Дислокационная динамика в изучении стадийности развития деградации и разрушения малоуглеродистых сталей при деформировании

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2012. Вып. 1. С. 220-228

ФизикА =

УДК 539.67:669

Дислокационная динамика в изучении стадийности развития деградации и разрушения малоуглеродистых сталей при деформировании

А. Н. Чуканов, А. А. Яковенко

Аннотация. На основе комплексного анализа неупругих эффектов внутреннего трения (Снука, Снука-Кестера, деструкцион-ного эффекта) оценивали развитие деградации и накопление поврежденности малоуглеродистой стали. Предложена стадийность процесса в деформированном (одноосное растяжение) материале. Выявлены механизмы развития деградации и начальных стадий повреждаемости.

Ключевые слова: малоуглеродистые стали, пластическая

деформация, деградация, повреждаемость, внутреннее трение, неупругие эффекты, стадии.

Введение. Важность ранней диагностики разрушения не требует доказательств. Техногенные и природные катастрофы последних лет это подтверждают. Перспективными методами контроля начальных стадий разрушения являются методы, фиксирующие процессы, его подготавливающие и стимулирующие, деградационные. Деградацию (естественное ухудшение свойств материала) и зарождение разрушение в микрообъёмах с критическим уровнем напряжений позволяют описать наномасштабные методы анализа подвижности дефектов строения. К ним относится метод внутреннего трения (ВТ). Исследование релаксационных спектров ВТ материалов, подвергающихся при эксплуатации разрушению, особенно эффективно на ранних стадиях процесса, когда фиксация поврежденности современными методами контроля проблематична [4-6].

Вопрос о стадийности повреждаемости обсуждается довольно часто [1,2]. Однако, информация, полученная разными методами, разнопланова. В тоже время инструментом, удобным для изучения всех этапов развития поврежденности, является метод ВТ. С помощью неупругих эффектов (НЭ) ВТ (в частности деструкционного эффекта) возможно проведение такого анализа.

Целью исследования является наблюдение развития деградации и выявления стадийности разрушения деформируемых малоуглеродистых сталей по изменению параметров дислокационной динамики в микрообъёмах дефектов поврежденности.

Теоретический анализ. В ходе развития повреждаемости в деформируемых сталях на температурных зависимостях ВТ (ТЗВТ) в диапазоне —150... 500°С фиксируют следующие НЭ: максимум Снука, максимум Снука-Кестера, а также деструкционный максимум, имеющий место в поврежденных образцах. Появление деструкционного максимума на ТЗВТ связано с изменением дислокационной динамики у концентраторов напряжений — структурных дефектов и дефектов поврежденности (микротрещин) [5, 6].

Методика проведения эксперимента. Измерение ВТ проводили на образцах (I = 200 мм, d = 8 мм) стали марки Ст 3 и сплава Fe + 0, 09%С (I = 70 мм, d = 0, 8 мм) в состоянии поставки (калиброванные нормализованные прутки и проволока). Образцы стали марки Ст 3 деформировали статическим одноосным растяжением (е = 0, 3.3,13,17, 20 %), образцы сплава Fe + 0,09%С- обжатием при протяжке через фильеры. Анализировали информацию, полученную при низко- (обратный крутильный маятник, f ~ 1с-1) и среднечастотных (резонансные изгибные колебания f ~ 1 • 10-3с-1 ) измерениях амплитудных и температурных зависимостей ВТ (АЗВТ и ТЗВТ) (ГОСТ 25156-82). ТЗВТ измеряли в диапазоне от —100 до 500°C. Скорость нагрева 2 град./мин. Параллельно измеряли динамический модуль нормальной упругости (Е).

Использовали комплексный анализ формы и энергетических характеристик группы перечисленных релаксационных эффектов ВТ. Применили оригинальную компьютерную программу разделения сложных релаксационных максимумов на унимодальные пики.

В ходе деформирования образцов стали марки Ст 3 при комнатной температуре фиксировали диаграммы деформации (ГОСТ 1497-84). Машинные диаграммы деформации перестраивали в условные диаграммы деформации. Для каждой степени деформации определяли соответствующее напряжение и, рассчитывали отношение о/омах.

При определении стадийности накопления поврежденности за основу была взята модель работы [2], описывающая процесс разрушения при одноосном растяжении (рис.1). В качестве критерия границ отдельных стадии использовали отношение текущей нагрузки к максимальной P/Pmax. Авторы работы [2] выявили следующие стадии повреждаемости: стадия микротекучести М ((0,35-0,7) Рмах), стадия накопления дефектов I ((0,7-0,85) Рмах ), стадия слияния дефектов II ((0,85-0,97) Рмах ), стадия локализованного разрушения III — процесс, в свою очередь, включающий в себя три этапа: формирование макротрещины размером 14-16 мкм ((0,97-1) Рмах), — этап А, ее стабильное ((1-0,8) Рмах), — этап В и ускоренное (Р < 0, 8Рмах), развитие — этап С.

Экспериментальные результаты. На рис. 2 представлена типичная ТЗВТ образцов бинарного сплава Ее — 0,09%С за вычетом фона. В области отрицательных температур (—150... 0°С) наблюдали деструкционный максимум (Д), фиксируемый в температурном диапазоне, прогнозируемом моделью, описанной в работе [5]. В области температур выше комнатной фиксировали типичные для деформированных сплавов системы Ее — С неупругие эффекты — максимумы Снука (Сн) и Снука-Кестера (С-К).

4500

3500

2500

1500

500

м I п III стадии

Ч / ^ '

;

И

3 ^

Я

0,35

0,6

0,7

0,85

0,97

1,1

1,35

1,6

Р/Р

/ I п

Рис. 1. Изменение критерия К,показывающего среднее расстояние между трещинами и плотности микротрещин п на стадиях: микротекучести

[2]

При анализе использовали графики зависимостей высоты максимума ВТ от степени предварительной деформации (рис. 3), а также модельные представления о стадийности развития повреждаемости (рис. 4). Рассматривали влияние деформации на параметры ТЗВТ: фон ВТ (рис. 5), энергию связи дислокаций с примесными атомами (рис. 6), а также на относительное изменения модуля упругости (рис. 7) и плотности стали (рис.

Анализ экспериментальных результатов. Развитие деградации и накопление деформационной поврежденности оценивали комплексно по параметрам неупругих эффектов. Вместе с процессами накопления поврежденности в материале происходят деградационные процессы: перераспределение углерода, взаимодействие атомов внедрения с дислокациями; о которых судим по изменению параметров эффектов Снука, Снука-Кестера, а также по изменению фона ВТ и АЗВТ.

Увеличение степени предварительной деформации приводит к формированию заблокированных дислокационных групп, служащих зонами концентрации локальных микронапряжений и стимулирующих возникновение дефектов поврежденности.

А

д / ^ /с-к ^

у V—-/

150 -50 50 150 250 350 450

Рис. 2. ТЗВТ деформированного на 17 % сплава Ев + 0, 09%С (/ = 1 Гц): 1-суммарная кривая, парциальные пики: деструкционный (Д), Снука (Сн),

Снука-Кестера

Наибольшую высоту деструкционного максимума фиксировали на II стадии слияния дефектов поврежденности (рис. 3). Плотность микротрещин на данной стадии максимальна, размер микротрещин 10-14 мкм [2]. На указанной стадии величина фона ВТ падает, модуль упругости уменьшается на 38 % по сравнению с исходным. Это говорит о происходящих в материале релаксационных процессах снижения уровня напряжений за счет возникновения новых поверхностей — микротрещин.

При деформировании углеродистой стали Ст 3 выявили следующие стадии деградации и повреждаемости (рис. 3).

Рис. 3. Изменение высоты деструкционного максимума сплава Ев + 0,09%С на стадиях: микротекучести

М. Стадия микротекучести ((0,35-0,7) отах (в диапазоне деформации до 3 %). В конце стадии наблюдали появление на поверхности образцов неоднородной зоны пластической деформации со следами скольжения в

полосах деформации и множеством пор в них, а также регистрировали первые микротрещины размером 4-5 мкм по границам зерен в примыкающей к вершине надреза сильнодеформированной области пластической зоны [2].

Для области микротекучести, когда в процессе деформирования начинают формироваться зародыши полосы Чернова-Людерса, наблюдается резкий прирост плотности подвижных дислокаций. На указанном этапе течения изменение деформирующего напряжения, зависимое от размера структурного элемента стали, может быть связано с характеристиками деформационного упрочнения. Процесс деформации практически полностью пластический. Вся или подавляющая часть деформации обусловлена движением и размножение дислокаций.

Приведенное распространение течения будет иметь место до тех пор, пока плотности подвижных дислокаций достаточно для поддержания необходимого значения локальной скорости деформации и не возникнет другой зародыш полосы деформации при более благоприятных условиях. При распространении фронта полосы деформации неизбежное взаимодействие дислокаций с дефектами кристаллического строения способствует снижению плотности подвижных дислокаций, а истощение источников дислокаций компенсируется лишь в случае приложения повышенных значений результирующих напряжений [1].

В твердом растворе уменьшается концентрация атомов внедрения С и N в 3 раза (рис. 4). Они начинают закреплять подвижные дислокации. Растет энергия связи дислокаций с примесными атомами (ДЕсв ~ 4 • 10-19 Дж) (рис. 5). Величина номинальных (фон ВТ) и локализованных (высота деструкционного максимума микронапряжений растёт (Д^-1 = 8 • 10-4; ДЯгп =2,4 • 10-4). Увеличивается количество субмикронесплошностей. Модуль упругости снижается на 15%.

0,001 0,0009 0,0008 0,0007 _ 0,0006 У 0,0005 0,0004 0,0003

0,0002

0,0001 О

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Рис. 4. Зависимости концентраций азота (1) и углерода (2) в твердом растворе от степени предварительной деформации бинарного сплава

Ев + 0, 09% С

О

О 0,05 0,1 0,15 0,2

<р, отн. ед

Рис. 5. Зависимость энергии связи от степени предварительной деформации сплава Ев + 0,09% С

I. Стадия накопления дефектов

— это процесс накопления отдельных не взаимодействующих между собой микротрещин. Величина концентрационного критерия К, характеризующего среднее расстояние между дефектами, превышает его критическое значение, равное 3 (рис. 1, кривая К). Наиболее вероятный механизм диффузионного роста малых зародышевых трещин в чистых металлах - это накопление или присоединение к ним вакансий кристаллической решетки (трещина как сток для вакансий) [8].

На стадии I накопление изменений, отражающих пластическую компоненту макроскопической остаточной деформации твердого тела, резко снижается. При этом на механизм деформации значительное влияние начинает оказывать развитие нарушений сплошности и образование микротрещин. Этот этап определяется в основном деформацией пластико-деструкционного характера.

Рост количества подвижных дислокаций превалирует над процессом их блокировки примесными атомами. наблюдали слабое снижение плотности образца — начало его микроразрыхления (рис. 6).

II. Стадия слияния дефектов ((0,85-0,97) атах(е = 8... 13 %). Процесс слияния микротрещин, выходящий за границы зерна, становится превалирующим. Достигается баланс между увеличением плотности подвижных дислокаций и количеством атомов внедрения. В вершинах микротрещин происходит формирование заблокированных дислокационных групп, которые в дальнейшем становятся локализованными зонами концентрации внутренних напряжений (ДQm(1 = 34, 3 • 10-4). В этих зонах возникают субмикротрещины (рис. 7).

Между стадиями I и II наблюдали переходную область, имеющую признаки обеих стадий. Продолжается процесс генерации дефектов, слияние микротрещин при этом происходит внутри зерна [1]. В конце стадии они сливаются с макротрещинами. Величина фона ВТ падает на 20 % (рис. 7).

8,4

кд/эт3

7,6

7,2

6,8

6,4

N т т

ч Л Тт -

. Г\ I и р

\

ь2 \ V \ -

-

2,3

ЬЛ

1 дЮ6(с'1)2

1,5

1,1

10 15 £5% 20

Рис. 6. Относительное изменение плотности р и модуля упругости ] стали Ст 3 на различных стадиях накопления поврежденности

2

Рис. 7. Влияние предварительной деформации на фон ВТ (1) и высоту деструкционого максимума (2) сплава Ев + 0, 09% С

Модуль упругости уменьшается на 38 % по сравнению с исходным. Размер микротрещин 10-14 мкм [1].

III. Стадия локализованного разрушения ((0,97—1) =

= 13... 17 + 20 %). Величина локальных микроискажений (высота

деструкционного максимума) падает (рис. 3). Это связано с рассеянием энергии при образовании дополнительных поверхностей - макротрещин. Растущая энергии связи примесных атомов с дислокациями свидетельствует о всё более жесткой блокировке последних.

Деформация в подавляющей части деструкционная. Она локализуется в узкой области концентраций напряжений продвижения магистральной трещины, что приводит к окончательному разрушению [3].

Заключение. Полученные результаты хорошо согласуются с данными других исследователей [1-4]. Аналогичную стадийность изменения

параметров максимумов ВТ фиксировали при измерениях ТЗВТ образцов, подвергнутых коррозионному воздействию в ходе наводороживания [4]. Это позволяет говорить о схожих механизмах накопления поврежденности и позволяет использовать параметры деструкционного НЭ для прогнозирования поврежденности в малоуглеродистой стали вне зависимости от физической природы формирующих её процессов.

Список литературы

1. Вакуленко И.А., Раздобреев В.Г. О деформационном упрочнении малоуглеродистой стали в области микротекучести // Металлы. 2002. №2. С.100-102.

2. Жаркова Н.А., Ботвина Л.Р., Тютин М.Р. Стадийность накопления повреждений в низкоуглеродистой стали в условиях одноосного растяжения // Металлы. 2007. №3. С.64-71.

3. Сергеев Н.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: дис. ... докт. техн. наук. Самара. 1996. 463 с.

4. Левин Д.М., Чуканов А.Н., Муравлева Л.В. Исследование повреждаемости трубных сталей по эффектам неупругой релаксации // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. 1998. Т.3. Вып.3. С.315-318.

5. Чуканов А.Н. Физико-механические закономерности формирования предельного состояния и развития локального разрушения в металлических материалах: автореф. дис. ... докт. техн. наук. Тула. 2001. 39 с.

6. Чуканов А.Н., Яковенко А.А., Пуханова И.В. The complex analysis of substructural processes of degradation and destruction of metal on the basis of the internal friction’s data // DFM2006/Book of articles. Moscow: Interkontakt Nauka, 2006. Р.82-84.

7. Чуканов А.Н., Яковенко А.А. Развитие деградации и начальные стадии разрушения малоуглеродистой стали // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. Тамбов. 2010. Т.15. Вып.3. С.985-986.

Чуканов Александр Николаевич (alexchukanov@yandex.ru), д.т.н., профессор, кафедра физики, Тульский государственный университет.

Яковенко Александра Александровна (AlexYakovenk@gmail.com), аспирант, кафедра физики, Тульский государственный университет.

Dislocation dynamics on estimation of degradation and damage stages in plastically deformed low-carbon steels

A.N. Chukanov, A. A. Yakovenko

Abstract. On the basis of the complex analysis of the inelastic effects of internal friction (Snoek, Snoek-Kester, destruction effect) were evaluated the stages of

the development of the processes of degradation and accumulation of the damage of deformed low-carbon steels. Is proposed the description of the mechanisms, which control different stages of the processes indicated. Are revealed the basic factors, which stimulate characteristic changes in the substructure and evolution of the stages of defectiveness.

Keywords : low-carbon steels, deformation, degradation, damage, internal friction, anelastic effects, stages.

Chukanov Alexander (alexchukanov@yandex.ru), doctor of technical sciences, professor, department of physics, Tula State University.

Yakovenko Alexandra (AlexYakovenk@gmail.com), postgraduate student, department of physics, Tula State University.

Поступила 17.11.2011