УДК 670.191.33
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ ИНДЕНТИРОВАНИЯ
© Марущак Павел Орестович1, д-р техн. наук; Окипный Игорь Богданович1, канд. техн. наук; Побережный Любомир Ярославович2, д-р техн. наук; Марущак Елена Владимировна1
1 Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя. Украина, Тернополь. E-mail: Maruschak.tu.edu@gmail.com
2 Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. Украина, Ивано-Франковск Статья поступила 13.02.2012 г.
Предложена физико-механическая интерпретация использования индентирования на различных масштабных структурных уровнях для оценки состояния теплоустойчивой стали 15Х2МФА(11) после высокотемпературного статического деформирования. Анализ полученных результатов проведен с использованием феноменологических гипотез, сформулированных с учетом известных закономерностей взаимосвязи данных измерения твердости и микротвердости со структурными параметрами материала. Экспериментально доказано, что чувствительность методов индентирования зависит от участия в процессе деформирования различных структурных уровней материала.
Ключевые слова: деформация; упрочнение; индентирование; твердость; теплоустойчивая сталь; микротвердость.
Индеитирование (вдавливание индентора) является одним из наиболее распространенных методов определения твердости конструкционных материалов. При этом значения твердости рассчитывают как отношение максимальной нагрузки к площади проекции восстановленного отпечатка. Твердость материала связана с рядом его механических и физических свойств, в том числе с плотностью дислокаций в малоугловых границах [1, 2]. В то же время известен ряд работ, в которых закономерности пластического деформирования материала при микроиндентиро-вании противоречили закономерностям теории пластичности [3, 4].
Это подтверждает необходимость учета масштабного фактора при исследовании материалов, а именно геометрического соотношения между размером отпечатка и размером зерна материала. Известно, что «крупные» отпечатки имеют значительный градиент деформации внедрения, что обусловлено дисперсией кинетики накопления дислокаций в различных структурных элементах материала, при этом граничные значения «усредняются» в рамках рассматриваемой площади. Микроиндентирование, наоборот, обусловливает локализацию накопления дислокаций в структурных составляющих материала [5].
Данные исследования основываются на результатах ряда предыдущих работ, в которых была выявлена корреляционная взаимосвязь между
твердостью (микротвердостью) и истинной деформацией материала, деформированного при высокой температуре [6, 7]. Кроме того, была установлена зависимость между плотностью дислокаций в малоугловых границах и твердостью (микротвердостью) ряда теплоустойчивых сталей. Хотя данные результаты позволяют оценивать структурное состояние материала по уровню микротвердости на инженерном уровне и являются попыткой сближения подходов теории дислокаций и механики деформируемого твердого тела, они требуют дальнейшего развития и обобщения.
В данной работе авторами предлагается использовать индентирование на нескольких масштабных уровнях для оценки кинетики упрочнения теплоустойчивой стали 15Х2МФА(11) после высокотемпературного деформирования. Проведение такого исследования является основой установления корреляционной связи твердости (микротвердости) с характеристиками прочности и трещиностойкости теплостойких сталей.
Материалы и методика исследований. В работе была исследована сталь 15Х2МФА(11), которая используется для изготовления корпусов £ атомных реакторов типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Химический состав, режимы термообработки и ^ механические характеристики стали приведены в табл. 1. ^
Цилиндрические образцы диам. 5 мм дефор- 5 мировали одноосным растяжением при темпера- г
Таблица 1. Химический состав, режим термообработки и механические свойства стали 15Х2МФА(11) [8]
Состав, % Термообработка ^0,2 8
МПа %
C 0,18; Mo 0,62; Si 0,27; V 0,29; Mn 0,48; Cr 2,58; Закалка от 1000 °C, 4 ч в масле; 900 1000 15,8 39,2
S 0,019; Ni 0,16; P 0,013; Ti 0,011 отпуск при 620 °C, 6 ч, воздух
турах 150 и 350 °С. Испытания проводили на сер-вогидравлической испытательной машине типа СТМ-100. Во время эксперимента записывали продольную деформацию образца и силу нагру-жения. Истинную текущую деформацию образца e определяли по формуле [7]
e = ln(1 + е), (1)
где е = (lk - l0)/l0, а l0 - исходная, lk - текущая длина образца.
С целью изучения влияния деформации на микротвердость стали 15Х2МФА(11) рассчитывали истинное поперечное сужение по формуле [7]
v~ = ln(F0/Fk), (2)
где F0, Fk - соответственно начальная и текущая площади поперечного сечения образца.
Исследовали твердость (микротвердость) стали 15Х2МФА(11) после высокотемпературного пластического деформирования при различных значениях Количественно упрочнение материала после пластического деформирования определяли по данным измерения твердости и микротвердости. Твердость измеряли на приборе Супер Роквелл при нагрузке на индентор 150 Н. Микротвердость исследовали с помощью прибора ПТМ-3 при нагрузке на индентор 1 Н и выдержке 15 с.
Взаимосвязь структуры и процессов упрочнения стали. В начале эксплуатации корпуса атомного реактора ВВЭР-440 его сталь имеет ферритно-бейнитную микроструктуру. После термической обработки [8], моделирующей радиационное охрупчивание материала, соответствующее середине срока эксплуатации корпуса атомного реактора, сталь 15Х2МФА(11) имеет бейнитно-мартенситное строение (рис. 1, а). Таким образом, увеличение твердости сталей вследствие деформационного упрочнения обусловлено преимущественно двумя факторами: образованием внутризеренной субструктуры, которая играет роль дополнительных барьеров, и увеличением разориентации границ структурных составляющих [2].
Мартенситные участки структуры представляют собой реечный дислокационный мартенсит. Параллельные рейки мартенсита образуют пакеты (рис. 1, б). Пластическое деформирование приводит к увеличению количества дислокаций в
Рис. 1. Бейнитно-мартенситная микроструктура стали 15Х2МФА(П)
материале, соответственно возрастает сопротивление их перемещению. Инженерную оценку процессов упрочнения можно выполнить методом измерения твердости (микротвердости), который также характеризует деформационные свойства материала. Данные по измерению твердости и микротвердости стали 15Х2МФА(11) после пластического деформирования при различных значениях истинного поперечного сужения образцов представлены на рис. 2. Увеличение пластической деформации вызывает интенсивное упрочнение материала, затем микротвердость стабилизируется и становится практически нечувствительной к дальнейшему деформированию (см. рис 2, а). Стабилизация микротвердости сопровождается ростом локальной неоднородности деформирования поверхностных слоев, что проявляется в формировании деформационного рельефа. Можно выделить три стадии развития деформационных процессов в материале:
- деформационное упрочнение (I) сопровождается интенсивной дислокационной перестройкой
а
б
300 280 ^ 260 240 220
120
и И А Г ^
/ 0 ill
Ф
0,5 1,0
i
1,5
100-1
0,4 0,8
1,2
Рис. 2. Зависимость микротвердости (а) и твердости (б) стали 15Х2МФА(11) от истинного поперечного сужения образца при температурах 150 (1, 3) и 350 °С (2, 4)
и накоплением дислокации на границах зерен и субзерен материала;
- для стадии II характерна стабилизация деформационного процесса с формированием пластических сдвигов в структуре материала, при этом возрастают плотность дислокаций и величина микроискажениИ кристаллической решетки материала, происходит локализация деформационных образований на поверхности образца;
- на стадии III происходит предразрушение - зарождение и слияние пор и структурных дефектов, что в дальнейшем сопровождается появлением макротрещины.
Полученные закономерности изменения твердости и микротвердости образцов, испытанных при температурах 150 и 350 °С, для различных значений поперечного сужения могут быть описаны единой зависимостью. Увеличение пластической деформации сопровождается ростом и твердости и микротвердости стали (см. рис. 2). Однако рост твердости довольно незначителен, а микротвердость является более чувствительной характеристикой деформационных изменений материала. Бейнитно-мартенситная микроструктура стали 15Х2МФА(П) способствует закреплению и препятствует перемещению дислокаций, сопровождаясь фрагментацией субзерен, уменьшением размера и увеличением разориентации структур-
ных блоков материала [9]. Данные факторы приводят к увеличению твердости структурных элементов и увеличению разориентации их границ [2, 6, 9]. Для исследованной стали 15Х2МФА(11) увеличение температуры испытаний приводит к смене закономерностей разрушения материала. Локализация процессов деформирования смещается с поверхности образца в его центральную часть (рис. 3, а, г), обусловливая переход от смешанного к внутризеренному микромеханизму разрушения по схеме «сдвиг + отрыв» (рис. 3, б, в, е).
Изменение ориентации макроплоскости разрушения обусловлено переходом от локализированного к многоочаговому разрушению. Кроме того, данные изменения могут быть связаны с влиянием температуры испытаний на анизотропию материала на макро- и микроуровнях. Плоскость излома материалов, исследованных при температурах 150 и 350 °С, перпендикулярна оси образца (рис. 3, а, г). Источник разрушения (концентратор напряжений) расположен на поверхности образца и имеет вид матового пятна, размер которого возрастает с увеличением температуры испытаний. На поверхности образцов сформирован деформационный рельеф в виде продольных полос. На рис. 3, д представлен фрагмент деформационного рельефа на боковой поверхности образца, на котором заметно, что неоднородность распределения деформаций наиболее активно проявляется во внешних слоях материала. Вокруг этих зон развивается макролокализация пластического течения, которая впоследствии приводит к разрушению материала [10].
На поверхности разрушения исследованных образцов (см. рис. 3,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.