Кинетика полосовых мезоскопических структур и разрушение поликристаллов аустенитной хромоникелевой стали с протяженными макроконцентраторами напряжений

Кинетика полосовых мезоскопических структур и разрушение поликристаллов аустенитной хромоникелевой стали с протяженными макроконцентраторами напряжений

B.C. Плешанов, В.Е. Панин, С.А. Кобзева

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

Изучены закономерности локализации деформации и формирования мезо- и макрополосовых структур в поликристаллах аустенитной стали 08Х18Н12Т с протяженными макроконцентраторами напряжений (сварными швами) в условиях статического растяжения. Установлено, что тип полосовых структур, формирующихся в области основного металла, коррелирует со степенью локализации деформации в зоне термического влияния. Показано, что характер разрушения поликристаллов зависит от степени развития и характера самосогласования аккомодационных процессов деформации в области разрушения и определяется соотношением интенсивностей пластического течения в локализованных макрополосах в зонах термического влияния слева и справа от шва.

1. Введение

Экспериментальные исследования, проводимые в последнее время в рамках методологии физической ме-зомеханики материалов, показали, что при нагружении гетерогенных материалов (материалов с покрытиями, сварными швами) на внутренних границах раздела возникают осциллирующие концентраторы напряжений [14]. Их релаксация, как правило, происходит путем зарождения и развития квазипериодических деформационных мезополос.

В работе [4] описаны закономерности пластической деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали с протяженными макроконцентраторами напряжений (сварными швами) в условиях статического растяжения. Особенностью сварных соединений низкоуглеродистой стали является наличие градиентной переходной зоны с монотонным ростом механических характеристик от основного металла к шву, что при нагружении обусловливает незначительную локализацию деформации в зоне термического влияния. При растяжении таких поликристаллов на границе раздела «зона термического влияния -основной металл» зарождаются и распространяются в область основного металла квазипериодические мезопо-лосы локализованной деформации, эволюция которых определяет механизм пластического течения поликристаллов на мезомасштабном уровне.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование закономерностей деформации и раз-

рушения поликристаллов с протяженными макроконцентраторами напряжений (сварными швами) в случае, когда материал в зоне термического влияния разупроч-нен. Разупрочнение в зоне термического влияния позволяет декорировать границы раздела «основной металл - зона термического влияния - шов» и обеспечивает сильную локализацию деформации в материале зоны термического влияния. При нагружении таких поликристаллов вскрываются совершенно новые механизмы деформации и разрушения.

2. Материал и методика исследований

В качестве материала для исследований использовали листовой прокат аустенитной стали 08Х18Н12Т толщиной 1 мм, подвергнутый импульсно-дуговой сварке в среде аргона и электронно-лучевой сварке. Схема образца для испытаний на растяжение, вырезанного электроэрозионным способом, представлена на

Рис. 1. Схема образца с протяженным макроконцентратором напряжений (сварным швом). Все размеры даны в мм

© Плешанов B.C., Панин B.E., Кобзева C.A., 2002

рис. 1. Поверхность образцов предварительно механически полировали. Для аттестации и анализа количественных характеристик полос локализованной деформации, формирующихся при растяжении, использовали автоматизированный оптико-телевизионный измерительный комплекс TOMSC, позволяющий получать и обрабатывать картины полей векторов смещений на поверхности деформируемых образцов. Количественно распределение деформации в области формирования мезополосовых структур оценивали по значениям главного пластического сдвига Ymax, которые вычисляли по формуле [5]

Ymax =д/(еXX -еyy)2 + 4е^ .

где е xx, е , е — продольная, поперечная и сдвиговая компоненты тензора пластической деформации соответственно.

Анализ микроструктуры в областях «шов - зона термического влияния - основной металл» проводили на металлографическом микроскопе NEOPHOT после химического травления реактивом по Villela [6]. Микротвердость измеряли на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Рис. 2. Металлографическая структура сварного соединения стали (дезориентированная структура), х 500; б — направленные дендриты і основной металл, х 800

Механические характеристики (предел прочности aB, предел текучести а02, относительное удлинение е) рассчитывали на основе диаграмм растяжения, полученных на установке Schenck Sinus-100.40 при скорости растяжения 0.05 мм/мин.

3. Результаты исследований и их обсуждение

При сварке аустенитной хромоникелевой стали 08Х18Н12Т расплавленный металл шва кристаллизуется с образованием дендритной структуры. Шов имеет направленную, а в центре — дезориентированную структуру (рис. 2, а, б). Межкристаллитные прослойки заполнены фрагментами первичного S-феррита, залегающими в межосных пространствах и по границам кристаллитов. Количество S-феррита, оцененное по диаграмме Шеффлера, не превышает 10 %.

В соответствии с характером структурных превращений изменяются механические свойства сварных соединений. Заметное снижение твердости в зоне термического влияния (рис. 3, а) связано с укрупнением зерен аустенита (рис. 2, в) и растворением упрочняющих фаз. В структуре электронно-лучевого шва сохраняются те

08Х18Н12Т, выполненного аргонодуговой сваркой: а — центр шва !ва, х 500; в — переход от шва к зоне термического влияния, х 500; г —

а, МПа

Рис. 3. Механические свойства сварных соединений стали 08Х18Н12Т: распределение микротвердости поперек сварного шва (а); зависимости напряжения течения о и коэффициента деформационного упрочнения 0 от относительного удлинения 8 (б): 1 — образцы без шва, 2 — с электронно-лучевым швом, 3 — с аргонодуговым швом; ОМ — основной металл; ЗТВ — зона термического влияния

же закономерности, однако по сравнению с аргонодуговым швом структура более мелкодисперсная. Кроме того, электронно-лучевое сварное соединение характеризуется меньшей шириной шва и зоны термического влияния и меньшим разупрочнением этих областей (рис. 3, а).

Испытания на одноосное статическое растяжение показали, что разупрочнение материала в области шва и в зоне термического влияния оказывает негативное влияние на механические свойства поликристаллов, снижая значения о02, ов и 8 (рис. 3, б). При нагружении сварных соединений аустенитной стали поперечная область переплава является протяженным крупномасштабным концентратором напряжений, который формирует в образце неоднородное напряженное состояние и определяет развитие на мезоуровне сильно неоднородной пластической деформации. При относительно малых степенях общей деформации значительная локали-

зация ее наблюдается в области шва и зоне термического влияния.

При деформировании поликристаллов с аргонодуговым швом большая ширина разупрочненной зоны термического влияния (~1мм) при 0.3 % < 8 < 2 % обусловливает локализацию в ней значительной пластической деформации с выраженными зигзагообразными мезопо-лосами (рис. 4, а). Распространение полос в зоне термического влияния в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений инициирует воздействие на деформируемый образец изгибающих моментов, которые генерируют в области основного металла серию аккомодационных мезоконцентраторов напряжений. Релаксация последних приводит к формированию в образце, начиная от области захватов на головках образца, мезополосовых структур в виде совокупности изолированных полос локализованной пластичес-

Рис. 4. Распространение зигзагообразных локализованных мезополос в зоне термического влияния: а — аргонодуговое сварное соединение; б — электронно-лучевое сварное соединение; 8 ~ 1 %. х 110

Y, ММ Ymax-104

0.4-

о.з-

0.2-

0.1 -

0.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 X, мм

Рис. 5. Формирование двух локализованных мезополос в области основного металла аргонодугового сварного соединения: а — оптическое изображение, 8 = 5 %, х 110; б — соответствующее поле векторов смещений, Д8 = 1.3 %; в—распределение значений главного пластического сдвига у тх

кой деформации по типу «бегающей шейки», ориентированных под углом -90° к оси растяжения (рис. 5, а). Мезополосы эстафетно распространяются от концов рабочей части образца к его центру и имеют аккомода-

ционную природу. Формирование полос происходит по схеме локализованной шейки, что наглядно демонстрирует поле векторов смещений (рис. 5, б), и характеризуется максимальными значениями главного пластического сдвига (рис. 5, в). Развитие мезополос деформации в зоне термического влияния и аккомодационных полос в основном металле обусловливает периодический изгиб образца относительно оси растяжения в противоположных направлениях. Это позволяет говорить об автоколебательном характере деформации сварного соединения аналогично [7].

Релаксация напряжений при формировании мезопо-лосовой структуры в поликристаллах с поперечным аргонодуговым швом проявляется на диаграмме растяжения в виде более низкого коэффициента деформационного упрочнения 0 = ё а/ ё 8 (до значений 8 - 15 %) по сравнению с поликристаллами без сварного шва (рис. 3, б).

В поликристаллах с электронно-лучевым сварным швом ширина зоны термического влияния невелика (-0.5 мм) и материал в этой зоне испытывает меньшее разупрочнение. При нагружении сварного соединения в диапазоне 0.3 % < 8 < 2.5 % в зоне термического влияния также происходит распространение зигзагообразных мезополос (рис. 4, б). Однако по своему масштабу они существенно меньше по сравнению с аналогичными полосами в аргонодуговом сварном соединении. Формирование данных зигзагообразных полос сопровождается возникновением в поликристалле более слабых изгибающих моментов. Как следствие, в области основного металла формируется аккомодационная полосовая структура как в виде совокупности локализованных мезополос, ориентированных преимущественно в направлениях максимальных касательных напряжений, так и мезополос локализованной деформации под углом - 90 ° к оси растяжения (рис. 6, а). Формирование полос под углом, близким к направлению максимальных касательных напряжений, происходит в результате сдвига одной части поликристалла относительно другой, а нормальных к оси растяжения полос — по схеме локализованной шейки. Это проявляется на полях векторов смещений в виде характерных градиентов деформаций (рис. 6, б). Эволюция мезополосовой структуры влечет диссипацию упругой энергии в нагруженном поликристалле и обусловливает при 8 < 12 % меньшее значение коэффициента деформационного упрочнения в образцах с электронно-лучевым сварным швом по сравнению с образцами без него (см. рис. 3, б).

Рассчитанные в работе значения главного пластического сдвига утах, соответствующие формированию мезополосовой структуры в области основного металла электронно-лучевого сварного соединения, в 1.5-2 раза ниже по сравнению со значениями утах, соответствующими мезополосовой структуре аргонодугового сварно-

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 X, мм

Рис. 6. Формирование мезополосовой структуры в области основного металла электронно-лучевого сварного соединения: а — оптическое изображение, 8 = 7.5 %, х 110; б — соответствующее поле векторов смещений, Д8 = 1.3 %; в — распределение значений главного пластического сдвига у тах

го соединения (см. рис. 5, в и 6, в). Это обусловлено различием мощности действующих на образец изгибающих моментов и соответственно разной интенсивностью пластической деформации в мезополосах.

Утах-Ю3

Рис. 7. Распределение значений главного пластического сдвига у ^ах в зоне термического влияния для различных величин деформации 8. Значения утах рассчитаны по сечению, обозначенному на схеме пунктирной линией

В условиях непрерывного статического растяжения при 8 ~ 14 -15 % мезополосовые структуры распространяются на всю область основного металла поликристалла со сварным швом, и этот механизм аккомодации себя исчерпывает. Образец приобретает «бамбуковую» структуру, которая при последующем нагружении сохраняет свою формоустойчивость. Как следствие, в образце геометрически четко формируются три зоны развития пластического течения. Центральная часть «зона термического влияния - шов - зона термического влияния» деформируется как автономный структурный элемент, в котором локализация деформации в двух зонах термического влияния самосогласуется. Боковые части образца с «бамбуковой» структурой испытывают квази-однородную деформацию. В интервале деформаций 15 % < 8 < 30 % самосогласование локализации деформации в двух зонах термического влияния обеспечивает пластическое течение образца с непрерывным возрастанием кривой а-8 (рис. 3, б). При дальнейшем нагружении самосогласование деформации в двух зонах термического влияния нарушается, что обусловливает разрушение образца. Механизм разрушения поликристал-

Рис. 8. Фрагмент макрополосы в зоне термического влияния аргонодугового сварного соединения; 8 = 29 %. х 110

лов определяется формированием и эволюцией в двух зонах термического влияния сопряженных макрополос.

В поликристалле с аргонодуговым сварным швом при 8 - 29-30 % в зоне термического влияния 1 через все сечение образца формируется макрополоса сдвига 1

(рис. 7, а). В образце при этом возникает поворотный момент, который аккомодируется формированием сопряженной полосы 2 в зоне термического влияния 2 (рис. 7, а, 8). Если на стадии формирования полосы 2

выпОлняется условие: у^тах = У^ , где Уьпах — значение главного пластического сдвига, рассчитанное для момента формирования макрополосы сдвига в зоне термического влияния 1, а у 2тах — соответствующее значение при формировании макрополосы сдвига в зоне термического влияния 2, то при последующем нагружении деформация начинает быстро нарастать в макрополосе 2 и разрушение происходит вдоль полосы 2 по механизму встречного сдвига двух частей поликристалла (рис. 9, а, б).

Когда при возникновении полосы 2 с самого начала выполняется условие уртах >у ртах (рис. 7, б), в зоне термического влияния 2 происходит формирование еще одной аккомодационной сопряженной макрополосы 3. Последующее разрушение в зоне термического влияния 2 происходит по нормали к оси растяжения, чему предшествуют эволюция макрополос 2 и 3 и образование локализованной «шейки» (рис. 9, в, г). Представленные на рис. 9 результаты свидетельствуют о том, что харак-

Рис. 9. Поля векторов смещений (размер наблюдаемого участка 1.7х1.3 мм2) (а, в) и соответствующий характер разрушения сварных соединений (б, г). х 20

Рис. 10. Начало трещины в зоне термического влияния (внизу край образца); 8 = 32.5 %. х 300

тер разрушения образцов со сварным соединением зависит от характера самосогласования аккомодационных процессов пластического течения в двух разупрочнен-ных зонах термического влияния.

Анализ траектории излома поликристаллов со сварными швами показал, что трещина зарождается по элементам зигзагообразной мезополосовой структуры в зоне термического влияния, характеризующимся максимальными значениями главного пластического сдвига (рис. 10). Это, возможно, связано с усталостным характером нагружения поликристаллов вследствие автоколебательного процесса деформации. При дальнейшем развитии трещина распространяется по одной из траекторий, представленных на рис. 9, б, г.

Наблюдаются случаи, когда самосогласование деформации в двух зонах термического влияния не нарушается при 8 > 30 % вплоть до зарождения несплош-ностей. В этих условиях развитие трещин в обеих зонах происходит по механизму фазовой волны. При этом структурный элемент «зона термического влияния -шов - зона термического влияния» проявляет себя как автономный элемент разрушения (рис. 11).

4. Заключение

Мезомасштабный механизм пластической деформации и разрушения поликристаллов аустенитной стали с протяженными макроконцентраторами напряжений (сварными швами) связан с формированием и эволюцией мезо- и макрополосовых структур в зонах термического влияния и в области основного металла.

В зависимости от характера локализации пластического течения в зоне термического влияния мезополосо-вые структуры в области основного металла представляют собой либо систему нормальных к оси растяжения

Рис. 11. Синхронное развитие трещин в обеих зонах термического

ВЛИЯНИЯ. X 10

мезополос, либо совокупность нормальных мезополос и мезополос по направлениям максимальных касательных напряжений.

Разрушение поликристаллов происходит в зоне термического влияния в условиях самоорганизации сопряженных макрополос локализованной деформации. Характер разрушения (срез или отрыв) определяется соотношением интенсивностей пластического течения в макрополосах, локализованных в зонах термического влияния слева и справа от шва, самосогласующихся по схеме фазовой волны.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 00-15-96174).

Литература

1. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твер-

дых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.

2. Панин С.В., Коваль А.В., Почивалов Ю.И. Особенности разрушения

образцов малоуглеродистой стали с боридными слоями различной толщины при одноосном статическом растяжении // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 4. - С. 85-95.

3. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // Физика металлов и металловедение. - 1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.

4. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кобзева С.А., Лебедева Н.А. Мезо-масштабный механизм локализации деформации при растяжении поликристаллов низкоуглеродистой стали с линейными концентраторами напряжений // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. -С. 95-104.

5. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Эволю-

ция мезоструктуры и кинетика накопления усталостных повреждений в сварных соединениях конструкционной стали в условиях, близких к плоскому напряженному состоянию // Физ. мезомех. -2001. - Т. 4. - № 6. - С. 105-117.

6. Хорн Ф. Атлас структур сварных соединений. - М.: Металлургия,

1977. - 288 с.

7. Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Шмаудер 3., Стороженко И.В. Эффекты

локализации деформации в композитах на основе Al203 // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 35-47.