СПОСОБ ОЦЕНКИ ФРАКТОГРАФИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛОМОВ ОБРАЗЦА В ПРОЦЕССЕ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ
METHOD OF ASSESSMENT OF FRACTOGRAPHIC CHARACTERISTICS OF FRACTURES OF SAMPLE DURING IMPACT BENDING TESTS

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств сталей и сварных соединений и может применяться в различных отраслях промышленности.
Известно, что одной из наиболее значимых характеристик металлов и сварных соединений является их сопротивление хрупкому разрушению. Для оценки этого показателя применяется целый ряд критериев (ударная вязкость, коэффициент интенсивности напряжений, доля вязкой составляющей в изломе, критическая температура хрупкости и другие), важное место среди которых занимают фрактографические характеристики изломов. Например, по типу фрактографических характеристик определяется микромеханизм разрушения, по соотношению их количества оценивается процент вязкой составляющей в изломе и критическая температура хрупкости.
Основными фрактографическими характеристиками являются ямки (вязкий микромеханизм разрушения) и фасетки транскристаллитного скола (хрупкий механизм разрушения). Общий вид излома и тип фрактографических характеристик может быть определен с помощью более простых средств: лупы или стереометрического микроскопа. Размеры фрактографических характеристик определяются только с использованием специализированного дорогостоящего оборудования (электронных микроскопов). В то же время определение их размеров является очень важным, так как они определяют единичный скачок микротрещины, а следовательно, сопротивление металла разрушению.
Известен способ оценки фрактографических характеристик поверхностей изломов металла образцов после разрушения или специальных испытаний, например, на ударный изгиб, при использовании просвечивающей, с помощью реплик, электронной микроскопии (ПЭМ), работающей по схеме проходящих электронных лучей, когда изображение формируется отраженными световыми лучами (И.В.Гусенко, Методы исследования топологии поверхности пьезокерамики, Ростов-на-Дону, 2008, с. 6-11).
Для исследования фрактографических характеристик с помощью просвечивающего электронного микроскопа необходимо предварительно изготавливать специальные очень тонкие, прозрачные для электронов, реплики (слепки) с поверхности разрушения. Реплика должна полностью воспроизводить рельеф поверхности разрушения. Толщина реплики должна быть порядка 0,01 мкм.
Реплики изготавливают путем распыления вещества (углерода, кварца, титана и других веществ) в вакуумированной испарительной камере и осаждения его на поверхность излома. Для изготовления углеродных реплик на поверхность излома в испарительной камере напыляют уголь с угольных стержней, нагретых пропусканием тока. Пары углерода конденсируются на поверхности излома образца и образуют тонкую углеродную пленку (реплику). При рассмотрении реплик под электронным микроскопом вид исследуемой поверхности значительно изменяется, поэтому для правильной расшифровки необходима высокая квалификация специалиста.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оценки фрактографических характеристик поверхностей изломов образцов металла и определение их размеров с применением растровой электронной микроскопии (РЭМ), позволяющий снимать изображение с неровной поверхности образцов, непосредственно с излома ((И.В.Гусенко, Методы исследования топологии поверхности пьезокерамики, Ростов-на-Дону, 2008, с. 12-19).
Известный способ основан на зондировании поверхности изучаемого образца электронным зондом. Сущность способа состоит в том, что поверхность исследуемого образца облучается тонко сфокусированным (диаметром до 5-10 нм) пучком электронов - так называемым электронным зондом. Пучок электронов совершает возвратно-поступательное движение по линии или развертывается в растр - совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности.
Для исследования фрактографических характеристик с помощью растрового электронного микроскопа используют образцы, являющиеся поверхностью излома места разрушения. Основное требование к образцу - соответствие его размеров размерам держателя для образцов вакуумной камеры в приборе. Необходимо также, чтобы поверхность, предназначенная для исследования, была чистой. Очистку образцов от загрязнений осуществляют с помощью различных растворителей в ультразвуковой камере в сочетании с осторожной механической очисткой.
Использование РЭМ позволяет получить на экране монитора микроскопа фотографии изображений изломов образцов. В качестве фрактографических характеристик излома рассматривают ямки и фасетки транскристаллитного в участках вязкого и хрупкого разрушения соответственно.
Средний размер ямок или фасеток транскристаллитного скола можно определить путем измерения с помощью встроенной электронной линейки или вручную по полученным фотографиям как среднеарифметическое значение двух взаимно перпендикулярных линий, одна из которых соответствует наибольшей длине измеряемого элемента, а вторая проводится перпендикулярно первой через ее центр.
Описанный способ оценки фрактографических характеристик весьма трудоемок, длителен, требует использования дорогостоящего оборудования и специалистов высокой квалификации.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа оценки фрактографических характеристик изломов образца в процессе испытаний на ударный изгиб, обеспечивающего сокращение времени исследовании и упрощение процесса оценки искомых характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что в способе оценки фрактографических характеристик изломов образца в процессе испытаний на ударный изгиб по окончании процесса воздействия на образец ударным изгибом предварительно готовят микрошлиф образца, после чего с помощью оптического микроскопа формируют изображение микроструктуры участка разрушения, по которому определяют величину пакетов бейнитной структуры, и находят параметрические характеристики вязкого и хрупкого разрушения по следующим зависимостям:
dя=0,1 dб
dфтс=0,6-0,8 dб, для трубных сталей класса прочности до К60,
dфтс=0,4-0,6 dб, для трубных сталей класса прочности свыше К60 включительно,
где: dя - средний размер ямки в участке вязкого разрушения (мкм),
dфтc - средний размер фасетки транскристаллитного скола в участке хрупкого разрушения (мкм),
dб - средний размер пакета бейнита (мкм).
Достигаемый технический результат заключается в определении параметрических характеристик вязкого и хрупкого разрушения непосредственно по размерам элементов микроструктуры.
Способ осуществляют следующим образом:
Подвергают образец испытаниям на ударный изгиб. Из разрушенного образца готовят микрошлиф, и с помощью оптического микроскопа формируют изображение микроструктуры в зоне участка разрушения. Определяют по этому изображению размер пакетов бейнитной структуры. По вышеприведенным зависимостям, полученным эмпирическим путем, определяют размеры фрактографических характеристик вязкого или хрупкого участков поверхности разрушения.
Ниже представлен пример конкретной реализации предлагаемого способа, который иллюстрируется фиг.1-18, на которых приведены фрактограммы и изображения микроструктуры исследованных материалов, а также гистограммы распределения размеров их элементов.
Исследованы трубные стали различных классов прочности - от К42 до К70. Фрактограммы поверхности вязкого участка разрушения, полученные по известному способу, и соответствующие им фотографии микроструктуры ОШУ ЗТВ сталей классов прочности К42 при скорости охлаждения 30°С/с и температуре испытания +20°С, К65 при скорости охлаждения 10°С/с и температуре испытания -40°С до и после деформационного старения и К70 при скорости охлаждения 30°С/с и температуре испытания -40°С приведены на фигурах 1-4 соответственно.
Экспериментальным путем были определены размеры фрактографических характеристик вязкого разрушения (ямок), а также пакетов бейнита.
Результаты оценки размеров пакетов бейнита (фигура 5) и размеров ямок вязкого участка разрушения (фигура 6) ОШУ ЗТВ сталей класса прочности К42 при температуре испытания +20°С, К65 при скорости охлаждения 10°С/с до и после деформационного старения, К70 при скорости охлаждения 30°С/с представлены в виде гистограмм распределения.
Подсчет параметров структуры и фрактографических характеристик поверхности разрушения показал, что корреляционная связь выражается следующим уравнением: средний размер ямки равен 0,1 от среднего размера пакета бейнита (dя=0,1 dб).
На фигурах 7-10 соответственно представлены фрактограммы поверхности хрупкого участка разрушения и соответствующие им фотографии микроструктуры ОШУ ЗТВ стали класса прочности К42 при скорости охлаждения 30°С/с и температуре испытания -20°С и -40°С до деформационного старения, +20°С и -40°С после деформационного старения.
Фрактограммы поверхности хрупкого участка разрушения и соответствующие им фотографии микроструктуры ОШУ ЗТВ сталей класса прочности К65 при скорости охлаждения 45°С/с до и после деформационного старения и К70 при скорости охлаждения 10°С/с и 60°С/с изображены на фигурах 11-14.
Результаты оценки размеров пакетов бейнита и фасеток транскристаллитного скола участка хрупкого разрушения исследуемых сталей представлены в виде гистограмм.
Гистограммы распределения средних размеров пакетов бейнита (фигура 15, 17) и размеров фасеток квазискола хрупкого участка разрушения (фигура 16, 18) ОШУ ЗТВ представлены на фигурах 15, 16 для сталей класса прочности К60 и на фигурах 17, 18 для сталей класса прочности свыше К60 включительно.
Определение размеров фасеток квазискола и сопоставление их с размером пакетов бейнита для сталей класса прочности до К60 показало, что их соотношение изменяется в пределах от 0,6 до 0,8.
Статистический анализ хрупкой составляющей изломов ОШУ ЗТВ сталей класса прочности свыше К60 включительно показал, что отношение среднего размера фасеток квазискола к среднему размеру пакета бейнита в высокопрочных сталях меняется в пределах от 0,4 до 0,6.
Таким образом, для всех микромеханизмов разрушения, вязкого и хрупкого, проанализировано около 1800 элементов структуры и фрактографических характеристик применительно к трубным сталям различных классов прочности. Получены зависимости
dя=0,1 dб
dфтс=0,6÷0,8 dб, для трубных сталей класса прочности до К60,
dфтс=0,4÷0,6 dб, для трубных сталей класса прочности свыше К60 включительно,
где dя - средний размер ямки в участке вязкого разрушения,
dфтс - средний размер фасетки транскристаллитного скола в участке хрупкого разрушения,
dб - средний размер пакета бейнита.
Применение данного способа позволяет исключить использование дорогостоящих растрового или просвечивающего электронных микроскопов, специальную подготовку образцов для исследований с их применением. Для работы на оптическом микроскопе квалификация персонала может быть значительно ниже, чем для работы на электронном.