УДК 669.14.018.29:539.4.015
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ И НИТРИДНЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ФАЗ НА КОНСТРУКЦИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРОКАТА ИЗ СТАЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
© Панфилова Людмила Михайловна, канд. техн. наук; Смирнов Леонид Андреевич, д-р техн. наук Институт металлургии УрО РАН; ОАО «Уральский институт металлов». Россия, г. Екатеринбург, e-mail: uim@ural.ru
Статья поступила 18.11.2014 г.
Рассмотрены структурные факторы и физические характеристики, определяющие конструкционную прочность высокопрочных микролегированных сталей.
Ключевые слова: микролегирование; конструкционная прочность; размер зерна; степень дисперсности; плотность; нитридная фаза; сопротивление микросколу; коэффициент вязкости.
Микролегирование ванадием и азотом конструкционных сталей позволяет достичь одновременного повышения прочности на 30—50%, пластичности и сопротивления хрупким разрушениям. Это объясняется совместным воздействием двух механизмов — дисперсионно-упрочняющего влияния наноразмер-ных нитридных частиц и измельчения зерна аустенита (мартенсита и бейнита) [1-5].
Относительно высокая растворимость У(С, Ы) и более низкая растворимость УЫ по сравнению с УС делают выбор ванадия как микролегирующего элемента предпочтительным для обеспечения надежного и легко контролируемого упрочнения. Азот становится важным микролегирующим элементом вследствие разной растворимости УЫ и УС в в анадийсо держащих сталях, поскольку он во многом определяет плотность и дисперсность наноразмерных частиц из-за значительного возрастания химической движущей силы для выделения фаз. В связи с тем, что в чистом феррите растворимость азота выше, чем углерода, весь азот в стали обычно растворяется в феррите до выделения У(С, Ы), в то время как лишь небольшая доля общего содержания углерода, определяемая равновесием аустенит/феррит или феррит/цементит, присутствует в равновесном виде в феррите. Вследствие этого точно дозированные добавки азота облегчают контроль дисперсионного упрочнения благодаря выделению нитридов ванадия. Увеличение содержания углерода в стали обеспечивает зарождение богатых углеродом карбонитридов У(С, Ы) лишь после того, как весь азот будет израсходован [2].
Оптимальным является введение в расплав стали, содержащей азот и ванадий, других нитридообразователей, таких как титан и/или алюминий в сотых долях процента («0,01%) или ниобий для обеспечения стойкого измельчения зерна в процессе деформации и уменьшения склонности к росту зерна аустенита при нагреве.
Уникальная особенность микролегированных ванадием и азотом сталей - одновременное повышение прочности и сопротивления хрупкому разрушению - дает широкую возможность использования таких сталей как конструкционного материала для объектов, работающих в условиях низких температур.
В перечне требований по свойствам сталей в хладостойком исполнении обычно оговариваются уровни ударной вязкости при -40 или -60 °С и температура хрупковязкого перехода, определяемая по ударным испытаниям образцов с надрезом. Но по этим параметрам далеко не всегда можно оценить фактическую надежность работы материала при низких температурах [6-10], особенно высокопрочных сталей.
Обычно используемая для оценки запаса вязкости стандартная характеристика ударной вязкости по испытаниям на ударный изгиб наряду с известными достоинствами обладает рядом недостатков, среди которых наиболее существенными являются: отсутствие ясного понимания физики использования величины работы разрушения, приходящейся на единицу площади полученного излома образца; отсутствие возможности установления физически обоснованного значения достаточного запаса вязкости и, наконец, невозможность использования значений ударной вязкости в качестве величины для расчетов прочности и надежности детали или конструкции на этапе их проектирования [10-13].
Надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструкци-
онной прочностью - комплексом механических свойств, коррелирующих с эксплуатационными условиями работы. Связанное с высокой прочностью уменьшение деформационной способности затрудняет снижение концентрации напряжений на острых переходах поперечного сечения, надрезах, трещинах, поэтому вязкость высокопрочных сталей должна оцениваться по критериям, отличающимся от используемых при оценке конструкционных сталей обычной прочности. Работа разрушения при ударных испытаниях, переходная температура хрупкости как критерии могут иметь ограниченное значение.
Несмотря на многообразие моделей вязкого разрушения, до сих пор ни одна из них не принята окончательно. Известно, что процесс хрупкого разрушения включает в себя две стадии: зарождение трещины и ее распространение. Механизм зарождения трещины обоснован пластической деформацией, т.е. движением и размножением дислокаций. Все известные дислокационные механизмы можно разделить на три группы. К первой группе относятся модели Зине-ра-Стро, Беллафа-Галмана, Орована-Стро, основанные на концентрации скоплений дислокаций в активных плоскостях скольжения; ко второй
- модели, связывающие возникновение микротрещин с образованием скоплений дислокаций в процессе развития пластической деформации и взаимодействием дислокаций, расположенных в пересекающихся системах скольжения (Кэлли, Тисон, Котрелл). В третью группу входят модели безбарьерных механизмов зарождения трещины
- объединения цепочек вакансий, образовавшихся при движении дислокаций, механизм зарождения трещин в результате перемещения дислокаций противоположных знаков (Кэрри и др.).
Развивая теорию первой модели, Ю.Я.Мешков и др. [10-16] ввели понятие микроскола - необходимой и инициирующей фазы процесса разрушения. По определению авторов [10, с. 33] «микроскол - это начальный этап роста зародышевой микротрещины в микрообластях кристалла, перехода ее в лавинный рост под действием растягивающего напряжения по механизму разрыва атомных связей без эффектов сопутствующей пластической деформации». Особо важная механическая характеристика материала - сопротивление микросколу (К ) (сопротивление хрупкому разрушению, т.е. структурная константа материала при хрупких разрушениях), от которой зависят основные показатели работы изделия, его конструкционная прочность. В численной
форме Кмс = 18й-1/2 (й - размер зерна). Установлена функциональная связь между Кмс, временным сопротивлением разрыву ав и относительным поперечным сужением ^ в виде зависимости Кмс = ав(1/(1 - ^2)). Являясь особой механической характеристикой стали, Кмс близко по смыслу и значению к характеристике, известной как сопротивление отрыву, обозначенное Г.В.Ужиком [17].
Классический способ определения величины Кмс состоит в проведении статического растяжения гладких цилиндрических образцов или образцов с надрезом (для высококачественных сталей) в температурной области вязкохрупкого перехода [10]. Установлена определяющая связь между микромеханизмами разрушения, структурой материала и макроскопическим силовым параметром - напряжением разрушения. Такой подход позволил решить проблему количественного анализа хрупкого разрушения конструкционных сталей с учетом конкретных параметров структуры.
С точки зрения физической теории разрушения стали необходимо обеспечивать наилучшее сочетание важнейших показателей механических свойств: предела текучести ат сопротивления микроскопу Кмс, коэффициента запаса вязкости Кв. Вязкость конструкционного материала определяется физически обоснованной количественной характеристикой - коэффициентом запаса вязкости (Кв), оказывающим решающее влияние на несущую способность элемента конструкции в условиях сложно-напряженного состояния, в том числе и в изделиях с концентраторами напряжения. Кв связан с сопротивлением микросколу: К = К /а [16], т.е. К - показатель способности
в мс т в
материала сопротивляться микросколу. Важны также предельная пластичность коэффициент деформационного упрочнения пг при е = 0,0020,02. Последний из перечисленных параметров очень важен, так как от него зависит характер перехода стали из вязкого состояния в хрупкое при снижении температуры испытания.
Доказательство влияния пг на вязкие свойства стали иллюстрируется данными [12], из которых следует, что коэффициент деформационного упрочнения пг классических хромоникелевых сталей после закалки и отпуска резко снижается до значений порядка 0,05 и ниже в области необратимой отпускной хрупкости.
Если показатель пь определяет характер температурной зависимости вязкости стали, то уровень вязкости при низких температурах определяется сопротивлением микросколу Кмс.
Физический смысл фундаментальной характеристики сопротивления микросколу, как механической микроскопической модели разрушения кристаллической решетки, по сути, это напряжение хрупкого разрушения при достижении предела текучести. Сопротивление микросколу зависит от структуры материала и, в первую очередь, от ее параметров, непосредственно определяющих параметры субмикротре-щины: размер зерна; внутризеренная субструктура; толщина пластины перлита или кристалла, мартенсита, бейнита; диаметр зерна и плотность фазы выделения.
Повышение запаса вязкости конструкционных высокопрочных сталей может быть достигнуто лишь при одновременном диспергировании как действительного зерна, так и упрочняющей фазы. Так, измельчение зерна в структуре материала приводит не к улучшению механических свойств, а даже к некоторому их ухудшению: сопротивление микросколу при этом останется неизменным, тогда как рост прочности приведет к уменьшению коэффициента запаса вязкости Кв. Поэтому единственный путь повышения вязкости стали - это измельчение структуры и выделяющейся фазы.
В случае мартенситной или бейнитной структуры каждое измельченное аустенитное зерно разбивается на несколько мартенситных/бей-нитных пакетов, представляющих собой монокристаллические области, играющие роль субзерна в процессе разрушения. Поскольку эти области в 2-10 раз меньше среднего размера бывшего аустенитного зерна, мартенситная или бейнитная структура обладает высоким уровнем сопротивления микросколу Ямс и потенциально большим запасом вязкости, т.е. сталь обладает хорошей вяз
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.