Механическая спектроскопия в изучении субструктурной деградации углеродистых сталей

УДК 539.67

МЕХАНИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В ИЗУЧЕНИИ СУБСТРУКТУРНОЙ ДЕГРАДАЦИИ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

© А.Н. Чуканов, А.А. Яковенко, И.Ф. Широкий

Ключевые слова: деградация; субструктура; деформация; водород; малоуглеродистые стали; внутреннее трение; акустическая эмиссия.

Исследована стадийность развития субструктурной деградации малоуглеродистых и низколегированных сталей. Предложены феноменологические модели развития повреждаемости.

Анализировали стадийность изменения параметров неупругих эффектов внутреннего трения (ВТ), УЗ дефектоскопии (УЗД), акустической эмиссии (АЭ), параметров суб- и микроструктуры малоуглеродистых сталей 20, Ст3, 08Г2С, сплава Fe-0,09 % C в ходе деформационного и водородного воздействий. ВТ изучали в инфразвуковом, звуковом и ультразвуковом диапазонах. Неупругие эффекты использовали как избирательные инструменты анализа субструктуры. Фон ВТ отражал уровень микроискажений в объеме; деструкци-онный максимум (Д) - уровень микроискажений в локальных зонах их концентрации; максимум Снука (Сн) -концентрацию атомов С, N в феррите; максимум Сну-ка-Ке-Кестера (СК) - интенсивность дислокационно-примесного взаимодействия (ДПВ) и микроискажений [1].

Деформационное воздействие. Выявили три диапазона, изменения параметров субструктуры с увеличением степени предварительной деформации: I (0...4 %), II (4.10-12 %), III (10-12.. .17 %). I - область деградации, II область - деградационно-деструкционная, область III - активной деструкции. В указанных областях выявили следующие процессы. В области I: а) перераспределение С, N б) снижение ДПВ; в) рост микроискажений в объеме. Это подтвердили результаты рентгеноструктурного анализа (рост плотности свободных дислокаций и микроискажений). Металлографически выявили наличие несплошностей 1-2 мкм. В области II - немонотонное изменение перечисленных параметров. Это связывали с растущим вкладом деструкцион-ных процессов. Металлографически фиксировали эволюцию микротрещин, их количества и размеров. Для распределения трещин наблюдали три области. Их границы соответствовали максимумам роста различных групп трещин. Ведущий является перколяция при выполнении концентрационного критерия С.Н. Журкова.

Наблюдали циклическое согласованное изменение параметров деградации и деструкции (диапазоны с различной динамикой процесса с максимумами при 4 и 10.12 % деформации). Это отражало совместное участие в повреждаемости в области II как механизмов деградации, так и трещинообразования. В терминах кинетической термодинамики происходила «самосборка» стабильных структур в квазиравновесных условиях, отвечающих достигнутому диссипативному состоя-

нию. Им соответствовали характерные для деформированных сплавов Fe-C дислокационные стенки блоков. Провели дополнительный анализ рентгенографических данных. Строили зависимость отношений уширения по линиям [220] и [110] от степени предварительной деформации. Выявили два типа процессов - а) накопление микронапряжений (области I и III) и б) формирование упорядоченных дислокационных структур - область II. Этот вывод подтвердили результаты УЗ дефектоскопии.

В области III стабилизируется достигнутый высокий уровень объемных микроискажений. Это отражали данные УЗД и измерения микротвердости. Количество трещин уменьшается, растет их размер (11-15 мкм, что соответствует размеру зерна феррита). Напряжения в области III ведут к формированию трехосного напряженного состояния (в шейке) и переходу повреждаемости на макроскопический уровень.

Предложена феноменологическая модель деформационной повреждаемости в условиях статического нагружения. Она включает следующие этапы. 1. Устойчивое неупорядоченное состояние: а) перераспределение примесей внедрения в твердом растворе, изменение подвижности дислокаций и ДПВ, увеличение плотности свободных дислокаций и объемных микроискажений; б) возникновение хаотических дислокационных конфигураций, заблокированных дислокационных групп, создание локализованных зон концентрации напряжений (ЛЗКН), образование в ЛЗКН субмикротрещин. 2-3. Переход к неустойчивому упорядоченному состоянию: а) взаимодействие микротрещин (МТ) и субмикротрещин (СМТ) в ЛЗКН, слияние МТ и СМТ, развитие ювенильных поверхностей; б) диффузия атомов углерода и миграция дислокаций к ювенильным поверхностям, изменение рельефа поверхностей микротрещин. 4-6. Формирование упорядоченного состояния: а) достижение критической концентрации МТ, активного размера и зон захвата в объеме (критическая величина концентрационного критерия С.Н. Журкова), скачкообразный рост их размера (слияние в зоне захвата по механизму перколяции); б) формирование стабильных дислокационных конфигураций; в) рост трещин в зоне трехосного напряженного состояния.

Описанная последовательность развития повреждаемости соответствует моделям И.А. Одинга,

1625

Ю.П. Либерова, Л.М. Рыбаковой и Л.Р. Ботвиной. Особенно хорошее согласие наблюдали с диапазонами и механизмами стадий модели Л.Р. Ботвиной в областях активной эволюции трещин - II и III.

Влияние водорода на развитие деградации и деструкции наблюдали для сталей 20 и Ст3, насыщавшихся в среде 0,1 нормального раствора Н2Б04 с добавлением тиомочевины ЫН2СКВН2 в условиях электролитической катодной поляризации. Водородное воздействие варьировали плотностью тока (/ = 60160 А/м2) и длительность насыщения (тВ = 0-30 ч).

На зависимостях ВТ наводороженных сталей наблюдали неупругие эффекты: водородный Снука-Кестера (СКН), деструкционный (Д), Снука (Сн). Опираясь на исследования Хуана-Фантоцци, компонентами водородного максимума СКн считали пик диффузионной активности атомарного водорода (СКн(а)) и пик, отражающий переориентацию молекул водорода в поле дислокации (СКн(м)). Это позволило контролировать диффузионную подвижность атомарного водорода и количество водорода, молизовавшегося в коллекторах-ловушках. Составляющие деструкционного максимума (пики Д8 и Де) отражали уровень локализованных напряжений в зонах их концентрации (водородных коллекторах). Корреляционный анализ выявил связь эффектов водородного Снука-Кестера и деструкцион-ного.

Сопоставление зависимостей ВТ наводороженных сталей выявило три области с характерным изменением параметров ВТ, АЭ и УЗД (I, II, III). Рост фона ВТ, высот водородных Снука-Кестера и деструкционного максимумов после наводороживания от 0 до 15 ч трактовали как активную диффузию атомарного водорода в объем, окклюзию и молизацию в коллекторах (области I, II и III). Это ведет к росту объемных и локальных микроискажений. После 10-15 ч наводороживания подвижность водорода стабилизировалась. Количество молизовавшегося водорода после 20 ч также стабилизировалось. Дальнейшее увеличение наводороживания более 15 ч вело к резкому снижению высоты деструк-ционного максимума. Напряжения в локализованных зонах релаксировали образованием ювенильных поверхностей. Эти изменения трактовали как процесс подготовки (область I), зарождения (область II) и развития (область III) водородной повреждаемости. Заключительным этапом было образование в области III после 10-15 ч микротрещин в водородных коллекторах. Металлографические исследования на стали Ст3 фиксировали эволюцию ансамбля микротрещин, соответствовавшую описанным процессам.

Величину давления в водородных коллекторах, достаточного для раскрытия трещин, определили по результатам АЭ. Образцы сжимали в диапазоне 40-260 МПа со скоростью 2,3 МПа/мин. На кумулятивных кривых количества импульсов N и энергии EE АЭ фиксировали два диапазона с различной интенсивностью (А и Б). Их же наблюдали на зависимостях длительности сигнала АЭ от времени. Наиболее ярко это наблюдали после наводороживания в течение 5 ч. Перелом на кривых ЕЕ(а) и N^(0) наблюдали при напряжениях —110-130 МПа. Они близки к расчетным (по Гриффитсу-Оровану). Размер микротрещины способной к развитию определили равным 1,5-2 мкм.

Линейная аппроксимация диапазонов А и Б для напряжений 0-130 МПа и 130-260 МПа позволила опре-

делить скорость изменения Nе и Ee. Выявили два одновременно развивающихся процесса: микропластиче-скую деформацию и деструкцию. О первом говорит резкий рост Ne и Ee до напряжения 110-130 МПа, а также увеличение объемных микроискажений (фон ВТ). О вторых судили по снижению зависимостей после нагрузки 130 МПа и немонотонному изменению локализованных микроискажений (Д5). Максимум АЭ фиксировали в диапазоне 0-130 МПа после 5 ч наводороживания. Данные УДЗ подтверждали наличие двух «дополнительных» диапазонов повреждаемости в области I.

Таким образом, комплексный анализ ВТ, АЭ и УЗД в ходе водородной повреждаемости выявил два «основных» диапазона: 0...10-15 ч и 10-15...30 ч с превалирующим развитием деградационных и деструктивных процессов, соответственно. А также два «дополнительных» диапазона синергетического развития этих процессов (0.5 ч и 5.10 ч). Внутри областей I и III развиваются процессы повреждаемости двух различных масштабных уровней. В области I (деградация) превалирует над накоплением объемных микроискажений за счет роста количества диффундирующего, окк-людированого и молизующегося водорода. Рост его концентрации ведет к повышению давления в ловушках и увеличению количества активизирующихся коллекторов. АЭ при нагружении насыщенных (5 ч) образцов говорит об активной генерации и движении дислокаций. Резкое снижение перечисленных процессов отмечено после насыщения в течении 10-15 ч.

При нагружении наводороженных образцов движущиеся дислокации испытывают растущее сопротивление водородных центров (ловушек). Плотность центров повышается. Для дальнейшего движения дислокаций и продолжения АЭ необходимо увеличивать напряжения. После 5 ч насыщения торможение дислокаций водородными центрами максимально. Увеличение длительности насыщения до 10-15 ч стимулирует реализацию эффекта водородной локализации пластичности. Водород, концентрируясь вокруг краевых дислокаций в вершинах субмикротрещин, снижает упругую их энергию. В итоге рост микротрещин путем слияния с субмикротрещинами облегчается. Процесс трещино-образования интенсифицируется.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chukanov A.N., Levin D.M., Yakovenko A.A. Use and Prospects for the Internal Friction Method in Assessing the Degradation and Destruction of Iron-Carbon Alloys // ISSN 1062-8738. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2011. V. 75. № 10. Р. 1340-1344.

БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследований проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Chukanov A.N., Yakovenko A.A., Shiroky I.F. MECHANICAL SPECTROSCOPY IN STUDY OF SUBSTRUCTURAL DEGRADATION OF CARBON STEELS

On the basic of the concept of damaging substructure degradation stage development of low-carbon and low-alloy steel is investigated. A phenomenological model of failure rate is offered.

Key words: degradation; substructure; deformation; hydrogen; carbon steel; internal friction; acoustic emission.

1626