Развитие деградации и начальные стадии повреждаемости малоуглеродистой стали при деформировании

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 160-166

ФИЗИКА =

УДК 539.67:669

Развитие деградации и начальные стадии повреждаемости малоуглеродистой стали при деформировании

А.Н. Чуканов, А.А. Яковенко

Аннотация. На основе комплексного анализа неупругих эффектов внутреннего трения (Снука, Снука-Кестера, деструкционного эффекта) оценивали развитие деградации и накопление поврежден-ности 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.

Введение

Наблюдение зарождения и развития повреждаемости, изучение контролирующих эти процессы механизмов, а также возможное прогнозирование состояния материала на ранних этапах разрушения — важная задача физики прочности. Использование прямых методов наблюдения развития дефектов поврежденности для решения этой задачи осложнено их вероятностным характером и возможным изменением в процессе приготовления образцов. Визуализация таких дефектов типовыми средствами (металлография) требует их достаточной развитости. Микроскопические размеры несплошностей на начальных этапах роста делают практически невозможными их ультразвуковой контроль и фиксацию акустической эмиссии. Это диктует привлечение тонких структурно-чувствительных металлофизических методов для оценки уровня и локальной неоднородности распределения напряжений в зонах их концентрации.

Фиксируя изменение динамики дислокаций и энергетику релаксационных процессов их взаимодействия в указанных зонах, можно зондировать материал на предмет количества, критичности формы и размеров микронесплошно-стей. Методы, оценивающие изменение дислокационной динамики, в частности, метод внутреннего трения (ВТ) или механическая спектроскопия, дают новую качественную и количественную информацию об эволюции микроне-

сплошностей. Принципиальное преимущество механической спектроскопии в возможности фиксации ранних этапов деградации (естественного ухудшения свойств материала).

Вопрос о стадийности повреждаемости обсуждается довольно часто [1,4]. Однако, информация, полученная разными методами, не систематизирована. 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.

Теория. В ходе развития повреждаемости в деформируемых сталях на температурных зависимостях ВТ (ТЗВТ) в диапазоне -150... 500оС фиксируют следующие НЭ: максимум Снука, связанный с упорядочением под напряжением атомов внедрения (С, N) в а — Ее; максимум Снука-Кестера, обусловленный взаимодействием подвижных дислокаций, образованных в ходе предварительного деформирования, с примесными атомами; а также специфический деструкционный максимум, имеющий место в поврежденных образцах. Появление деструкционного максимума на ТЗВТ связано с изменением дислокационной динамики у структурных дефектов и дефектов поврежденности (микротрещин) [3-6].

Методика эксперимента

Измерение ВТ проводили на образцах (1 = 200 мм, I = 8 мм) стали марки Ст 3 и сплава Ее + 0, 09 % С (1 = 70 мм, I = 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 Ее + 0, 09 % С — обжатием при протяжке через фильеры. Анализировали информацию, полученную при низко- (обратный крутильный маятник, f ~ 1 с-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 500оС. 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 Ст3 при комнатной температуре фиксировали диаграммы деформации (ГОСТ 1497-84). Машинные диаграммы деформации перестраивали в условные диаграммы деформации.

Для каждой степени деформации определяли соответствующее напряжение

а, рассчитывали отношение а/атах.

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

Экспериментальные данные

На рис. 1 представлена типичная ТЗВТ образцов бинарного сплава Ее + + 0, 09 % С.

У\

Д с Д. * М /

# ^ 7 / /Ч NN ^

-¿А -V-

-150 -50 50 150 250 350 450

1,°С

Рис. 1. ТЗВТ деформированного на 17 % сплава Ее + 0,09 % С (/ = 1

Гц): 1-суммарная кривая, парциальные пики: деструкционный (Д), Снука

На ТЗВТ (рис. 1) в области отрицательных температур (—150... 0°С) наблюдали деструкционный максимум (Д), фиксируемый в температурном диапазоне, прогнозируемом моделью, описанной в работе [4]. В области температур выше комнатной фиксировали типичные для деформированных сплавов системы Ее — С неупругие эффекты - максимумы Снука (Сн) и Снука-Кестера (С-К).

При анализе использовали графики зависимостей высоты максимума ВТ от степени предварительной деформации (рис. 2), а также модельные представления о стадийности развития повреждаемости (рис. 3). Рассматривали влияние деформации на параметры ТЗВТ: фон ВТ (рис. 4), энергию связи дислокаций с примесными атомами (рис. 5), а также на относительное изменения модуля упругости (рис. 6).

Обсуждение 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 максимумов Снука, Снука-Кестера, а также по изменению фона ВТ, АЗВТ.

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

Рис. 2. Изменение высоты деструкционного максимума сплава Ев + 0, 09 % С от степени предварительной деформации

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

Отдельно отметили появление деструкционного максимума даже в неде-формированных образцах. Это связали с наличием технологической повре-жденности в калиброванных заготовках образцов.

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 указан-

ной 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.

22 ---------------------------------------------------------------

О 0,05 0,1 0,15 0,2

ф, отн.ед.

Рис. 4. Влияние предварительной деформации на фон ВТ сплава

Ее + 0,09 % С

О ---------------------------------

О 0,05 0,1 0,15 0,2

ф, отн. ед

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

Таким образом, совместный анализ параметров комплекса эффектов ВТ, а также физических свойств малоуглеродистых сталей позволил выявить следующие стадии развития деградации и поврежденности при деформировании:

1) Стадия микротекучести (в диапазоне деформации до 3 %) — в твердом растворе уменьшается концентрация атомов С и N в 3 раза. Атомы С, N закрепляют свободные дислокации; увеличивается энергия связи дислокаций с примесными атомами; увеличивается количество микронесплошностей (модуль упругости снижается на 15%, величина деструкционного максимума растёт).

2) Стадия I (е от 3 до 6^8 %) — процесс увеличения количества подвижных дислокаций превалирует над процессом блокировки их примесными атомами. В конце стадии наблюдается падение плотности — начинается микроразрыхление материала.

М I п III

\

0,35 0,7 0,85 0,97

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1

Р/Ртах

Рис. 6. Относительное изменение модуля упругости стали Ст 3 на различных стадиях накопления поврежденности

3) Стадия II (е от 8^10 % до 13 %) — достигается баланс между увеличением количества свободных дислокаций и количеством атомов внедрения. К концу стадии начинается формирование заблокированных групп дислокационных скоплений. Последние, в ходе силового воздействия, становятся зонами концентраций внутренних напряжений.

4) Стадия III (е от 13 % до 17^20 %) — растущая энергии связи дислокаций с примесными атомами свидетельствует о более жесткой их блокировке. Высота деструкционного максимума падает, что связано с рассеянием энергии за счет образования дополнительных поверхностей — микротрещин. Начинают развиваться макротрещины.

Заключение

Предложена стадийность развития деградации и накопления поврежден-ности в деформированном (одноосное растяжение) материале. Аналогичную стадийность изменения параметров максимумов ВТ фиксировали при измерениях ТЗВТ образцов, подвергнутых коррозионному воздействиюв ходе наводороживания [2]. 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. 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.

2. Сергеев Н.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: дис. ... д-ра техн. наук. Самара, 1996. 463 с.

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

4. Чуканов А.Н. Физико-механические закономерности формирования предельного состояния и развития локального разрушения в металлических материалах // Автореферат дис. ... д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 2001. 39 с.

5. 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.

6. Чуканов А.Н., Яковенко А.А. Анализ температурного спектра внутреннего трения для описания деградации и деструкции сталей // Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах (IIAPS XI): сб. тр. XI Межд. конф. / ТулГУ. Тула, 2008. С.90-96.

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.

Evolution of degradation and the earlier stages of damage in plastically deformed low-carbon steels

A.N. Chukanov, A.A. Yakovenko

Abstract. On the basis of the integrated analysis of anelastic effects of internal friction (Snoek, Snoek-Ke-Koster, decrtuction effect) was done an estimate of evolution of degradation and damage in low-carbon steels. It is offered some stages of the process in deformed (tension) material. The mechanisms of evolution of degradation and the earlier stages of damage were revealed.

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

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 15.10.2009