ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2011, том 112, № 3, с. 320-327
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.53:539.422.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЯХ МЕТОДОМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ПОДТРАВЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗЛОМОВ © 2011 г. Е. Ю. Киреева, В. И. Изотов
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт им. И.П. Бардина", 105005 Москва, ул. 2-ая Бауманская, д. 9/23 Поступила в редакцию 21.12.2010 г.; в окончательном варианте — 15.02.2011 г.
Представлены методика и результаты изучения методом РЭМ подтравленных поверхностей разрушения образцов углеродистой стали в структурных состояниях с большой долей карбида: перлита, бейнита и отпущенного мартенсита. Методика позволила выявить непосредственно на фасетках хрупкого транскристаллитного и интеркристаллитного излома элементы микро- и тонкой структуры, претерпевшие разрушение.
Ключевые слова: углеродистая сталь, хрупкие изломы, травление, фрактография.
ВВЕДЕНИЕ
Ранее авторами была разработана и опробована методика изучения особенностей разрушения перлитной стали типа 65Г посредством растровой электронной микроскопии (РЭМ) подтравленных изломов [1]. Подтравливание изломов, аналогично металлографическому травлению плоских шлифов, обнажает цементитную составляющую структуры стали и, таким образом, позволяет визуализировать ее на снимках РЭМ. Указанным способом можно не только оценивать размер и строение перлитных колоний и их связь с размером и формой элементов рельефа на поверхности излома, но и получать информацию о деформации и разрушении пластин цементита непосредственно в месте прохождения трещины.
В работе [1] исследовали поверхности разрушения стали с грубопластинчатым перлитом и было высказано предположение, что разработанная методика будет особенно полезна для исследования изломов стали со структурой тонкопластинчатого перлита, а также для изучения особенностей разрушения углеродистой стали со структурами других типов (мартенситной, бейнитной).
Ниже представлены результаты исследования методом РЭМ подтравленной поверхности разрушения углеродистой стали в указанных структурных состояниях.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Из промышленной стали базового состава: С = = 0.65-0.75%, Мп = 0.8-1.2% были изготовлены образцы на изгиб (типа КСИ) и термически обработаны для получения необходимой структуры. После аустенитизации при 860°С, 1 ч и изотермического превращения при 535°С, 10 мин структуру тонкопластинчатого перлита; превращение при 440°С обеспечивало образцы со структурой верхнего бей-нита, а при 330°С - нижнего бейнита. Мартенсит-ную структуру получали закалкой образцов в воде или масле, которые затем отпускали при 330°С, 2 ч, чтобы выделить карбиды (цементит).
Разрушение образцов типа КСИ осуществляли при статическом и динамическом (ударном) изгибе. При статическом изгибе образцов с перлитной структурой поверхность разрушения имеет изломы двух типов: вязкие под надрезом и хрупкие на большей части излома [2]. При ударном изгибе образцов поверхность разрушения приобретала хрупкий излом.
Подтравливание изломов проводили в 3%-ном нитале. Поскольку время травления не превышало нескольких секунд, а выявляемые микроструктуры имели гораздо более тонкую морфологию, чем гру-бопластинчатый перлит [1], были внесены некоторые изменения в ход процесса травления. Для более четкого выявления микроструктуры на поверхности изломов необходимо обеспечить лучшую смачиваемость и объемное проникновение реактива во все неровности излома. Этого достигали предвари-
Рис. 1. Колонии тонкопланстинчатого перлита в стали 65Г, изотермическое превращение при 535°С. Снимок РЭМ со шлифа.
тельным замачиванием образцов в чистом этиловом спирте на ~30 мин.
Структуру образцов методом РЭМ исследовали не только на поверхности подтравленных изломов, но также на полированных и протравленных шлифах, изготовленных из разрушенных образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Особенности разрушения стали со структурой тонкопластинчатого перлита. Тонкопластинчатый перлит характеризуется величиной межпластинчатого расстояния ~0.1 мкм и менее [2, 3]. На травленных металлографических шлифах при наблюдении в световом микроскопе отдельные составляющие тонкого перлита не разрешаются. При съемке шлифа методом РЭМ при увеличениях до х 10.000 разрешаются цементитные пластинки и ферритные промежутки в перлитных колониях (рис. 1).
На поверхности хрупкого разрушения образца, испытанного ударным изгибом, наблюдаются мелкие (10 мкм и более) фасетки (рис. 2а). При малом увеличении на подтравленной поверхности дополнительный микрорельеф от травления практически не выявляется (рис. 2а). При увеличении более х5000 на поверхности фасеток различается полосчатый микрорельеф от пластинок цементита (рис. 2б). Расстояние между цементитными пластинами составляет ~0.15 мкм, что подтверждает тонкопластинчатую природу перлита в этом образце. Мелкие фасетки (такие как фасетка 1) могут включать одну колонию перлита, хотя большая часть фасеток представляет скол по нескольким колониям (фасетка 2). Цементитные пластинки в пределах фасетки мало искажены (не изогнуты и не разрушены), что свидетельствует об отсутствии заметной пластической деформации у поверхности хрупкого излома.
На участке поверхности излома, показанном на рис. 2, хрупкая трещина рассекла колонии перлита по плоскости под большим углом к пластинам цементита. Выявить участки разрушения перлитной колонии вдоль границы цементитных пластин с ферритными промежутками методом подтравлива-ния, по-видимому, затруднительно. Хотя такое разрушение фиксировалось ранее [4] в тонких фольгах, однако для массивных образцов оно мало вероятно, поскольку, как правило, хрупкое разрушение перлита происходит вдоль плоскости {100} и реже {110} феррита [5], а граница пластин цементита с ферритом близка к {125} феррита [3], т.е. располагается под значительным углом к этим плоскостям скола.
Прохождение хрупкой трещины без значительного отклонения ее трека на протяжении нескольких колоний тонкопластинчатого перлита связано, по-видимому, с тем, что плоскость спайности {100} феррита, по которой осуществляется разрушение отрывом, в соседних колониях перлита может быть
Рис. 2. Поверхность излома образца стали 65Г со структурой тонкопластинчатого перлита, ударный изгиб при +20°С: а — общий вид излома; б — то же при большом увеличении. Снимки РЭМ, поверхность разрушения подтравлена; 1 и 2 — смежные фасетки.
Рис. 3. Пачки (группы) кристаллов верхнего бейнита в
стали 65Г. Изотермическое превращение при 440°С.
Снимок РЭМ со шлифа.
почти параллельна, хотя цементитные пластинки в них сильно разориентированы. По аналогии с "кристаллографическими" пакетами верхнего бей-нита (см. далее) такие колонии перлита можно назвать "кристаллографическими" колониями. Как правило, одна "кристаллографическая" колония перлита занимает значительную часть объема исходного аустенитного зерна. Размер таких колоний определяет в конечном итоге не только протяженность фасеток хрупкого разрушения, но и вязкие свойства перлитной стали [2, 6].
2. Особенности разрушения стали со структурой верхнего бейнита. Верхний бейнит в структуре исследованной высокоуглеродистой стали часто сосуществует с тонкопластинчатым перлитом, поскольку образуется из аустенита при температуре ниже, а в некоторых случаях несколько выше [3] температур образования тонкопластинчатого перлита. Структура верхнего бейнита представляет пластинчатые кристаллы а-фазы толщиной до ~0.3 мкм, на плоских границах которых располагаются фасетированные цементитные пластинки толщиной ~0.03 мкм. Кристаллы почти одинаковой ориентировки составляют группу или пачку, включающую более десятка кристаллов, которая часто наблюдается как целое на травленых шлифах в световом микроскопе.
При исследовании травленых шлифов методом РЭМ тонкое строение пачек кристаллов верхнего бейнита различимо уже при увеличениях х5.000 (рис. 3). Такая пачка кристаллов верхнего бейнита на снимках РЭМ морфологически сходна с колонией грубопластинчатого перлита, у которого межпластинчатое расстояние в пределах 0.2-1.0 мкм [3].
В объеме исходного аустенитного зерна могут сформироваться несколько пачек кристаллов верхнего бейнита, цементитные пластинки в которых располагаются под разными углами к друг другу. Де-
тально закономерности сопряжения кристаллов верхнего бейнита в пачке, а также пачек между собой исследованы в [7]. Найдена следующая иерархия в строении этой фазы. Кристаллы верхнего бей-нита с одинаковым габитусом составляют группу (пачку) параллельных а-реек, разделенных малоугловыми границами. Несколько таких групп с параллельными кристаллами составляют "морфологический" пакет. Более сложное образование — "кристаллографический" пакет может включать несколько "морфологических" пакетов, у которых габитусные плоскости реек сильно различаются, но кристаллографические ориентировки а-решетки близки. Соседние "кристаллографические" пакеты разделены высокоугловыми границами. Размеры именно "кристаллографических" пакетов, которые имеют близкую к глобулярной пространственную форму, определяют вязкие свойства бейнитной стали.
В объеме "кристаллографического" пакета кристаллические решетки а-реек ориентированы так, что атомные плоскости {100}а почти параллельны, поэтому можно ожидать, что хрупкая трещина будет проходить вдоль {100}а через весь "кристаллографический" пакет, почти не изменяя своей траектории.
При хрупком разрушении исследованной в настоящей работе стали со структурой верхнего бей-нита на изломе методом РЭМ наблюдаются фасетки микроскола (рис. 4а). Подтравливание излома позволяет установить структуру образца на площади каждой фасетки. На поверхности фасетки (ее участки обозначены цифрами 1, 2, на рис. 4а) располагаются несколько пачек по-разному ориентированных кристаллов верхнего бейнита или, точнее, те, в которых цементитные пластинки взаимно разориентированы (рис. 4б). Очевидно, что проявляющиеся на этой фасетке несколько "морфологических" пакетов с
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.