CC BY
105
УДК 670.191.33
Влияние температуры на характер ударного разрушения феррито-перлитной стали 25Х1М1Ф
П.В. Ясний, П.О. Марущак, С.В. Панин1,3, Р.Т. Бищак, Т. Вухерер2,
Б.Б. Овечкин3, В.Е. Панин1
Тернопольский национальный технический университет им. Ивана Пулюя, Тернополь, 46001, Украина 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Мариборский университет, Марибор, SI-2000, Словения 3 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Проведен анализ диаграмм динамического деформирования, картин деформационного рельефа и поверхностей разрушения образцов стали 25Х1М1Ф при испытании ударным нагружением при температурах 293, 648, 873 K. Показано, что меньшая релаксационная способность стали 25Х1М1Ф при комнатной температуре (T = 293 K) приводит при ударе к изгибу образца и возникновению зоны сжимающих напряжений, что в условиях хрупкого разрушения сопровождается возникновением локального продольного расслоения материала перед вершиной распространяющейся трещины. Для повышенных температур (T = 648 K) характерна максимальная пластичность образцов, что сопровождается увеличением энергоемкости разрушения при зарождении и распространении трещины. При испытании при T = 873 K максимальное разупрочнение материала приводит к усложнению механизмов разрушения, а также развитию микротрещин расслоения в образце в процессе роста трещины, что снижает энергию ее зарождения при высокой температуре испытаний. На основании полученных результатов предлагается выявленные различия интерпретировать с позиции выделения ведущего масштабного уровня деформации и разрушения, а также стадийности развивающихся процессов. Полученные результаты о влиянии температуры на характер разрушения обсуждаются в рамках концепции жесткости напряженного состояния, а также масштабных уровней действия поворотных мод деформации.
Ключевые слова: энергия разрушения, ударные испытания, масштабные уровни, стадийность, жесткость напряженного состояния, поворотные моды деформации
Temperature effect on shock fracture of 25Cr1Mo1V ferrite-pearlite steel
P.V. Yasniy, P.O. Maruschak, S.V Panin1,3, R.T. Bischak, T. Vuherer2, B.B. Ovechkin3 and V.E. Panin1
Ternopil Ivan Pul’uj National Technical University, Ternopil, 46001, Ukraine 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 2 University of Maribor, Maribor, SI-2000, Slovenia 3 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
The paper reports on analysis of diagrams of dynamic deformation and metallographic patterns of deformation reliefs and fracture surfaces of 25Cr1Mo1V steel specimens under shock loading at 293, 648, 873 K. It is shown that under impact loading the lower relaxation capacity of the 25Cr1Mo1V steel at room temperature (T = 293 K) results in bending of the specimen and in formation of a compressive stress zone, and in brittle fracture the process involves local longitudinal delamination of the material ahead of the crack tip.
At elevated temperatures (648 K), the specimens feature maximum plasticity and increasing energy capacity of fracture during the nucle-ation and propagation of a crack. At T = 873 K, the maximum softening of the material leads to more intricate fracture mechanisms and to microcracking and delamination of the specimen during the crack growth, and this decreases the energy of crack nucleation at high test temperatures. The obtained results give grounds to interpret the revealed differences in the context of a leading scale of deformation and fracture and stage character of the developing processes. The data about the temperature effect on the character of fracture are discussed in the framework of the concept of stress stiffness and scale levels of rotational deformation modes.
Keywords: fracture energy, shock tests, scale levels, stage character, stress stiffness, rotational deformation modes
1. Введение мов пластической деформации и разрушения, а их смена
Динамическое разрушение теплостойких сталей ха- обусловливает переход от одной стадии динамического
рактеризуется значительным разнообразием механиз- разрушения к последующей [1, 2]. Установление законо-
© Ясний П.В., Марущак П.О., Панин С.В., Бищак Р.Т., Вухерер Т., ОвечкинБ.Б., Панин В.Е., 2010
мерностей динамического разрушения материала при эксплуатационных температурах позволяет управлять этими процессами, предотвращать быстропротекающее разрушение конструкций, более обоснованно подходить к проблеме прогнозирования их долговечности как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации в условиях высоких температур. Кроме того, динамические испытания несут важную информацию о трещи-ностойкости материала и широко используются как экспресс-метод оценки статической вязкости разрушения [1].
На сегодняшний день в рамках физической мезоме-зомеханики известно крайне мало экспериментальных работ по ударному нагружению. Согласно методологии мезомеханики неоднородность и высокая скорость приложения нагрузки обусловливают вовлечение механизмов деформации и разрушения мезо- и макроуровней с самого начала нагружения, а также крайне быстрое протекание деформационных процессов во времени. Использование стадийного подхода для анализа этих процессов является не только актуальным, но и необходимым для корректного описания взаимодействия и взаимовлияния процессов деформирования и разрушения на характерных масштабах их развития.
Целью данной работы является исследование влияния температуры (Т = 293, 648 и 873 К) на механизмы и закономерности ударного разрушения стали 25X1М1Ф, традиционно используемой для изготовления роликов машин непрерывного литья заготовок, а также выявление характерных стадий процессов деформации и разрушения на различных масштабных уровнях.
2. Материал и методика исследований
Образцы стали 25Х1М1Ф имели типичную ферритоперлитную структуру [1], которая содержит ферритные и перлитные зерна размером 20-30 и 30-40 мкм соответственно. Проведенные ранее электронно-микроскопические исследования показали, что в зернах феррита образцов в исходном состоянии содержится незначительное количество стохастически распределенных дислокаций. В теле ферритных зерен и на их границах расположены карбидные частицы округлой и эллипсоидной формы с характерным размером 0.02-1.6 мкм [1].
Сопротивление материала зарождению и распространению трещины анализировали по диаграммам ударного нагружения. Диаграммы ударного нагружения в координатах «нагрузка - время» имеют форму характерную для упругопластического деформирования и разрушения (рис. 1, а).
Ударную вязкость определяли на образцах Шарпи размерами 10x10x55 мм с V-образным надрезом глубиной 2 мм и радиусом закругления в вершине 0.25±0.025 мм. Испытания проводили на копре RKP-300 AMSLER с максимальной энергией удара 300 Дж и регистрацией диаграммы нагружения в координатах «нагрузка - время» и «нагрузка - изгиб образца» [1]. Схему вырезки образцов Шарпи выбирали из условий моделирования распространения эксплуатационной трещины в ролике машины непрерывного литья заготовок. В процессе работы ролика усталостные трещины зарождаются на его поверхности и развиваются в радиальном направлении. По этой причине при изготов-
t, 10“3 с
Рис. 1. Зависимость нагрузки (а) и энергии (б) зарождения трещины от времени нагружения при различных температурах испытаний образцов стали 25Х1М1Ф: Т = 293 (1), 648 (2), 873 К (3) и схематическое представление стадийности процессов динамического деформирования и разрушения (в)
лении образцов их вырезали параллельно продольной оси ролика.
Ударную вязкость определяли по формуле
к^ = а)р , (1)
где А — значение работы разрушения образца; Р — площадь поперечного сечения образца в месте надреза.
Использование программы регистрации данных при ударных испытаниях 'VUШ-CHARPY позволило определить составляющие энергии разрушения. Общую работу ударного разрушения материала А рассматривали как совокупность работ зарождения А3 и распространения трещины Ар [1]:
А = А3 + Ар. (2)
Закономерности деформирования и разрушения материала ролика исследовали на растровом электронном микроскопе РЭМ-106И.
3. Макроскопические закономерности динамического разрушения
3.1. Диаграммы ударного нагружения
При температуре Т = 293 К образцы стали 25Х1М1Ф разрушаются квазихрупко, что следует из наличия на диаграмме скачкообразного падения нагрузки в момент старта трещины (рис. 1, а, кривая 1, стрелка 2273). Кроме того, при Т = 293 К на диаграмме Р— обнаружено наличие «зуба текучести», соответствующего формированию скола вблизи надреза (стрелка 1273). Далее на диаграмме наблюдается срыв нагрузки (локальный ниспадающий участок), соответствующий высокоскоростному подрастанию трещины. Очевидно, что механизмы деформации микроуровня не обеспечивают эффективной релаксации напряжений в вершине трещины, поэтому процесс развивается быстро и завершается формированием трещины. Для кривой 1 заметна крупно выраженная низкочастотная (НЧ) модуляция нагрузки («зубчатость»), которая имеет место как до «срыва нагрузки», так и после нее (рис. 1). Характерная амплитуда низкочастотных модуляций при этом может быть оценена как АРНЧ273 = 1.5-2 кН. Для повышенных и высоких температур «зубчатость» имеет место примерно до этого же момента времени, после чего на диаграммах практически не проявляется. Поскольку время старта трещины при всех температурах испытаний примерно одинаковое, такая «зубчатость» может соответствовать именно крайне неоднородной деформации в процессе старта трещины. В процессе дальнейшего ударного нагружения при комнатной температуре указанная низкочастотная модуляция наблюдается практически до полного разрушения образца и должна быть связана именно с хрупким характером распространения трещины. При повышенных и высоких температурах деформация и разрушение имеют более вязкий характер, поэтому низкочастотная модуляция после старта трещины для них менее выражена.
При Т = 648 К (рис. 1, а, кривая 2) наблюдалась максимальная пластичность образцов, что сопровождалось увеличением энергоемкости разрушения при зарождении и распространении трещины. Причем для данной температуры на диаграмме наблюдаются стадии увеличения интенсивности деформационных процессов при Р = 10 и 3 кН (отмечено стрелками 1648 и 2648).
При температуре испытаний Т = 873 К диаграмма нагружения (рис. 1, кривая 3) по форме подобна предыдущей, однако она расположена значительно ниже, что отражает снижение энергоемкости разрушения материала (рис. 1, б). Таким образом, в случае высоких температур резко возрастает вязкость разрушения, что обеспечивает эффективную релаксацию деформирующих напряжений. Показанный характер деформационного поведения материала при повышенных и высоких температурах свидетельствует об активации релаксационных процессов (связанных, прежде всего, с развитием локализованной пластической деформации), характерных для таких условий испытаний.
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 1, б, показывает, что, по сравнению с испытаниями при комнатной температуре, при Т = 648 К энергия зарождения трещины А3 возрастает в 1.6 раза, что связано с увеличением вязкости разрушения материала и, соответственно, с большими энергетическими затратами на разрушение. В то же время при 873 К энергия зарождения трещины снижается в 1.2 раза, по сравнению с результатами испытаний при 293 К. Снижение энергии зарождения трещины при высокой температуре испытаний обусловлено высокотемпературным разупрочнением материала, усложнением механизмов разрушения, развитием трещин расслоения и множественного разрушения материала образца в процессе ударного нагружения [1]. Кроме того, термическая активация релаксационных процессов обеспечивает возможность более интенсивного пластического деформирования по сравнению с испытаниями при комнатной и повышенных температурах. Она также обеспечивает более высокую несущую способность материала после 1.8 мс нагружения (рис. 1, б, стрелка 1873), поскольку после резкого падения нагрузки (рис. 1, а) диаграммы для повышенных и высоких температур расположены выше, чем при 293 К. Усредненные по пяти образцам данные о влиянии температуры на энергоемкость зарождения и распространения трещины при ударном разрушении приведены в табл. 1.
Таким образом, динамическое деформирование и разрушение образца Шарпи имеет ярко выраженный стадийный характер (рис. 1, в). На диаграмме «нагрузка - время» можно выделить ряд участков: старт трещины С, рост трещины Р, долом образца Д, отрыв материала О. При этом каждой зоне соответствует определенный механизм деформирования и разрушения (рис. 2).
Таблица 1
Энергоемкость и ударная вязкость стали 25Х1М1Ф
Температура испытаний Т, K A, Дж Ар, Дж А, Дж KCV, МДж/м2
293 33.55 65.75 99.3 1.24
648 54.65 124.6 180.0 2.33
873 39.95 71.35 111.3 1.39
3.2. Фрактография разрушения образцов. Макроуровень
На изломах всех исследованных образцов (рис. 2) наблюдаются четко выраженные зоны разрушения. Характер их развития существенно зависит от температуры испытаний.
При Т = 293 К вблизи надреза видна зона старта трещины 1С, для которой характерно наличие расслоений и сколов материала, ориентированных перпендикулярно направлению развития трещины (рис. 2, а, см. также ниже рис. 4, а, отмечено цифрой 1). Зона роста трещины 2Р имеет более светлый оттенок (чем исходный материал), характерный для квазискола [3]. Зона долома 3Д сформирована по механизму вязкого отрыва
материала. Это хорошо видно на боковых гранях образца: распространение трещины сопровождается развитием следов интенсивной пластической деформации и формированием грубой складчатой структуры образца в зоне разрушения (рис. 2, г).
При Т = 648 К визуально поверхность образца характеризуется синеватым оттенком вследствие воздействия повышенных температур. Зона старта трещины (рис. 2, б, зона 1 С) уменьшается по ширине и характеризуется наличием развитого деформационного рельефа. При этом если граница между зоной старта трещины 1С и ее распространения (зона 2Р) четко выражена, то граница последней с зоной долома 3Д имеет волнообразный профиль (рис. 2, б). На боковых гранях образца наблюдаются следы развитой пластической деформации (рис. 2, д, зона 2Р). Долом материала в зоне 3Д и последующий отрыв (в зоне 40) произошел под углом примерно 30° к направлению фронта распространения трещины. Формоизменение образца в виде боковых утяжек характеризуется «поворотом» последних относительно направления приложения ударной нагрузки (рис. 2, д, зона 2Р), что также подтверждает тот факт, что вязкому разрушению образца предшествовала интенсивная пластическая деформация.
Рис. 2. Макроструктура изломов (а, 6, в) и вид боковой поверхности (г, д, е) образцов Шарпи, испытанных при Т = 293 (а, г), 648 (6, д) и 873 К
(в,е)
При Т = 873 К воздействие высокой температуры приводит к формированию на поверхности образца окалины. Зона роста трещины 2Р по форме подобна таковой для Т = 648 К, хотя заметно шире и сформирована по механизму «сдвиг + отрыв». Об этом свидетельствует развитость рельефа поверхности разрушения (рис. 2, в). Граница между зонами 2Р и 3Д в данном образце выражена слабо. Тем не менее, размер зоны 3Д здесь заметно меньше, чем при 648 К, что связано со значительным утонением (вытяжкой) образца вследствие более вязкого разрушения при высоких температурах. Анализ поверхности боковой грани (рис. 2, е) также показывает, что распространение трещины сопровождалось интенсивной пластической деформацией. Отрыв материала при росте трещины произошел под углом 36° к направлению фронта трещины. Боковые утяжки более развиты, чем при испытании образца при 648 К (рис. 2, е).
Влияние температуры значительно проявляется и в зоне приложения динамической нагрузки на образце Шарпи. На рис. 2, д (Т = 648 К) видно, что в месте приложения нагрузки образец пластически деформирован (заметно искривление следов шлифовки), а на рис. 2, е (Т = 873 К) такого изгиба не видно. Кроме того, при Т = 873 К в остаточном сечении (область долома) видно, что образец заметно изменил форму (рис. 2, в). Таким образом, согласно данным фрактографических исследований, деформирование образца сопровождалось формированием шейки с одновременным вязкохрупким ростом трещины. В результате взаимовлияния этих процессов в средней части формируется область наложения существенной утяжки и долома.
Наконец, необходимо отметить, что деформирование при Т = 648 К происходит более однородно и не сопровождается формированием дополнительных дефектов и трещин. При Т = 873 К увеличиваются вязкость материала и степень локализации деформации, что обусловливает как большую неоднородность поверхности разрушения, так и появление участков с вязкохрупким характером разрушения.
3.3. Исследование модуляций на диаграмме ударного нагружения
В условиях динамического деформирования модуляции нагрузки отражают локальные пластические деформации и разрушения, а также существенное изменение энергоемкости этих процессов при различных температурах. По своему масштабу указанные низкочастотные модуляции относятся к мезоуровню, поскольку они в явном виде отражаются на диаграмме нагружения. Увеличение амплитуды модуляций нагрузки должно отражать увеличение структурно-масштабного уровня, вовлеченного в релаксационный процесс деформирования и разрушения.
Типичные временные профили фрагментов диаграммы динамического деформирования (на рис. 1, а от-
t, 10"3с
t, 10"3с
Рис. 3. Характерный вид модуляций нагрузки при достижении максимальной нагрузки (см. рис. 1, точки I, II, III) динамического деформирования образца Шарпи из стали 25Х1М1Ф при Т = 293 (а), 648 (б), 873 К (в)
мечены цифрами I, II и III) в момент достижения максимального уровня нагрузки показаны на рис. 3. Они свидетельствуют о вовлечении иерархии структурных уровней в сопротивление зарождению и росту трещины в условиях высокоскоростного нагружения [4]. Низкочастотные модуляции представляют собой квазипериоди-ческие колебания уровня нагрузки с периодом ~ 10-4 с, причем их период для Т = 293 и 648 К примерно одинаков (^, t2 = 10-4 с). Но он в 1.2 раза больше, чем для высокой температуры 873 К, ¿3 = 8 • 10-5 с. Кроме того, для различных температур испытаний отличается форма модуляций: если для Т = 293 К характерна низкочастотная модуляция порядка 7-10 % от высоты цикла модуляции (ДР273 = 700 Н), то при Т = 648 К — 18-25 % (ДР648 = 600 Н), а при Т = 600 °С — 15-20 % (ДР873 = = 450Н). Наблюдается также выраженная высокочастотная модуляция, тоже относящаяся к мезомасштабу,
Направление распространения трещины Рис. 4. Поверхности разрушения стали 25Х1М1Ф при Т = 293 (а, б), 648 (в, г), 873 К (д, е)
но отражающая процессы на более низком структурном уровне. Необходимо отметить различие периода и формы колебаний нагрузки: если при Т = 293 К ярко проявляется периодичность колебаний, а также их постоянная амплитуда, то при Т = 648 К колебания носят скорее квазипериодический характер, для Т = 873 К снова характерна четко выраженная периодичность, но с затухающей амплитудой колебаний нагрузки.
Сопоставление полученных результатов позволяет заключить, что увеличение амплитуды низкочастотных модуляций свидетельствует о повышении вклада пластической деформации в сопротивление росту трещины. С другой стороны, проявление периодичности в низкочастотных модуляциях отражает вклад хрупких механизмов разрушения. В пользу такого заключения свидетельствует факт наличия низкочастотных модуляций на диаграммах ударного нагружения для всех температур испытаний, когда при старте трещина характеризуется
квазихрупким распространением (согласно данным фрактографических исследований).
4. Мезо- и микромеханизмы динамического разрушения
При Т = 293 К разрушение стали 25Х1М1Ф имеет хрупкий характер и происходит путем квазискола (рис. 4, а, б). На макроизломе образца можно выделить две характерные зоны разрушения: небольшая волокнистая зона, которая формируется вблизи надреза и ориентирована вдоль него, что соответствует старту трещины (указана стрелкой 1 — зона 1 С). Характерную ширину этой зоны можно оценить как 0.15 мм, что составляет 75 % от глубины надреза.
Вторая, более шероховатая, зона разрушения соответствует развитию трещины (указана стрелкой 2 — зона 2Р). При этом рассматривают не распространение прямолинейного фронта одиночной трещины, а рас-
пространение фронта разрушения по хрупкопластическому механизму вследствие развития множественных «сколов» [5].
Для вязкого разрушения (Т = 648 и 873 К) характерны значительные величины общей и локализованной пластической деформации, что проявляется в многообразии форм и количестве ямок, выявляемых на изломе материала. При Т = 648 К ямки имеют преимущественно округлую форму, характерно чередование крупных и мелких ямок; при этом формируются зоны слияния соседних вязких микротрещин (на рис. 4, в, г показано стрелкой 3). Это подтверждает факт повышения пластичности материала и, соответственно, увеличения энергозатрат на разрушение (рис. 1, б, кривая 2). Поперечные вторичные трещины и вырывы на поверхности излома практически не обнаруживаются.
При Т = 873 К наблюдается заметная неоднородность фрактографического рельефа, характеризующего рост трещины, проявляющаяся в том числе в виде формирования высоких гребней (на рис. 4, д, е показано стрелкой 4). Контур ямок имеет сложную форму, отражающую иерархию профилей «вырываемых» конгломератов зерен, вовлеченных в поворотные моды деформации. Микропластическая деформация при ударе развивается в основном в области фронта распространяющейся магистральной трещины. Для этой температуры испытаний характерны значительные величины общей и локальной пластической деформации, что выражается многообразием форм, размеров и количества ямок отрыва (рис. 4, д, е).
Таким образом, на фрактографических картинах поверхностей вязкого разрушения (рис. 4, г, е) весьма наглядно проявляются вырывы зерен и конгломератов зерен, происходящие в ходе ударного нагружения под действием поворотных мод деформации.
5. Обсуждение экспериментальных результатов
5.1. Масштабные уровни деформации при ударном нагружении при различных температурах
Специфика ударных испытаний образцов Шарпи с макроконцентратором напряжений в виде надреза независимо от температуры испытаний определяет в качестве ведущего масштабного уровня разрушения макроуровень. Помимо концентрированного способа приложения нагрузки и наличия макроконцентратора напряжений в виде надреза, это связано со скоростью нагружения, обусловливающей за крайне короткое время нагружения распространение трещины через весь образец. Однако релаксационное действие процессов пластической деформации будет оказывать определенное влияние, поэтому помимо макроуровня (в зависимости от состояния образца, определяемого температурой испытаний) может появляться дополнительный структурно-масштабный уровень деформации и разрушения. В
рамках проводимого обсуждения мы также воспользуемся предложенной в рамках неравновесной термодинамики концепцией о мультиэкстремальном характере изменения потенциала Гиббса в нагруженном твердом теле, предложенной В.Е. Паниным в работе [6].
Так, при комнатной температуре испытаний в области вершины концентратора напряжений материал испытывает действие гидростатического растяжения, в результате чего потенциал Гиббса достигает положительного значения Р(у) > 0. Кристалл теряет сдвиговую устойчивость и трещина распространяется квазихрупко, что практически не сопровождается пластической деформацией. Характер разрушения можно описать как хрупкий скол, ведущий масштабный уровень — макро (табл. 2).
При ударных испытаниях при повышенной температуре в области вершины надреза также возникает зона гидростатического растяжения, однако в ней потенциал Гиббса Р^) не достигает положительного значения. В результате зарождаются деформационные дефекты, возникает пластическая деформация и в условиях действия поворотных моментов происходят повороты зерен как целого, чему соответствует масштабный уровень мезо I. Одновременно внутри зерен развивается пластическая деформация на микроуровне, но она имеет аккомодационный характер. Таким образом, ведущими масштабными уровнями разрушения и деформации при повышенной температуре испытаний следует считать мак-ро + мезо I.
Испытания при высокой температуре приводят к дальнейшему увеличению размера области в вершине надреза, вовлеченной в развитие пластической деформации. Распространение трещины сопровождается действием поворотных моментов, что, в свою очередь, вызывает повороты, а затем и вырывы конгломератов зерен. Таким образом, ведущими масштабными уровнями разрушения и деформации при ударном нагружении при температуре Т = 873 К становятся макро + мезо II.
Механизмы деформирования и разрушения для исследованного диапазона температур обобщены в табл. 2.
В заключение отметим, что механизмы деформирования и разрушения стали 25Х1М1Ф при различных температурах коррелируют с видом диаграммы динамического деформирования, в частности с формой и наклонами отдельных участков: чем круче наклон соответствующего участка, тем менее энергоемкий и более хрупкий характер имеет разрушение.
5.2. Влияние температуры на напряженно-деформированное состояние материала
Закономерности разрушения твердых тел напрямую зависят от напряженно-деформированного состояния материала при нагружении [7, 8]. Известны случаи, когда один и тот же материал, в зависимости от вида напряженного состояния, разрушается отрывом или сре-
Таблица 2
Характерные признаки деформации и тип разрушения образцов стали 25Х1М1Ф при ударном нагружении при различных температурах
Температура испытаний Т, К Характерные признаки деформации Тип разрушения Ключевой структурно-масштабный уровень деформации и разрушения
293 Неоднородные микропластические деформации, локализованные в пределах отдельных зерен, обусловленные дисперсным упрочнением исходной структуры [1]. Максимальная жесткость напряженного состояния П Разрушение по механизму квазихрупкого скола Ведущий уровень деформации и разрушения — мак-ро. В момент старта трещины характеризуется падением напряжений от максимума практически до нуля. Зона долома имеет максимальный размер на фракто-грамме, что свидетельствует о неэффективности существующих механизмов релаксации и выходе разрушения практически сразу на макроуровень
648 Вовлечение в деформацию значительного количества элементов внутренней структуры, прежде всего в вершине надреза, отражающееся в повышении вязкости деформирования и разрушения Разрушение по механизму вязкого отрыва (ямочный рельеф поверхности разрушения, связанный с поворотом и отрывом отдельных зерен) Ведущие уровни деформации и разрушения — мезо I + макро. Характеризуется квазиоднородным деформированием и разрушением. Повышение вязкости материала под действием повышенной температуры обусловливает вовлечение процессов деформации и разрушения одновременно нескольких масштабных уровней, а также сопровождается возрастанием объема материала, вовлеченного в поворотные моды пластической деформации при распространении трещины
873 Вовлечение в поворотные моды деформации конгломератов зерен, что сопровождается существенной вытяжкой образца. Минимальная жесткость напряженного состояния П Разрушение по механизму вязкого отрыва с формированием крупного ямочного рельефа, связанного с поворотом и отрывом конгломератов зерен Ведущие уровни деформации и разрушения — мезо II + макро. Максимальная вязкость материала при высокой температуре и вовлечение в поворотные моды деформации конгломератов зерен аккомодирует раскрытие трещины при меньшем объеме вовлекаемого в пластическую деформацию материала. Происходит снижение механических свойств материала с увеличением температуры испытаний от 648 до 873 К
зом [7]. Проведенный феноменологический анализ закономерностей динамического деформирования и разрушения образцов Шарпи при различных температурах показал качественное подобие процессов деформирования, зарождения и развития макротрещины. Во всех исследованных случаях трещина зарождалась в поле больших градиентов напряжений и деформаций, подобных градиентам напряжений и деформаций около ее вершины при статическом нагружении и усталостном разрушении [9, 10]. По этой причине наблюдается выраженная стадийность деформирования и разрушения мате-
риала, имеющая выраженную общность для различных температур испытаний.
Способность материала к пластической деформации зависит от многих факторов, в том числе от жесткости напряженного состояния. Причем это характерно как для статических (рис. 5, а), так и для ударных испытаний (рис. 5, б). В работе [8] подробно обсуждается влияние жесткости напряженного состояния на характер распространения трещины при статическом нагружении. При этом указанная жесткость является функцией нескольких параметров, среди которых предел текучести
Рис. 5. Влияние температуры испытаний на механические свойства стали 25Х1М1Ф: а 0 2> а в (а) и взаимосвязь прочностных свойств с энергоемкостью динамического разрушения при температурах Т = 293 (3), 648 (4) и 873 К (5) (б)
и прочности, радиус закругления концентратора напряжений и т.д. Полученные в настоящей работе результаты также хорошо вписываются в такую идеологию: повышение температуры испытаний приводит к снижению прочностных характеристик, что должно сказываться на снижении жесткости напряженного состояния. Так, для Т = 293 К по сравнению с условиями испытаний при повышенной и высокой температурах характерно увеличение жесткости напряженного состояния в зоне концентратора, что приводит к созданию благоприятных условий для хрупкого разрушения [7, 9]. Кроме того, это увеличивает степень локализации деформаций, уменьшая размер зоны, вовлеченной в пластическое деформирование. Увеличение жесткости напряженного состояния влияет на энергоемкость разрушения материала: для Т = 293 К характерен более хрупкий вид излома образца [9].
При Т = 648 К жесткость напряженного состояния снижается, что связано с увеличением пластичности материала. В результате разрушение является самым энергоемким, что сопровождается сохранением достаточно высокой несущей способности и трещиностойкости (рис. 5, б).
Повышение температуры испытаний до Т = 873 К еще более снижает жесткость напряженного состояния, поэтому наблюдаются более выраженные признаки пластического деформирования, что сопровождается самой существенной вытяжкой для всех использованных температур испытаний. Перераспределение напряжений должно было бы увеличить несущую способность системы, однако увеличение пластичности материала, как правило, снижает ее жесткость, способствуя шарнирному повороту частей образца друг относительно друга вследствие влияния поворотных мод деформации на макромасштабном уровне [9]. Дополнительно жесткость напряженного состояния будет меняться вследствие возникновения термически индуцированных дефектов, однако в рамках данной статьи мы опустим подробное обсуждение этих явлений.
Учет изменения напряженного состояния с увеличением температуры испытаний позволяет принять во внимание роль масштабных уровней деформирования материала и перераспределение напряжений в результате пластического деформирования. При этом необходимо учитывать, что если в упругой области эти параметры являются однозначными функциями компонент тензора напряжений, то в неупругой области они зависят не только от конечного напряженного состояния, но и от уже вовлеченных в деформацию структурных элементов на различных масштабных уровнях.
Универсальность подхода, основанного на анализе жесткости напряженного состояния, проявляется не только в возможности разделения влияния температуры на характер разрушения. Жесткость напряженного со-
стояния изменяется и по мере распространения трещины в образце Шарпи. На стадии 1С старта трещины жесткость максимальная, что при прочих равных условиях определяется радиусом закругления вершины надреза. Прорастание трещины (стадия 2Р) сопровождается раскрытием ее берегов и дальнейшим увеличением радиуса закругления в вершине концентратора. По этой причине характер разрушения на этой стадии становится более вязким, а площадь области в вершине трещины, вовлеченной в пластическое деформирование, увеличивается. На стадии 3Д существенное влияние на жесткость напряженного состояния начинает оказывать противоположная сторона образца, к которой прикладывается ударное действие копра. Деформация в этом случае развивается по схеме «пластического шарнира», а радиус закругления в вершине концентратора достигает наибольшего значения. Поэтому для данной стадии характерна максимальная пластическая деформация, проявляющаяся в виде вытяжки образца. При этом даже в условиях хрупкого разрушения при испытаниях при комнатной температуре зона 3Д демонстрирует выраженные признаки развития пластической деформации.
В заключение отметим, что концепция жесткости напряженного состояния при обсуждении результатов использована нами на качественном уровне. Отсутствие соответствующих экспериментальных результатов (полученных, например, с помощью оптико-телевизионной системы, подобно работе [8]) не позволяет нам количественно анализировать этот параметр, поэтому детальное обсуждение данного подхода будет являться предметом наших следующих работ.
5.3. Механизмы образования расслоения материала в вершине трещины
При анализе различий в характере развития деформации и разрушения определяющую роль при испытаниях при Т = 293 К следует отвести стесненности деформационных процессов вследствие развитости внутренних границ раздела зерен и «гетерогенности» фер-рито-перлитной структуры. Повышение температуры испытаний приводит к снижению напряжения течения, активизации деформационных процессов. Высокая энергия динамического разрушения (зарождения трещины) при Т = 293 К обусловлена существенными градиентами напряжений, возникающих на границах областей, в различной мере вовлеченных в пластическое течение. В результате происходит возрастание градиентов напряжений во фронте полос локализованной пластической деформации, что сопровождается нестабильным подрастанием трещины и ее притуплением вследствие релаксации напряжений [11, 12]. Механизмы развития пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях особенно проявляются в наиболее структурно-неоднородном состоянии материала (при
Т = 293 К) в виде увеличения амплитуды осцилляции нагрузки.
На микромасштабном уровне релаксация напряжений определяется процессами поперечного скольжения и движения дислокаций вдоль границ зерен, зарождением и поглощением дислокаций на границах зерен, активизацией зернограничного проскальзывания [1, 3, 4]. По мере увеличение длины трещины вклад этих механизмов становится определяющим. Подтверждением активного протекания этих процессов является расположение участка ниспадающей ветви диаграммы динамического деформирования при Т = 873 К (рис. 1, а) значительно ниже, чем при Т = 648 К.
Процесс пластической деформации носит неоднородный характер как с точки зрения распределения деформации по образцу, так и по времени нагружения. По нашему мнению, под влиянием энергии удара ее «накачка» в микрообъемы превосходит скорость ее отвода релаксационными механизмами. В результате нарушения энергетического баланса система теряет устойчивость, что приводит к переходу локальных микрообъемов в сильно возбужденное состояние [13]. Если при этом исчерпан ресурс пластичности данного структурного уровня, пластическое течение переходит на более высокий масштабный уровень с последующим образованием магистральной трещины. Это наиболее заметно на рис. 1, а: образец как бы теряет сдвиговую устойчивость в момент резкого падения нагрузки — деформация и разрушение выходят на макроуровень, после чего он выгибается обратно, его квазихрупкое разрушение сопровождается выраженной «зубчатостью».
Это явление близко к эффекту самоподдерживающе-гося разрушения, которое наблюдается при сжатии [11]. По нашему мнению, этому механизму соответствует резкий спад на кривых «нагрузка - время испытаний» (см. рис. 1). Слой образца со стороны надреза при изгибе испытывал сильное растяжение, после прохождения магистральной трещины он «разгибается» и сжимается, вследствие чего возникает продольное расслоение, наблюдавшееся в экспериментах и схематически представленное на рис. 6.
Предложенные механизмы подтверждаются данными ряда работ, в частности [14], в которых показано, что при динамическом нагружении все компоненты тен-
Рис. 6. Схема деформирования образца Шарпи при образовании продольной трещины (расслоения): 1 — продольное расслоение; 2 — слой образца, «ответственный» за резкий спад на зависимости «нагрузка Р - время испытаний t» и продольное расслоение. Температура испытаний Т = 293 К
зоров напряжений в локальных областях отличны от нуля и принимают как положительные, так и отрицательные значения. Кроме того, при сжатии процесс разрушения происходит в основном за счет образования новых трещин, тогда как при растяжении происходит рост трещин, изначально присутствующих в материале [14].
5.4. Взаимосвязь стадийности деформации с жесткостью напряженного состояния.
Влияние температуры на характерные масштабные уровни деформации
Полученные результаты еще раз свидетельствуют о том, что развитие пластических сдвигов в процессе роста трещины определяется как напряженно-деформированным состоянием материала (макроуровень), так и накоплением и последующим движением деформационных дефектов от свободных поверхностей или границ структурных элементов (микроуровень), что обусловливает различие в характере формирования полос локализованного сдвига как аккомодационных деформационных структур на мезоуровне (см. рис. 2).
Особо следует подчеркнуть, что использование концепции поворотных мод деформации является достаточно универсальным способом объяснения полученных результатов. Актуальность подобного рассмотрения вызвана тем, что сама схема нагружения образца (трехточечный изгиб) обусловливает развитие поворотных мод деформации в образце в целом в течение всего времени испытаний. В настоящей работе выделяются три характерных масштабных уровня. На макроуровне происходит изгиб всего образца, благодаря которому в вершине надреза возникают дополнительные напряжения, способные инициировать старт и рост трещины. Поскольку на микроуровне образец не может деформироваться и разрушаться однородно, формируется система гребней («вырывов»), отражающих неоднородность деформации и разрушения на мезоуровне II. На мезоуровне I реализуются микроструктурные механизмы разрушения образца, что обеспечивается за счет формирования ямок (это наименьший из видимых в микроскопе масштабных уровней).
Возрастание температуры испытаний увеличивает вязкость материала, и, соответственно, больший его объем вовлекается в пластическую деформацию, участвуя в развитии поворотных мод деформации. Для высоких температур деформирование приобретает «шарнирный» характер перемещения двух макрофрагментов образца друг относительно друга, также происходит развитие деформации на макроуровне. Очевидно, с этим связано и увеличение размера ямок при высокой температуре испытаний (табл. 3). Такой механизм затруднителен при повышенной температуре и невозможен при комнатной температуре, потому что развитие поворотных мод деформации на макромасштабе не аккомодируется деформацией на мезо- и макромасштабе. В
Таблица 3
Влияние температуры ударных испытаний на механизмы локализации деформации в стали 25Х1МФ
Схема деформирования
Механизм разрушения
Разрушение образцов происходит преимущественно в условиях плоского напряженного состояния. Вследствие неоднородности распределения микропластических деформаций происходит с формирование преимущественно фасеток. Образование «губ среза» оказывается затрудненным
Деформирование образцов происходит в условиях плоского напряженного состояния. Разрушение образца сопровождается пластической деформацией (мезо I), что приводит к появлению на боковых поверхностях образцов «губ среза», на поверхности излома наблюдается формирование ямок и гребней
Повышение температуры увеличивает пластичность материала и переводит процесс деформирования на более высокий (мезо II) масштабный уровень. Образование утяжки и, соответственно, повышение напряжений, приводит к увеличению размеров пластической зоны вблизи концентратора. Наблюдается «шарнирный» характер разрушения двух половинок образца с вращением макрофрагментов. Поверхность излома образцов характеризуется ямочным рельефом
результате трещина распространяется по хрупкому или хрупкопластическому механизму.
Указанные закономерности определяют стадийность процесса деформирования, масштабные уровни деформирования, жесткость напряженного состояния и интенсивность поворотных мод деформации.
6. Заключение
Проведенные исследования влияния температуры на ударную вязкость стали 25Х1М1Ф показали, что зарождение и распространение трещины в стали 25Х1М1Ф происходит хрупко при Т = 293 К и вязкохрупко при Т = 648 и 873 К. Снижение уровня разрушающей нагрузки при высокой температуре испытаний связано как с дальнейшим повышением вязкости разрушения материала вследствие нагрева, так и с формированием системы термически индуцированных дефектов.
Зависимость нагрузки от времени испытаний образца имеет стадийный характер, при котором первая стадия (старт трещины) отвечает за зарождение трещины, а для остальных стадий характерно постепенное снижение нагрузки (релаксация) вследствие распространения трещины. Интенсивность снижения уровня нагрузки на
третьей (долом) и четвертой (отрыв) стадиях заметно увеличивается. По нашему мнению, первая и вторая (старт и рост трещины) стадии связаны с локализованным развитием деформации в области вершины надреза, в то время как третья и четвертая стадии свидетельствуют о выходе деформации на макромасштабный уровень и вовлечении в пластическое течение всего остаточного сечения образца.
На основании сопоставления характерных стадий диаграммы ударного нагружения, данных фрактогра-фии и изображений боковой грани образца предложена схема масштабных уровней деформации и разрушения. Влияние температуры на характер деформирования и разрушения образцов при ударных испытаниях может быть достаточно адекватно описано в рамках данной стадийности.
Проведен количественный анализ «зубчатого» характера изменения нагрузки (низкочастотные модуляции) на момент страгивания трещины. Показано, что наибольшая амплитуда «зубчатости» характерна для комнатной температуры испытаний и квазихрупкого характера разрушения. Для более вязкого разрушения, имеющего место при испытании при повышенной и вы-
сокой температурах, указанная «зубчатость» после стра-гивания трещины менее выражена.
Для испытаний на ударное разрушение в исследованном температурном диапазоне показано три масштабных уровня действия поворотных мод деформации. Напряженно-деформированное состояние материала образца для определенных температурных условий определяет вовлечение в деформирование и разрушение областей различного размера и формирование на поверхности разрушения участков с различным типом разрушения.
Благодарности
Исследования выполнены при финансовой поддержке ГФФИ Украины в рамках украино-российского проекта 0109U005863 и проекта РФФИ № 09-08-90404-Укр_ф_а, а также Гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ № НШ-5242.2010.1 (20102012 гг.).
Литература
1. Ясний П.В., Марущак П.О. Ролики МНЛЗ: Деградация и трещино-
стойкость материалов. - Тернополь: Джура, 2009. - 232 с.
2. Штремелъ М.А. Информативность измерений ударной вязкости // Металлов. и терм. обраб. металлов. - 2008. - № 11. - С. 37-51.
3. Ясний П.В., Марущак П.О., Гладъо В.Б., Бищак Р.Т. Влияние тем-
пературы на микромеханизмы ударного разрушения стали 35Г2 // Матер. Межд. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: Модели, методы, решения», 1-3 июня 2007 г. - Орел: Изд-во СГТУ, 2007. - С. 77-80.
4. Yasniy P., Maruschak P., Baran D., Hlado V, Gliha V, Vuherer T. Dynamic fracture toughness of steel of a continuous caster roll with a protective hard-faced layer // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 47-51.
5. Морозов В.Г., Савельев С.А., Мещеряков Ю.И., Жигачева Н.И., Барахтин Б.К. Вихревая модель упругопластического течения при ударном нагружении // Физика и механика материалов. - 2009. -№ 1. - С. 8-31.
6. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Физическая мезомеханика и неравно-
весная термодинамика как методологическая основа наноматериаловедения // Физ. мезомех. - 2009. - Т. 12. - № 4. - С. 7-26.
7. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наукова думка, 1976. - 415 с.
8. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Гордиенко А.И. Влияние локализованной деформации на характер разрушения стали ВКС-12 при варьировании жесткости напряженного состояния // Физ. мезо-мех. - 2009. - Т. 12. - № 5. - С. 91-96.
9. Марущак П.О., Гладьо В.Б., Баран Д.Я. Влияние температуры на микромеханизмы разрушения стали 25Х1М1Ф при исследовании статической трещиностойкости // Матер. II Межд. науч.-техн. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 8-11 октября 2007 г. - М.: Интерконтакт наука, 2007. - С. 283284.
10. Ясний П.В., Марущак П.О. Влияние температуры на микромеханизмы усталостного разрушения биматериала 15Х13МФл/ 25Х1М1Фл // Матер. Межд. науч.-техн. конф. «Механика неоднородных деформируемых тел: методы, модели, решения», 1-8 октября 2004 г. - Севастополь: Изд-во ОрелГТУ, 2004. - С. 73-75.
11. Тананов А.И., Катихин В.Д., Гузь И.С. и др. Строение и свойства биметаллических материалов. - М.: Наука, 1975. - 124 с.
12. Milovic L., Sedmak S., Zrilic M., Vuherer T. et al. Toughness of region IV of the heat affected zone of 9% chromium steel for elevated temperature application // Fracture Mechanics of Materials and Structural Integrity / Ed. by VV. Panasyuk. - Lviv: Karpenko Phys.-Mech. Inst. Nat. Acad. of Scien. of Ukraine, 2009. - P. 637-642.
13. Наймарк О.Б., Баяндин Ю.В., Леонтьев В.А., Пермяков С.Л. О термодинамике структурно-скейлинговых переходов при пластической деформации твердых тел // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. -№ 5. - С. 23-29.
14. Романова В.А. Моделирование процессов деформации и разрушения в трехмерных структурно-неоднородных материалах / Авто-реф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2008. -30 с.
Поступила в редакцию 19.04.2010 г., после переработки 02.08.2010 г.
Сведения об авторах
Ясний Петр Владимирович, д.т.н., проф., ректор ТНТУ, [email protected] Марущак Павел Орестович, к.т.н., доц., доцент ТНТУ, [email protected] Панин Сергей Викторович, д.т.н., доц., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, проф. ТПУ, [email protected] Бищак Роман Теодорович, асп. ТНТУ, [email protected]
Вухерер Томаш, к.т.н., ассист. Мариборского университета, [email protected] Овечкин Борис Борисович, к.т.н., доц. ТПУ, [email protected]
Панин Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., академик РАН, проф., научн. рук. ИФПМ СО РАН, [email protected]
