Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
ВАК 05.02.2010 Сварка, родственные процессы и технологии
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 30.19 Механика деформируемого твердого тела
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрен механизм разрушения образцов Менаже из низколегированной стали 09Г2С со сварным соединением, подвергнутых закалке и равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 233 К. Показано, что разрушение сварных образцов, подвергнутых закалке и РКУП, в ЗТВ является вязким и характеризуется наличием ямочного микрорельефа так же, как и разрушение основного металла. А упрочненная посредством РКУП сварная сталь 09Г2С в результате ударного изгиба при 233 К в ЗТВ разрушилась квазихрупко, при этом характерно смешанное разрушение, выражающееся в чередовании хрупких и вязких участков.
сталь, сварное соединение, закалка, равноканальное угловое прессование, фрактография, механизм разрушения
Введение
Как известно, деформационная обработка соединений, состоящих из различающихся по химическому составу, структуре и физико-механическим свойствам материалов, вызывает определенные трудности. При этом затрудняется выбор оптимального режима обработки, направленной на сохранение целостности заготовки и в то же время на упрочнение материала соединения. Одним из таких соединений является неразъемное соединение, выполненное сваркой. Сварные соединения характеризуются химической неоднородностью структуры и различием в механических свойствах зон сварного соединения: основного металла, зоны термического влияния и металла шва. Различные зоны сварного соединения по-разному сопротивляются пластической деформации. При деформации сварного соединения может произойти разрушение по зоне термического влияния.
Используемые в настоящее время методы интенсивной пластической деформации позволяют упрочнять заготовки, которые имеют однородные по объему свойства [1-8]. Впервые возможность РКУП сварного соединения из низкоуглеродистой стали Ст3сп с К- и Х-образной разделкой кромок заготовок была представлена в [9]. В этой работе была исследована микроструктура в зонах сварного соединения и определены механические свойства сварного соединения до и после РКУП, а также после отжига и РКУП. Проведено исследование влияния термической обработки закалкой и РКУП на низкотемпературную ударную вязкость различных зон сварного соединения в образцах из низколегированной стали 09Г2С [10].
Целью работы является исследование механизма разрушения сварного соединения из низколегированной стали 09Г2С с К-образной разделкой кромок заготовок по зоне термического влияния (ЗТВ) после РКУП и закалки + РКУП.
Материал и методика исследований
Химический состав исследуемой стали 09Г2С в %: 0,12 C; 0,5-0,8 Si; 0,3 Cr; 1,3-1,7 Mn; 0,3 Ni; 0,3 Cu, а остальное Fe. Химический анализ проведен на атомно-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master» фирмы «Worldwide Analytical Systems AG (WAS AG)».
Цилиндрические заготовки из стали 09Г2С со сварным соединением К-образной разделкой швов были подвергнуты РКУП и закалке + РКУП. Электродуговая сварка заготовок выполнялась в нижнем положении электродами «УОНИ-13/45» Æ3 мм с помощью сварочного аппарата «Дуга-318М1». Сварочный ток составлял 150 А [10].
Ударному изгибу подвергались образцы в К-образной разделкой с выполнением U-образного надреза в ЗТВ (а - РКУП, С, n=2, Т=823 К; б - закалка в воде от 1203 К и РКУП, С, n=2, Т=823 К) [10]. РКУП по маршруту С представляет собой прессование объемных заготовок в пересекающихся под углом 120° каналах с поворотом заготовки относительно её продольной оси перед каждым последующим циклом прессования на угол 180°. РКУП объемных заготовок размером Æ20´100 мм со сварными швами в n=2 прохода при температуре 823 К осуществлялось с помощью гидравлического пресса ПСУ-125 с максимальным усилием 1250 кН.
Надрезы Менаже были выполнены в образцах из основного материала и в ЗТВ образцов со сварным швом с центром на расстоянии 1,5 мм от края сварного шва [10]. Испытания образцов Менаже на ударную вязкость проведены на копре Amsler RKP-450 (Zwick, Германия) при температуре 233 К.
Фрактографические исследования изломов образцов выполняли на сканирующем электронном микроскопе HITACHI TM3030 (Япония) в режиме вторичных электронов.
Результаты исследований и их обсуждение
Если ударная вязкость основного металла 09Г2С составляет KCU=2,37 МДж×м-2, то с выполнением U-образного надреза в ЗТВ KCU в случае РКУП снижается примерно в 2,5 раза (0,93 МДж×м-2), а после закалки и РКУП KCU (2,01 МДж×м-2) повышается примерно в 2 раза по сравнению со случаем РКУП [10].
Макрорельеф разрушения при ударном нагружении образцов с U-образным надрезом из стали 09Г2С в состоянии поставки при 293 К показывает наличие матовой зоны в вершине надреза и практически на всем протяжении излома с выраженной рельефностью и значительной утяжки по толщине образца (рис. 1а), свидетельствующих о вязком характере зарождения трещины и высоком значении работы удара, затраченной на зарождение и развитие трещины [10]. Если в изломах образцов в ЗТВ для стали 09Г2С, подвергнутой РКУП, присутствуют хрупкие составляющие (рис. 1б), то поверхность разрушения в случае закалки и РКУП светлая, матовая с выраженной рельефностью (рис. 1в). Такая рельефность и наличие значительной утяжки по толщине образца в устье надреза и губ среза свидетельствуют о вязком характере зарождения трещины и высоком значении работы удара, затраченной на зарождение трещины. Область нестабильного хрупкого разрушения для образца с К-образным сварным швом и надрезом в ЗТВ, подвергнутого РКУП, занимает практически всю поверхность разрушения образца за исключением небольшой зоны в вершине надреза, соответствующей этапу зарождения и развития вязкой трещины – области докритического стабильного роста трещины (рис. 1б) [10].
Микрофрактография микрорельефа изломов образцов показала следующее.
|
а) б) в) |
|
|
 |
Рис. 1. Общий вид разрушенных при 233 К образцов Менаже из стали 09Г2С с надрезом:
а - в основном металле; б - в ЗТВ после РКУП; в - в ЗТВ после закалки и РКУП
образцов с К-образным сварным швом
Разрушение образцов из стали 09Г2С при 233 К. В ранних работах было показано, что закалка и РКУП существенно повышают прочность стали 09Г2С [11]. В то же время, термическая обработка в виде закалки перед РКУП значительно (в 2 с лишним раза) повышает ударную вязкость KCU по сравнению с состоянием после РКУП, но примерно в 1,2 раза ниже, чем для исходного материала [10].
Вязкое разрушение стали 09Г2С при 233 К произошло в результате протекания различных стадий – зарождения, роста и объединения пор внутри образца. Разрушение имеет волокнистый излом, микро-строение которого имеет ямочный характер, состоит из соответствующих вязкому разрушению деталей, как ямки и микро-ямки (рис. 2а). Если ямки достигают размера примерно 10 мкм, то микро-ямки порядка 200 нм. Микроямки, в основном, расположены во впадинах, разделяющих ямки, и частично на тройных стыках гребней.
|
|
а) б) в)
Рис. 2. Микрорельефы изломов (разрушения) образцов:
а - образца из стали 09Г2С в состоянии поставки; б - сварного образца из 09Г2С,
подвергнутого РКУП (С, n=2, Т=823 К), в ЗТВ; в - сварного образца из 09Г2С после
закалки (в воде от 1203 К) и РКУП (С, n=2, Т=823 К) в ЗТВ,
подвергнутых ударному изгибу при 233 К
Разрушение сварных образцов из стали 09Г2С в состоянии после РКУП (С, n=2, Т=823 К) при 233 К. С упрочнением и измельчением зерен разрушение стали в ЗТВ носит квазихрупкий характер, наблюдаются фасетки квазимикроскола, микротрещины и микроямки (рис. 2б). При температуре испытания 233 К превалируют фасетки квазискола, доля вязкого разрушения снизилась настолько, что ямки исчезли, остались только микроямки. В данном случае наблюдается смешанное разрушение, выражающееся в чередовании хрупких и вязких участков, что характерно для разрушения сталей с ферритно-перлитной структурой [12].
Разрушение сварных образцов из стали 09Г2С в состоянии после закалки (в воде от 1203 К) и РКУП (С, n=2, Т=823 К) при 233 К. Применение закалки перед РКУП повысило вязкость сварного соединения, разрушение в ЗТВ произошло по вязкому механизму с ямочным микрорельефом (рис. 2в). Ямки в среднем имеют размеры 10-30 мкм, а микроямки - порядка 150 нм. По сравнению с разрушением основного металла количество микроямок в ЗТВ сварного образца, подвергнутого закалке и РКУП, значительно больше, что связано с измельчением зерен. На дне некоторых ямок присутствуют микрочастицы вытянутой формы.
Выводы
Фрактографические исследования изломов образцов Менаже из стали 09Г2С при ударном изгибе при 233 К показали, что разрушение сварных образцов, подвергнутых закалке и РКУП, в ЗТВ является вязким и характеризуется наличием ямочного микрорельефа так же, как и разрушение основного металла.
Упрочненная посредством РКУП (С, n=2, Т=823 К) сварная сталь 09Г2С в результате ударного изгиба при 233 К в ЗТВ разрушилась квазихрупко, при этом наблюдаются фасетки квазимикроскола, микротрещины и микроямки. Для данного случая характерно смешанное разрушение, выражающееся в чередовании хрупких и вязких участков.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологий для управления механическими свойствами и хладостойкостью конструкционных сталей, в том числе со сварным швом.
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007. 398 с.
2. Zhu, Y.T., Jiang H., Huang J. ets. A new route to bulk nanostructured metals // Metallurgical and Materials Transactions A. 2001. V. 32. N. 6. Pp. 1559-1562. DOI: https://doi.org/10.1007/s11661-001-0245-0.
3. Сэстри Ш.М.Л., Добаткин С.В., Сидорова С.В. Формирование субмикрокристаллической структуры в стали 10Г2ФТ при холодном равноканальном угловом прессовании и последующем нагреве // Металлы. 2004. № 2. С. 28-35.
4. Лотков А.И., Гришков В.Н., Дударев Е.Ф. [и др.]. Формирование ультрамелкозернистого состояния, мартенситные превращения и неупругие свойства никелида титана после «abc»-прессования // Вопросы материаловедения. 2008. № 1(53). С. 161-165.
5. Stolyarov V.V. Features of deformation behavior at rolling and tension under current in TiNi alloy // Reviews on Advanced Materials Science. 2010. V. 25. N. 2. Pp. 194-202.
6. Li L., Virta J. Ultrahigh strength steel wires processed by severe plastic deformation for ultrafine grained microstructure // Materials Science and Technology. 2011. V. 27. N. 5. Pp. 845-862. DOI:https://doi.org/10.1179/026708310X12677993662087.
7. Maier G.G., Astafurova E.G., Maier H.J., etc. Annealing behavior of ultrafine grained structure in low-carbon steel produced by equal channel angular pressing // Materials Science and Engineering A. 2013. V. 581. N. 1. Pp. 104-107.
8. Ivanov A.M. Strengthening of Low-Alloy Steel by Extrusion, Helical Pressing, and Equal-Channel Angular Pressing // Russian Engineering Research. 2017. V. 37. N. 5. Pp. 420-423. DOI:https://doi.org/10.3103/S1068798X17050124.
9. Ivanov A.M., Soshnikova E.P., Argunova A.A., etc Microstructure and Strength of Welded Joints of Steel after Equal-Channel Angular Pressing // Materials Science Forum. Nanomaterials by Severe Plastic Deformation: NanoSPD5, Trans Tech Publications Ltd, Switzerland. V. 667669. 2011. Pp. 921-924.
10. Иванов А.М. Ударная вязкость сварного образца из низколегированной стали 09Г2С после термообработки и равноканального углового прессования // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. №12. С. 65-68.
11. Лукин Е.С., Иванов А.М. Малоцикловая усталость стали 09Г2С, упрочненной методом интенсивной пластической деформации // Фундаментальные исследования. 2015. №11 (ч. 1). С. 92-95.
12. Ботвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности // М.: Наука, 2008. 334 с.
