Связь наноструктурирования поверхностного слоя с циклической долговечностью сварных соединений высокопрочной стали

Связь наноструктурирования поверхностного слоя с циклической долговечностью сварных соединений высокопрочной стали

B.C. Плешанов, В.Е. Панин, В.А. Клименов, В.В. Кибиткин,

Ю.И. Почивалов, А.А. Напрюшкин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Работа посвящена исследованию влияния ультразвукового поверхностного пластического деформирования сварных соединений стали ВКС-12 на их структурно-фазовое состояние и механические характеристики. Показано, что материал приповерхностного слоя толщиной около 40 мкм после обработки приобретает трехслойное строение с образованием наноструктуры на глубине до 3+4 мкм. На большей глубине регистрируются субзеренная структура с большеугловой разориентацией субзерен и фрагментированная структура. Установлена связь наноструктурирования поверхностного слоя с повышением циклической долговечности сварных соединений.

The relation of surface nanostructurization with the cyclic fatigue life of welded joints of high-strength steel

V.S. Pleshanov, V.E. Panin, VA. Klimenov, VV Kibitkin,

Yu.I. Pochivalov, and A.A. Napryushkin

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The paper investigates the influence of ultrasonic surface plastic deformation of welded joints of steel VKS-12 on their structure-phase state and mechanical characteristics. It is shown that after the treatment the surface layer material of about 40 ¿m thick acquires a three-layer structure with nanostructure formation at a depth of 3+4 ¿m. A subgrain structure with high-angle misorientation of subgrains and a fragmented structure are registered at a higher depth. The relation of surface nanostructuring with the cyclic fatigue life of welded joints is found.

1. Введение

В условиях циклического нагружения сварные соединения определяют долговременную прочность деталей машин и конструкций. Их сопротивление усталости определяется различными факторами: условиями сварки и металлографической структурой материала, формой и размерами изделия, состоянием поверхности, режимами термообработки, окружающей средой, схемой нагружения и др.

Наряду с термической и химико-термической обработками эффективным способом повышения сопротивления усталостному разрушению является поверхностное пластическое деформирование металлических материалов при температурах, меньших температуры рекристаллизации. В последние 20-25 лет активно развивается метод ультразвуковой ударной обработки бойками. Он позволяет повысить не только усталостную прочность, но и износостойкость, чистоту поверхности обрабатываемых деталей и их прирабатываемость.

В настоящей работе была поставлена задача исследовать взаимосвязь наноструктурирования поверхностного слоя с усталостной прочностью сварных соединений высокопрочной стали.

2. Материал и методика исследований

В качестве объекта исследования в работе использовали стыковые сварные соединения конструкционной стали ВКС-12, выполненные аргонодуговой сваркой. Данная сталь применяется в авиастроении, когда требуется сочетание высоких значений статической и циклической прочности. Изучение структурно-фазового состояния сварных соединений проводили с использованием методов оптической металлографии (Axiovert 25CA), рентгеноструктурного анализа (ДРОН-4), растровой (SEM-515 Philips, Tesla BS-300) и просвечивающей (ЭМ-125) электронной микроскопии; микротвердость измеряли при нагрузке 200 г (ПМТ-3). Исследование механических характеристик выполняли при ста-

© Плешанов В.С., Панин В.Е., Клименов В.А., Кибиткин В.В., Почивалов Ю.И., Напрюшкин А.А., 2005

тическом растяжении со скоростью 10-4 с-1 ^сИепск Sinus-100.40). Усталостную прочность изучали в малоцикловой области по схеме циклического растяжения ^сИепск Sinus-100.40) при асимметричном цикле ( Я а = = 0.1). Прикладываемое напряжение изменяли по гармоническому закону а^) = а0 +ат sm(2яf), где а0 = = 440 МПа, ат = 360 МПа, / = 1 с-1. Ударную ультразвуковую обработку поверхности сварного шва и око-лошовной зоны осуществляли с помощью генератора УЗГ-06/27 при выходной мощности 630 ВА. Частота и амплитуда колебаний бойков инструмента составляли соответственно 2.7 • 104с-1 и 20 мкм, статическая сила прижима инструмента к поверхности образцов — 200 Н.

3. Результаты исследований и их обсуждение

В результате металлографических исследований и рентгеноструктурного анализа установлено, что структура основного металла и сварного шва представляет собой высокодисперсный пакетный и пластинчатый мартенсит с размером пластин < 1.5^2.0 мкм (рис. 1). Мартенсит стали ВКС-12 имеет тетрагональную решетку с а = 0.28762 нм, Ь = 0.28942 нм, с = 0.29636 нм. В зоне термического влияния вблизи шва в процессе сварки средний размер зерна увеличивается до 30^50 мкм. Области сварного шва в глубину существенно различаются по макроструктуре: облицовочный шов имеет дендритную структуру, корневой — отпущенную квази-однородную структуру. Установлено, что по всей глу-

бине сварного шва наблюдается разупрочнение материала, причем наиболее существенно это выражено для корневого шва. Так, значения микротвердости Нц для основного металла, облицовочного и корневого швов составляют соответственно 5400, 5220 и 4660 МПа.

Диаграммы растяжения стали ВКС-12 при отсутствии и наличии сварного шва представлены на рис. 2. Видно, что наличие сварного шва снижает прочность и пластичность образцов в целом, при этом механические характеристики сварного соединения определяются свойствами шва.

Различие структурных и механических характеристик в областях основного металла, зоны термического влияния и шва определяет особенности циклической прочности сварных соединений. Зарождение и развитие усталостных трещин в сварных соединениях стали ВКС-12 в большинстве случаев локализовано в области макроконцентратора напряжений — границы раздела «шов - зона термического влияния». Фракгограмма поверхности разрушения в этой области имеет характер вязкого ямочного излома (рис. 3). Формирование трещин в средней части шва происходит обычно при наличии в материале шва технологических дефектов (пор, шлаковых включений и др.).

Поскольку процессы накопления усталостных повреждений, как правило, начинаются в поверхностном слое материала, для повышения циклической долговечности сварных соединений необходимо изменить свойства поверхности шва и зоны термического влия-

Рис. 2. Зависимость напряжения течения а от относительного удлинения 8: образец без шва

Рис. 3. Фрактограмма излома шва вблизи зоны термического влияния. х 5000

Рис. 4. Фрактограмма излома сварного шва

ния. С этой целью в работе была проведена ультразвуковая ударная обработка поверхностей данных областей сварных соединений на обеих сторонах образцов (т.е. облицовочного и корневого швов).

Исследования металлографической структуры шва и зоны термического влияния после ультразвуковой ударной обработки показали, что в тонком поверхностном слое толщиной 40^50 мкм структура после травления не выявляется, а значения микротвердости возрастают на 20^25 %. Электронно-фрактографический анализ изломов проводили после ударного разрушения образцов с острым надрезом ( гн = 0.2 мм). Фракто-грамма излома, соответствующая приповерхностной зоне середины облицовочного шва, представлена на рис. 4. Видно, что поверхность разрушения в целом характеризуется наличием двух областей материала, испытавших и не испытавших воздействие ультразвуковой ударной обработки, с явно выраженной границей раздела между ними. До глубины примерно 40 мкм от поверхности образца наблюдается хрупкий камневидный (стекловидный) излом. Эта структура характерна для материала, подвергнутого ультразвуковой ударной обработке, и она остается приблизительно постоянной по всей глубине воздействия. Граница раздела структур имеет ширину в пределах 4^6 мкм и соответствует зоне перехода от хрупкого к вязкому разрушению с наличием обеих этих составляющих на фрактограмме. На глубине 45^50 мкм поверхность излома приобретает вязкий

ямочный характер. При дальнейшем увеличении глубины сохраняется ямочный характер излома, но с более развитой поверхностью, что соответствует более вязкому разрушению.

Электронно-микроскопический микродифракцион-ный анализ структурно-фазового состояния фольг, приготовленных из материала облицовочного сварного шва, выявил присутствие в стали а- и у-фаз (фазы на основе железа с ОЦК и ГЦК кристаллическими решетками соответственно) и частиц карбидной фазы.

Формирование а-фазы происходит в результате мар-тенситного у—— а-превращения. Основной морфологической составляющей мартенсита является пакетный мартенсит, пластинчатый мартенсит наблюдается значительно реже. Кристаллы мартенсита фрагментированы, что особенно характерно для пакетного мартенсита (рис. 5, а). Кроме этого, наблюдаются области материала, имеющие субзеренное строение (рис. 5, б) с размером субзерен 100^200 нм. Электронограмма, полученная с такого участка фольги, имеет квазикольцевое строение (рис. 5, в). Последнее указывает на большеугловую разориентировку субзеренной структуры (средняя величина азимутальной составляющей полного угла разориентации субзерен составляет 3.5°^4.0°). Эта структура характерна для области материала сварного шва и зоны термического влияния, расположенной на глубине от 6 до 40 мкм от поверхности образца.

Исследование структуры материала на меньшей глубине (от 0 до 6 мкм) показало ее кардинальное отличие. Оно заключается в наличии тонкого поверхностного слоя толщиной 3^4 мкм, имеющего нанокристалли-ческое строение. На это указывают как малые размеры кристаллитов (30^67 нм), так и характерное (квазикольцевое) строение микроэлектронограмм (рис. 6). Индицирование микроэлектронограмм, полученное с поверхностного слоя, свидетельствует о том, что в фазовом отношении слой с нанокристаллической структурой подобен основному слою.

Здесь отмечается присутствие а- и у-фаз, а также карбидных фаз на основе ванадия. Из анализа микро-электронограммы, приведенной на рис. 6, в, следует, что кроме дифракционных колец, принадлежащих

Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения структуры, формирующейся в сварном шве: а — пакетный мартенсит; б — субзерна а-фазы; в — микроэлектронограмма

Рис. 6. Электронно-микроскопические изображения структуры стали, формирующейся в тонком поверхностном слое сварного шва: а — светлое поле; б — темное поле, полученное в рефлексе [002] у-фазы; в — микроэлектронограмма

а-фазе, присутствуют дифракционные кольца, относящиеся к у-фазе. Следовательно, у-фаза (остаточный аустенит) также имеет нанокристаллическое строение.

В поверхностном слое с нанокристаллической структурой присутствуют частицы карбида ванадия, размеры которых составляют 2^3 нм. Судя по расположению частиц можно предположить, что образовались они в подслое, сохранившем структуру кристаллов мартенсита. В случае, если на микроэлектро-нограммах наблюдаются одновременно рефлексы а-, у- и карбидной фаз, то рефлексы последней являются размытыми. Это может свидетельствовать о том, что в процессе ультразвуковой ударной обработки наблюдается распад твердого раствора на основе у-фазы с последующим выделением частиц карбида ванадия.

Между поверхностным и основным слоями на глубине 4^6 мкм от поверхности образца находится промежуточный слой со структурой пакетного фрагментированного мартенсита, содержащий большое число частиц карбида ванадия. Частицы имеют округлую форму, их средний размер составляет ~10 нм. Увеличение объемной доли карбидной фазы в промежуточном слое по сравнению с основным слоем также можно связать с процессами распада твердого раствора на основе у-фазы вследствие ультразвуковой ударной обработки.

1 і 1 - 1  1 1 1 1 1 Iі 1

1 - 1 1 -

- 1 _ 1 1 1 2 -

/ і 1 '' ' ^ У ч

...м.... .„.І-*-- 1 1 -

30 60 N, 103

Рис. 7. Зависимость плотности вероятности разрушения w от числа циклов нагрузки N образцов до (1) и после (2) ультразвуковой ударной обработки

Таким образом, после ультразвуковой ударной обработки материал сварного шва по структурно-фазовому составу имеет трехслойное строение и характеризуется наличием на поверхности обработки нанокристалли-ческого состояния а- и у-фаз. Структурно-фазовое состояние стали в зоне термического влияния после ультразвуковой ударной обработки подобно описанному выше для сварного шва.

Результаты испытаний на усталостную прочность показали, что сварные соединения в исходном состоянии разрушались в 90 % случаев при числе циклов нагрузки N = 33000^38500, а после ультразвуковой ударной обработки — при N = 48500^68500. Распределения плотности вероятности разрушения образцов от числа циклов нагрузки w(N), построенные на основе экспериментальных данных, представлены на рис. 7. Видно, что после ультразвуковой ударной обработки сопротивление усталости сварных соединений увеличивается в 1.5-1.6 раза.

4. Заключение

Ультразвуковая ударная обработка сварных соединений стали ВКС-12 приводит к значительному изменению структурно-фазового состояния приповерхностного слоя толщиной до 40 мкм. В нем происходят процессы фрагментации кристаллов и образования суб-зеренной структуры с большеугловой разориентацией субзерен. Наиболее кардинальные изменения структуры происходят в тонком поверхностном слое толщиной 3^4 мкм, в котором регистрируется нанокристаллическое состояние а- и у-фаз.

Формирование нанокристаллического состояния в поверхностном слое позволяет существенно увеличить циклическую долговечность сварных соединений высокопрочной стали ВКС-12. Управляя структурой и процессами деформации в поверхностных слоях, можно в значительной степени изменять макромеханические характеристики материала и элементов конструкций.

Работа выполнена в рамках проекта 8.1.1 программы 8.1 фундаментальных исследований СО РАН.