деформации, сохранится до тех пор, пока не будет разработана диагностика реального времени, характеризующая процесс формирования микроструктуры в полосах сдвига во времени их развития. Однако при динамических нагрузках можно избежать неадекватной трактовки экспериментальных данных, учитывая волновой характер процесса деформирования. Многочисленными взрывными экспериментами доказана откольная природа локализации деформации [3-4]. Откол - форма наиболее быстрого динамического разрушения материала. Локализация деформации при импульсном нагружении является результатом высокоскоростного растяжения материала в зонах интерференции волн разгрузки, а не теплового разупрочнения. Полоса локализованной деформации возникает как продолжение откольной трещины при разгрузке сжатого материала, при этом отрицательное давление в зоне интерференции волн раз-
грузки ниже динамической прочности материала, и нарушения сплошности в полосах не происходит. С позиций откольной модели локализации деформации термины «полоса локализованной деформации» и «полоса адиабатического сдвига» являются синонимами. Полоса адиабатического сдвига - предвестник разрушения и, по существу, является незавершенной от-кольной трещиной. При импульсных нагрузках процесс локализации деформации управляется при помощи формы образца и расположения его свободных граней.
В работе исследована микроструктура образца из малоуглеродистой стали с перлитоферритной структурой в форме толстостенного трубчатого цилиндра с внутренней полостью. Взрывное нагружение осуществлялось скользящей детонацией аммонита 6ЖВ. Рис. 1 демонстрирует общий вид структуры полосы локализованной деформации после взрывного нагружения образца давлением порядка 7 ГПа. Образование от-кольной полосы повреждаемости сопровождается дроблением материала, возникновением очагов разрушения, в зоне высокоскоростного растяжения обнаруживаются участки с характерной структурой - здесь материал настолько сильно деформирован, что границы зерен обнаружить не удается.
Рис. 2 детализирует основные структурные элементы. В полосе адиабатического сдвига обнаруживаются очаги разрушения двух типов: крупные (с размером порядка 20 мкм), вероятно, возникающие на примесях, врожденных дефектах, изначально существующих в материале, и мелкие (с размером порядка 1-3 мкм), образующиеся на «приобретенных» микронесплошно-стях, которые формируются в процессе деформации.
В области крупных очагов разрушения удается обнаружить ультратонкие частицы, по-видимому феррит,
Рис. 1. Общий вид микроструктуры участка откольной полосы локализованной деформации
Рис. 2. Основные элементы структуры в зоне интерференции волн разгрузки: 1 - раздробленные пластинки цементита; 2 - область феррита; 3 - развитые очаги разрушения чашечного типа; 4 - сильно деформированный практически бесструктурный материал
округлой формы с размером 200 нм и меньше, напоминающие распускающийся цветок. Оба типа очагов представляют собой вскрытые микропустоты классического ямочного типа. На рис. 3 представлена микроструктура сильно деформированного материала, характерной чертой которого является наличие микропор. Такая структура материала возникает в зоне интерференции волн разгрузки, интенсивность растяжения в которой близка, но не превосходит откольную прочность материала, при этом температура в полосе сдвига остается невысокой, близкой к комнатной [3].
Размер зародышевых микротрещин и микропор в полосах локализации меняется от 200 до 600 нм. Такая микроструктура с наличием микропор характерна и для других изученных материалов - медь, алюминиевый сплав, титан. Аналогичные микронесплошности регулярно наблюдаются при квазистатическом растяжении в нагруженных твердых телах [8].
На рис. 4 представлена фотография участка полосы локализованной деформации с раздробленными пластинами цементита, причем ориентация осколков хаотичная, и размер их не превышает 0,2-0,5 мкм. Часть осколков цементита имеет размытые очертания, что
свидетельствует о его разложении (растворении). Как правило, в области перехода откольной трещины в полосу локализованной деформации, где напряжения растяжения близки к максимальным перед разрушением, весь цементит находится в растворенном состоянии. На рис. 4 видно, что на границе раздела феррита с цементитом зарождается сферическая яркая частица, в литературе ее часто называют солнечной, или сияющей. Обращает внимание повышенная концентрация углерода в полосах адиабатического сдвига, где обнаружен карбид xFe3C2 [5]. Известно [6], что цементит при холодной пластической деформации обогащается углеродом. Было показано [6], что наблюдаемая мета-стабильная фаза х FeхC (Ге3С ^ х FeхC, где х < 3) сохраняет кристаллическую решетку цементита, а большое количество углерода, которое может достигать ~30 атм. %, свидетельствует о возможном присутствии свободного углерода.
Изучение внешнего поверхностного слоя рядом с откольной трещиной в лучах отраженных электронов (метод энерго-дисперсионного анализа) позволило обнаружить обедненный углеродом слой, толщиной 20-
Рис. 3. Микроструктура деформированного материала при давлении растяжения, близком по величине к откольной прочности материала. Это наибольшая степень растяжения, когда сохраняется сплошность материала
1 рт
л »
Рис. 4. Микроструктура в полосе адиабатического сдвига с пластинами цементита
20 цт
<>V-ilJI«'> I I
Рис. 5. Образование сфероидального цементита в полосах в 11,8 ГПа
40 мкм, а слой, непосредственно прилегающий к от-кольной трещине, содержал повышенное содержание углерода. Металлографические исследования этих же образцов показали утончение перлитовых областей или их полное исчезновение в областях пересечения полосы с зоной перлита.
Наличие обедненного слоя свидетельствует о мас-сопереносе углерода из прилегающей зоны к области разрушения. Именно соседний матричный материал является дополнительным источником углерода, поступающего в зону откольной повреждаемости. Изменение структуры материала рядом с полосой адиабатического сдвига в слое протяженностью около 50 мкм (с каждой стороны полосы) обнаружено в [7]. Микротвердость в соседней матрице оказалась существенно ниже, чем внутри полосы. Авторы объясняют этот эффект проявлением разупрочнения, что, по их мнению, эффективно указывает зону теплового воздействия. С таким объяснением трудно согласиться, т. к. снижение микротвердости может быть результатом частичной потери углерода в стальном материале.
Микроструктура в полосах локализованной деформации претерпевает изменение с ростом амплитуды импульсной нагрузки. В полосе обнаруживается большое количество сфероидального цементита.
На рис. 5 представлены фотографии полос локализованной деформации после воздействия ударной волны с давлением 11,8 ГПа. Обращает внимание, что в статических условиях сфероидализация перлита требует проведения длительного отжига при высокой температуре, в то время как в условиях импульсного нагру-жения процесс сфероидализации идет на 5-7 порядков быстрее.
На основе проведенных экспериментов, анализа волновых процессов при локализации деформации и литературных данных представляется следующая картина образования сфероидального цементита. Начальная стадия высокоскоростного растяжения (в зоне интерференции волн разгрузки) сопровождается фрагментацией компонентов перлита (цементита и феррита) до ультратонких размеров. Цементит, как неустойчи-
I —j
локализованной деформации при амплитуде ударной нагрузки
вый материал, начинает распадаться с образованием углерода, который взаимодействует с ферритом, и на границе раздела феррит-цементит в отдельных местах зарождаются новые глобулы цементита. Вторая стадия механохимического процесса сфероидизации перлита обязана дополнительной поставке атомов углерода из матрицы в зону откольной повреждаемости. Ультратонкий размер частиц, растворение компонентов перлита и их обогащение углеродом в повторной химической реакции может приводить к увеличению количества цементита за счет химической реакции взаимодействия дополнительного углерода с железом. Рост амплитуды ударной нагрузки, видимо, способствует увеличению поступающего в зону полосы адиабатического сдвига количества углерода, что увеличивает образование и рост глобул цементита, и, в конечном итоге, к образованию более устойчивой сферической формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Timothy S.P., Hutchings I.M. The structure of adiabatic shear bands in a titanium alloy // Acta Metallurgica. 1985. V. 33. P. 667-676.
2. Meyers M.A., Xu Yb., QXue, Perez-Prado M.T., McNelley T.R. Microstructural evolution in adiabatic shear localization in stainless steel // Acta Materialia. 2003. V. 51. P. 1207-1325.
3. Беликова А.Ф., Буравова С.Н., Петров Е.В. Локализация деформации при динамических нагрузках // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 8. С. 6875.
4. Буравова С.Н. Этюды на тему локализации динамического давления. Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2014. 138 S.
5. Wittman C.L., Meyers M.A., Pak H.R. Observation of an adiabatic shear band in AlSi 4340 steel by high-voltage transmission electron microscopy // Metallurgical Transaction A. 1990. V. 21. Issue 2. P. 707-716.
6. БелоусМ.В., Черепин В.Т. Изменения в карбидной фазе стали под влиянием холодной пластической деформации // ФММ. 1962. Т. 14. № 1. С. 48-54.
7. Hwang B., Lee S., Kim Y.C., Kim N.J., Shin D.H. Microstructural development of adiabatic shear bands in ultra-fine-grained low-carbon steels fabricated by equal channel angular pressing // Materials science and engineering A. 2006. V. 441. P. 308-320.
8. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 801-807.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539; 669.1.017; 699. 153.63
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-746-749
SPHEROIDIZATION OF PEARLITE IN LOCALIZED DEFORMATION BANDS WITH PERLITE FERRITE STRUCTURE UNDER IMPACT LOADING
© S.N. Buravova, E.V. Petrov, A.S. Shchukin
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The structure of the transition region of the spall crack in a localized strain band in steel with perlitic structure after explosive treatment is studied. It is shown that strongly deformed structureless material with a large number of micropores size of 200-600 ^m is formed within the band. The initial high-rate material stretching step is characterized by crushing components perlite, mixing them, decomposition of ultra thin pieces of ce-mentite, and its subsequent dissolution in ferrite. The effect of carbon migration from the matrix material to the area of spall damage is detected. The second stage mechano-chemical reaction of pearlite spheroidization is provided by additional inflow of carbon in the tension zone. Increased shock load increases spheroidal ce-mentite amount in the bands of localized plastic deformation.
Key words: shock wave; spall; unloading waves; interference of waves; localization; adiabatic shear band; pearlite; spheroidization.
REFERENCES
1. Timothy S.P., Hutchings I.M. The structure of adiabatic shear bands in a titanium alloy. Acta Metallurgica, 1985, vol. 33, pp. 667-676.
2. Meyers M.A., Xu Yb., QXue, Perez-Prado M.T., McNelley T.R. Microstructural evolution in adiabatic shear localization in stainless steel. ActaMaterialia, 2003, vol. 51, pp. 1207-1325.
3. Belikova A.F., Buravova S.N., Petrov E.V. Lokalizatsiya deformatsii pri dinamicheskikh nagruzkakh. Zhurnal tehnicheskoj fiziki — Technical Physics, 2013, vol. 83, no. 8, pp. 68-75.
4. Buravova S.N. Etyudy na temu lokalizatsii dinamicheskogo davleniya. Saarbrücken, Palmarium Academic Publ., 2014. 138 p.
5. Witlman C.L., Meyers M.A., Pak H.R. Observation of an adiabatic shear band in AlSi 4340 steel by high-voltage transmission electron microscopy. Metallurgical Transaction A, 1990, vol. 21, no. 2, pp. 707-716.
6. Belous M.V., Cherepin V.T. Izmeneniya v karbidnoy faze stali pod vliyaniem kholodnoy plasticheskoy deformatsii. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1962, vol. 14, no. 1, pp. 48-54.
7. Hwang B., Lee S., Kim Y.C., Kim N.J., Shin D.H. Microstructural development of adiabatic shear bands in ultra-fine-grained low-carbon steels fabricated by equal channel angular pressing. Materials science and engineering A, 2006, vol. 441, pp. 308-320.
8. Betekhtin V.I., Kadomtsev A.G. Evolyutsiya mikroskopicheskikh treshchin i por v nagruzhennykh tverdykh telakh. Fizika tverdogo tela — Physics of the Solid State, 2005, vol. 47, no. 5, pp. 801-807.
Received 10 April 2016
Буравова Светлана Николаевна, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Buravova Svetlana Nikolaevna, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Петров Евгений Владимирович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Petrov Evgeniy Vladimirovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Щукин Александр Сергеевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Shchukin Aleksander Sergeevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
