Структура поверхностного слоя и усталостная долговечность рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком

УДК 53.097:539.376

Структура поверхностного слоя и усталостная долговечность рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком

Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов1, В.А. Гришунин1, А.Д. Тересов, С.В. Коновалов1

Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия 1 Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия

Методами сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии проведены исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, морфологии поверхностей облучения и усталостного разрушения рельсовой стали, обработанной высокоинтенсивным электронным пучком. Показано, что если концентраторы напряжений при усталостном нагружении стали формируются вдоль границы раздела «слой высокоскоростной кристаллизации - зона термического влияния», имеющей игольчатый профиль, усталостная долговечность стали увеличивается в 2.5 раза.

Ключевые слова: упрочнение, поверхностный слой, электронно-пучковая обработка, усталость

Surface layer structure and fatigue life of rail steel irradiated by a high-intensity electron beam

Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov1, V.A. Grishunin1, A.D. Teresov, and S.V. Konovalov1

Institute of High Current Electronics, SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 1 Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia

The structure, phase composition, defect substructure, surface morphology, and fatigue fracture of rail steel irradiated by a high-intensity electron beam were studied by scanning and transmission electron diffraction microscopy. It is shown that the fatigue life increases 2.5 times when stress concentrators in the steel under fatigue loading are formed along the interface “high-rate crystallization layer - heat affected zone” with a needle profile.

Keywords: strengthening, surface layer, electron beam treatment, fatigue

1. Введение

Поверхностное упрочнение, реализуемое в условиях воздействия концентрированными потоками энергии, в настоящее время широко используется для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и механизмов [1-8]. С одной стороны, такой способ модификации позволяет получать различные сочетания свойств поверхностных слоев и внутренних объемов материала, а с другой, — использовать сравнительно дешевые и технологичные металлы и сплавы для изготовления изделий, у которых высокий уровень характеристик требуется только в поверхностных слоях. Экспериментальный и теоретический материал, накопленный научным коллективом под руководством В.Е. Панина

[8-14], описывает поведение на мезомасштабном уровне поверхностно упрочненных металлов и сплавов и демонстрирует, что на границе раздела «упрочненный слой - основа» в процессе нагружения формируются мощные концентраторы напряжений, релаксация которых сопровождается растрескиванием упрочненного слоя, что приводит к преждевременному выходу из строя деталей машин. Наиболее ярко этот процесс выражен при плоской границе раздела двух сред [8-11]. Формирование зубчатого или игольчатого профиля границы раздела приводит к диспергированию концентраторов напряжений и способствует более однородному пластическому течению в подложке, повышая эксплуатационные характеристики поверхностно упрочненных конст-

© Иванов Ю.Ф., Громов B.E., Гришунин B.A., Тересов A-Д., Коновалов C.B., 2013

рукционных материалов [12-14]. Целью настоящей работы являлись установление и анализ закономерностей разрушения в условиях усталостного нагружения рельсовой стали, поверхностный слой которой был модифицирован высокоинтенсивным электронным пучком.

2. Материал и методика исследования

В качестве материала исследования была использована рельсовая сталь Э76Ф следующего элементного состава (вес. %): 0.76 С, 0.1 V, 0.4 Si, 0.95 Мп, до 0.025 S, до 0.025 Р, до 0.02 А1, остальное — Бе. Перед облучением электронным пучком сталь прошла термическую обработку: нагрев — до 900 °С, выдержка — 2 ч и охлаждение с печью. Усталостные испытания проводились на специальной установке для ассиметричного консольного изгиба с параметрами: напряжение нагрузки — 20 МПа, частота повторения — 20 Гц, температура испытания — 293 К. Форма и размеры образов для усталостных испытаний не отличались от описанных в работе [15]. Как и в [6, 15], образцы имели концентратор напряжений в виде выреза полуокружностью радиуса 10 мм. Образцы облучались электронным пучком на установке СОЛО [16] при следующих фиксированных параметрах: длительность импульса воздействия пучка электронов т = 50 мкс, количество импульсов воздействия N = 3, частота следования импульсов /=0.3 с-1, давление остаточного газа (аргон) в рабочей камере ~0.02 Па. Переменным параметром обработки являлась величина плотности энергии пучка электронов Е!1, для образцов партии № 1 Е8 = 10 Дж/см2, № 2 — 20 Дж/см2, № 3 — 30 Дж/см2. Морфологию поверхности облучения и поверхности разрушения изучали методами сканирующей электронной микроскопии [17]. Фазовый состав и дефектную субструктуру поверхности облучения и приповерхностного слоя анализировали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии [18]. Фольги для электронной микроскопии готовили методами одностороннего электролитического утонения пластинок, вырезанных параллельно поверхности облучения на электроискровом станке.

3. Результаты исследования

Термическая обработка стали привела к формированию поликристаллической структуры, представленной зернами перлита преимущественно пластинчатой морфологии (рис. 1, а) и зернами структурно свободного феррита (рис. 1, б), в объеме которых в отдельных случаях обнаруживаются включения цементита пластинчатой и глобулярной формы, расположенные хаотически.

Зерна феррита содержат дислокационную субструктуру в виде сеток и хаотически расположенных дислокаций. Скалярная плотность дислокаций ~4 • 1010 см-2. Вблизи границ и стыков границ зерен наблюдается фрагментированная, реже субзеренная, структура. В ферритных прослойках перлита выявляется дислокационная субструктура преимущественно в виде хаотически распределенных дислокаций, скалярная плотность которых ~2.8 • 1010 см-2.

Обработка стали электронным пучком по указанным выше режимам привела к плавлению поверхностного слоя, о чем свидетельствует формирование на поверхности облучения структуры ячеистой кристаллизации (рис. 2, а). Размер ячеек изменяется в пределах от 0.3 до 0.6 мкм и слабо зависит от режима электронно-пучковой обработки. Формирование структуры ячеистой кристаллизации однозначно свидетельствует о плавлении поверхностного слоя и последующей кристаллизации со скоростями ~106 К/с [4]. Анализ поперечных изломов образцов выявил столбчатое строение поверхностного слоя (рис. 2, б). Средняя толщина слоя со столбчатой структурой увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов: от 1...2 мкм при 10 Дж/см2 до ~18 мкм при 30 Дж/см2.

Выполненные методами просвечивающей электронной микроскопии исследования показали, что электронно-пучковая обработка, независимо от плотности энергии пучка электронов, приводит к формированию в поверхностном слое закалочной структуры, представленной а-фазой (ОЦК твердый раствор на основе железа), у-фазой (ГЦК твердый раствор на основе железа) и карбидом железа (Бе3С, цементит). Толщина закаленного

Рис. 1. Изображение структуры рельсовой стали в исходном состоянии: а — зерно пластинчатого перлита; б — зерно феррита (стрелками указаны частицы цементита). Просвечивающая электронная микроскопия

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры рельсовой стали, облученной электронным пучком при плотности энергии пучка 20 Дж/см2: а — поверхность облучения; б — поверхность излома. Сканирующая микроскопия

слоя существенным образом зависит от плотности энергии пучка электронов. При Е5 = 10 Дж/см2 на расстоянии ~10 мкм от поверхности облучения наряду с кристаллами мартенсита выявляются частицы цементита глобулярной морфологии, располагающиеся хаотически в объеме и на границах кристаллов мартенсита. Частицы цементита, формирующиеся в стали при низкотемпературном отпуске и в процессе «самоотпуска» (т.е. частицы цементита, формирующиеся в структуре мартенсита в процессе закалки под действием остаточного тепла), имеют игольчатую форму и располагаются в кристаллах мартенсита вдоль кристаллографически выделенных направлений [19, 20]. Следовательно, наблюдающиеся в исследуемой стали частицы цементита глобулярной формы являются осколками частично растворившихся пластин цементита исходного состояния, а слой, располагающийся на глубине ~10 мкм (при Е5 = = 10 Дж/см2), является пограничным, разделяющим объем материала с мартенситной структурой (поверхностный упрочненный слой) и феррито-перлитной структурой (основной объем образца). С увеличением плотности энергии пучка электронов толщина поверхност-

ного закаленного слоя возрастает и при Е5 = 30 Дж/см2 достигает ~40 мкм.

Сверхвысокие скорости охлаждения оказывают существенное влияние на размерные характеристики формирующейся структуры. На рис. 3, а приведено изображение просвечивающей электронной микроскопии структуры поверхностного слоя стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2, демонстрирующее зеренно-суб-зеренную структуру (далее по тексту ячейки кристаллизации) с размерами, изменяющимися в пределах до 650 нм, что близко к размерам ячеек кристаллизации, выявленных методами сканирующей микроскопии. В объеме ячеек кристаллизации наблюдается пластинчатая структура кристаллов мартенсита (рис. 3, б) с поперечными размерами, изменяющимися в пределах

50...70 нм.

Таким образом, обработка стали высокоинтенсивным электронным пучком приводит к множественным изменениям структуры приповерхностного слоя. Во-первых, к плавлению поверхностного слоя и формированию столбчатой структуры; поперечные размеры

Рис. 3. Изображение структуры поверхностного слоя стали, облученной электронным пучком при плотности энергии пучка 10 Дж/см2: а — светлое поле; б — темное поле, полученное в рефлексе [110]а-Ре; в — микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле. Просвечивающая электронная микроскопия

10 15 20 25 Ед, Дж/см2

Рис. 4. Зависимость от плотности энергии пучка электронов Е§ числа циклов до разрушения N (1) и толщины Н поверхностного слоя, отделенного от основы микропорами (2). Пунктирной прямой отмечена величина усталостной долговечности стали в исходном (до обработки электронным пучком) состоянии

столбиков незначительно увеличиваются с ростом плотности энергии пучка электронов и изменяются в пределах от 0.3 до 0.6 мкм; продольные размеры столбиков, характеризующие толщину расплавленного слоя, существенно увеличиваются с ростом плотности энергии пучка электронов. Во-вторых, к упрочнению поверхностного слоя вследствие формирования мартенситной структуры. Толщина закаленного слоя увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов. В-третьих, к формированию в ячейках кристаллизации нано-размерной мартенситной структуры.

Испытания стали выявили зависимость усталостной долговечности материала от плотности энергии пучка электронов Е8 (рис. 4, кривая 1). Отчетливо видно, что максимальный эффект (увеличение усталостной долговечности стали в ~2.5 раза) наблюдается при Е8 = = 20 Дж/см2. Ранее эффект увеличения числа циклов до разрушения после электронно-пучковой обработки

Рис. 5. Поверхность усталостного разрушения рельсовой стали: а — исходное состояние; б — после облучения электронным пучком при Е§ = 10

для сталей различных структурных классов отмечался в [21, 22].

Анализ поверхности разрушения стали в исходном состоянии (не обработанной электронным пучком) выявил вязкий излом (рис. 5, а), характерный для материалов с перлитной структурой, деформированной в условиях усталостного нагружения [23]. Следует ожидать, что в этом случае источник (концентратор) напряжений, послуживший центром зарождения магистральной трещины, располагается на поверхности образца. При исследовании поверхности излома образцов, обработанных электронным пучком, выявлен подслой, характерной особенностью которого является присутствие большого количества микропор (рис. 5, б, поры указаны стрелками). Присутствие микропор указывает на то, что разрушение стали, обработанной электронным пучком, начинается не на поверхности образца, а в подповерхностном слое. Поры располагаются упорядоченным образом, формируя строчки, расположенные параллельно поверхности облучения. Наиболее ярко порообразование проявляется при исследовании поверхности разрушения стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2. Размеры пор в этом случае изменяются в пределах от 1 до 6 мкм.

В стали, обработанной электронным пучком при большей плотности энергии пучка (20.30 Дж/см2), размеры пор существенно меньше (0.3.. .1.0 мкм). Строчки, формируемые порами, выражены менее явно, располагаются на определенном расстоянии от поверхности облучения, коррелируя с изменением усталостной долговечности стали (рис. 4, кривая 2).

4. Обсуждение результатов

В работах [8-11] показано, что на границе раздела «упрочненный слой - основа» в процессе нагружения формируются мощные концентраторы напряжений, релаксация которых сопровождается растрескиванием упрочненного слоя, что приводит к преждевременному выходу из строя усталостно нагруженного материала. Наиболее ярко этот процесс выражен при плоской границе раздела таких слоев. Формирование зубчатого или игольчатого профиля границы раздела приводит к диспергированию концентраторов напряжений и способствует более однородному пластическому течению в подложке, повышая эксплуатационные характеристики поверхностно упрочненных конструкционных материалов [12-14]. Рассмотрим полученные в настоящей работе результаты, опираясь на изложенные в [8-14] факты.

Сопоставляя результаты исследования структуры стали, выявленные методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, можно отметить, что порообразование в стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов

Рис. 6. Изображение структуры слоя стали, расположенного на глубине ~10 мкм. Стрелками указана микротрещина. Образец разрушен после облучения электронным пучком при плотности энергии пучка 30 Дж/см2. Просвечивающая электронная микроскопия

10 Дж/см2, протекает в слое, разделяющем поверхностный слой, упрочненный вследствие формирования мар-тенситной структуры, и основной объем стали с ферри-то-перлитной структурой. Граница раздела данных слоев проходит преимущественно по границе раздела зерен

и, следовательно, является относительно плоской, предрасположенной к формированию мощных концентраторов напряжений, релаксация которых сопровождается растрескиванием упрочненного слоя.

В стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 20 Дж/см2, слой, в котором наблюдается порообразование, располагается преимущественно на границе раздела слоя кристаллизации и слоя термического влияния (рис. 5, в, г). Слой кристаллизации имеет столбчатую структуру с субмик-рокристаллическим поперечным размером столбиков (на рис. 5, г представлены не отдельные столбики кристаллизации, а их комплексы). Следовательно, граница раздела «упрочненный слой - основа» имеет зубчатый или игольчатый профиль. Последнее, согласно результатам работ [8-11], приводит к диспергированию концентраторов напряжений и способствует более однородному пластическому течению в подложке, многократно (в ~2.5 раза) повышая усталостную долговечность рельсовой стали.

Электронно-пучковая обработка стали при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2 сопровождается формированием протяженного упрочненного слоя, концентраторы напряжения в котором формируются в слое высокоскоростной кристаллизации. На это указывает цепочка пор, располагающихся в слое на глубине

6...8 мкм. Исследования структуры стали методом тонких фольг, расположенных на данной глубине, выявили высокий уровень внутренних полей напряжений, релаксация которых привела к формированию многочисленных микротрещин при утонении пластинки в процессе

приготовления фольги (рис. 6). Следовательно, причиной низкого уровня усталостной долговечности стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2, являются остаточные напряжения, формирующиеся в упрочненном слое.

5. Заключение

Выявлен режим облучения рельсовой стали высокоинтенсивным электронным пучком, позволяющий многократно (в ~2.5 раза) увеличивать ее усталостную долговечность. Показано, что преимущественным местом формирования концентраторов напряжений в этом случае (при оптимальном режиме электронно-пучковой обработки) является граница раздела слоя высокоскоростной кристаллизации и слоя термического влияния. Высказано предположение, что увеличение усталостной долговечности стали обусловлено формированием игольчатого профиля границы раздела в зоне концентрации остаточных напряжений. Это приводит к диспергированию концентраторов напряжений и способствует более однородному пластическому течению в подложке, повышая эксплуатационные характеристики поверхностно упрочненной стали.

Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» и при частичной финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (соглашение 14.В.37.21.0071).

Литература

1. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионны-

ми и электронными пучками / Под ред. Дж. Поута, Г. Фоти, Д. Дже-кобсона. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.

2. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения: в 2-х т. - М.: Л.В.М.-СКРИПТ, Машиностроение, 1995. - Т. 2. - 688 с.

3. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов. -М.: Круглый год, 2001. - 528 с.

4. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface Treatment of Materials with Low-Energy, High-Current Electron Beams // Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques / Ed. by Y Pauleau. - Elsevier, 2006. - Chapt. 6. - P. 205-240.

5. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов. - Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - 301 с.

6. Усталость сталей, модифицированных высокоинтенсивными электронными пучками / Под ред. В.Е. Громова, Ю.Ф. Иванова. -Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2012. - 403 с.

7. Глезер А.М., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Шаркеев Ю.П. Наноматериалы: структура, свойства, применение. - Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2012. - 424 с.

8. Панин С.В., КовальА.В., Трусова Г.В., ПочиваловЮ.И., Сизова О.В.

Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне бо-рированных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.

9. Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина Н.А., Литвиненко A.B. Влия-

ние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 105-110.

10. Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина Н.А. Мезомеханика поверхностно упрочненных материалов // Изв. ТПУ. - 2003. - № 1. -С. 30-36.

11. Антипина Н.А. Механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне поверхностно упрочненной хромистой стали / Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 1996. - 19 с.

12. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. - С. 715.

13. Панин С.В., Коваль А.В., Ткаченко А.Ю., Иваненко А.В. Влияние толщины и структуры поверхностных боридных слоев на развитие пластической деформации и разрушение образцов конструкционных сталей при сжатии // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 5. -C. 81-92.

14. Романенко А.В. Влияние макроструктуры упрочненного слоя и профиля границы раздела на характер пластической деформации и разрушения на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталей / Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2004. - 19 с.

15. Иванов Ю.Ф., Воробьев С.В., Коновалов С.В., Громов В.Е., Коваль Н.Н. Физические основы повышения усталостной долговечности нержавеющих сталей. - Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2011.- 302 с.

16. Devyatkov V.N., KovalN.N., Schanin P.M., Grigoryev V.P., Koval Т.В. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams // Laser Part. Beams. - 2003. - V. 21. - P. 243-248.

17. Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справочник. - М.: Металлургия, 1986. - 232 с.

18. Томас Г., Гориндж М.Дж. Просвечивающая электронная микроскопия. - М.: Наука, 1983. - 320 с.

19. КурдюмовВ.Г., УтевскийЛ.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.

20. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Самоотпуск стали — анализ кинетики процессов карбидообразования // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1990. - № 12. - С. 38-40.

21. Иванов Ю.Ф., Горбунов С.В., Воробьев С.В., Коваль Н.Н., Коновалов С.В., Громов В.Е. Структура поверхностного слоя, формирующегося в стали 08Х18Н10Т, обработанной высокоинтенсивным электронным пучком, в условиях многоцикловой усталости // Физ. мезомех. - 2011. - Т. 14. - № 1. - С. 75-82.

22. Иванов Ю.Ф., ГромовВ.Е., Воробьев С.В., БессоновД.А., Колубае-ва Ю.А., Коновалов С.В. Структурно-фазовое состояние поверхностного слоя, формирующееся в стали 20Х13 в результате облучения высокоинтенсивным электронным пучком // Физ. мезомех. -2011. - Т. 14. - № 6. - С. 111-116.

23. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочное издание / Под ред. Дж. Феллоуза. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

Поступила в редакцию 04.07.2012 г., после переработки 05.12.2012 г.

Сведения об авторах

Иванов Юрий Федорович, д.ф.-м.н., проф., снс ИСЭ СО РАН, yufi@mail2000.ru Громов Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., проф., зав. каф. СГИУ, gromov@physics.sibsiu.ru Гришунин Владимир Анатольевич, стаж.-иссл. СГИУ, gromov@physics.sibsiu.ru Тересов Антон Дмитриевич, к.т.н., снс ИСЭ СО РАН, tad514@sibmail.com Коновалов Сергей Валерьевич, к.т.н., доц., доц. СГИУ, konovalov@physics.sibsiu.ru