В последние годы интенсивно разрабатываются технологии получения металлических материалов с субмикрокристаллической (СМК) структурой, для получения которых используются методы интенсивной пластической деформации (ИПД). Одним из наиболее распространенных методов является равноканальное угловое прессование (РКУП) [1, 2]. Материалы, полученные методами ИПД, обладают рядом уникальных свойств, формирование СМК структур приводит к значительному росту механических свойств металлических материалов. Низколегированные стали, являясь важным классом конструкционных материалов, привлекают интерес исследователей к изучению физической природы повышения прочности и механизмах их разрушения на различных масштабных уровнях [3].
В качестве материала исследования была использована низколегированная конструкционная сталь 09Г2С (химический состав приведен в табл. 1). Химический анализ проведен на атомно-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master» (WAS AG). Равноканальное угловое прессование (РКУП) осуществлялось в два прохода по маршруту А [2] при температуре 400°С.
Таблица 1
Химический состав стали 09Г2С
| C – 0.06 | Si – 0.54 | Mn – 1.36 | Cr – 0.16 | Ni – 0.14 |
| Co – 0.02 | Cu – 0.20 | Al – 0.02 | Mo – 0.02 | Fe –ост. |
Известно, что РКУП приводит к увеличению прочностных характеристик материала [3, 4], но при этом, также, наблюдается значительное снижение пластичности, что негативно сказывается на способности материала сопротивляться разрушению под действием ударной нагрузки. Чтобы нивелировать отрицательно влияние интенсивной пластической деформации на ударную вязкость материала, предлагается провести после РКУП закалку по режиму: нагрев до 910°С, охлаждение в масло, отпуск в течении 15 минут при 680°С. Механические испытания, проведенные на универсальной машине «Инстрон-1195», показали повышение предела прочности после РКУП почти в 2,5 раза (σв(исх)=480 МПа, σв(РКУП)=1120 МПа), при снижении пластичности в 3 раза (δ(исх)=24,2%, δ(РКУП)=7,8%). Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре «Amsler RKP-450» при трех различных температурах: +20, -20 и -60°С. Из приведенных данных видно, что РКУП привел к резкому снижению ударной вязкости стали 09Г2С, которая сильно возрастает после закалки (табл. 2).
Таблица 2.
Ударная вязкость стали 09Г2С при разных температурах испытания
| Температура испытаний | Исходное состояние | РКУП (2 цикла при 400°С) | РКУП (2 цикла при 400°С) + закалка |
| +20°С | 2580 кДж/м2 | 122,765 кДж/м2 | 3326,02 кДж/м2 |
| -20°С | 2425 кДж/м2 | 116,08 кДж/м2 | 3264,06 кДж/м2 |
| -60°С | 2075 кДж/м2 | 66,825 кДж/м2 | 3245,68 кДж/м2 |
После определения ударной вязкости было проведено исследование макростроения изломов ударных образцов при помощи стереомикроскопа «Stemi 2000С». Образцы стали 09Г2С в исходном состоянии разрушились не полностью. В разрушенной части образцов разрушение вязкое с образованием ямочного микрорельефа (рис. 2). После РКУП при 400°С (2 прохода) образцы разрушились хрупко, поверхности всех изломов расположены к оси образцов под углом примерно 45°. Закалка после РКУП привела к росту ударной вязкости, образцы разрушены не до конца, излом вязкий ямочный.
Рисунок 2. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С в исходном состоянии после испытаний при температурах +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).
Рисунок 3. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С после РКУП, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).
Рисунок 4. Общий вид ударных изломов образцов стали 09Г2С после РКУП и последующей закалки, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).
Резкое снижение ударной вязкости после РКУП может быть обусловлено текстурой, образовавшейся в ходе интенсивной пластической деформации материала. Зона долома характеризуется слабо выраженно «шиферностью», что также свидетельствует о наличии двойной текстуры в ферритной фазе [5]. Разрушение образцов под углом 45° обычно происходит при вязком разрушении чистым сдвигом, но исследование микрорельефа поверхностей излома, проведенное с использованием растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F, показало, что разрушение произошло по механизму скола с образованием ручьистого микрорельефа. Таким образом, произошло внутризеренное (транскристаллитное) хрупкое разрушение (рис. 5).
Рисунок 5. Хрупкий транскристаллитный излом образцов стали 09Г2С после РКУП при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).
После закалки происходит резкий рост сопротивления ударному разрушению во всем диапазоне температур (рис. 1), что связано со сменой основного механизма разрушения: хрупкий скол заменяется вязким ямочным разрушением (рис. 6). Ударная вязкость после закалки возросла в 27 раз (испытания при комнатной температуре) и почти в 50 раз при -60°С. В сравнении с исходным крупнозернистым состоянием, РКУП с последующей закалкой привел к росту ударной вязкости в 1,3 раза при комнатной температуре и в 1,6 раз при -60°С. В микрорельефе преобладают равноостные ямки и ямки сдвига разного размера.
Рисунок 6. Ямочный микрорельеф поверхности излома стали 09Г2С после РКУП и закалки, при температуре испытаний +20°С (а), -20°С(б) и -60°С(в).
Установлено влияния РКУП и последующей обработки на прочность и ударную вязкость стали 09Г2С. Показано, что РКУП в 2,5 раза повышает прочность материала по сравнению с исходным состоянием, однако приводит к снижению пластических свойств почти в три раза, что крайне негативно сказывается на способности материала сопротивляться разрушению ударом, ударная вязкость материала снижается более чем в 20 раз при комнатной температуре и более чем в 30 раз при -60°С. Исследования макро- и микростроения изломов стали 09Г2С с субмикрокристаллической структурой после РКУП при 400°С (2 прохода) и последующей закалки показали, что смена механизма разрушения приводит к росту ударной вязкости в 1,3 раза при комнатной температуре и в 1,6 раз при -60°С. Таким образом, возможно экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости стали 09Г2С с субмикрокристаллической структурой путем оптимизации режимов РКУП и последующей обработки.
Список литературы:
- Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 398 с.
- Valiev R.Z., Langdon T.G. Developments in the use of ECAP processing for grain refinement// Reviews on Advanced Materials Science. 2013. № 1, С. 15-26.
- Яковлева С.П., Махарова С.Н., Борисова М.З. Структура, свойства и особенности разрушения низколегированной стали в субмикрокристаллическом состоянии// Металлы. 2006. № 4. С. 71-78.
- Захарова Г.Г., Астафурова Е.Г., Найденкин Е.В., Рааб Г.И., Добаткин С.В. Механические свойства и характер разрушения феррито-перлитной стали 10Г2ФТ, подвергнутой равноканальному угловому прессованию и высокотемпературным отжигам// Материаловедение. — 2010. № 11. С. 57-64.
- Деревягина Л.С., Заточная Л.В., Корзников А.В., Сафаров И.М., Круковский К.В. Структурные причины шиферности изломов и прогнозирование вязкости стали 12ГБА в субмикрокристаллическом состоянии// Известия вузов. Физика. 2011. № 11/3. C. 221-224.[schema type=»book» name=»УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ 09Г2С ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЗАКАЛКИ ПРИ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИСПЫТАНИЯ» description=»Проведены исследования механизмов ударного разрушения низколегированной стали 09Г2С в исходном состоянии, после равноканального углового прессования (РКУП) при разных температурах испытаний. Показано, что сразу после РКУП наблюдается резкое падение значений ударной вязкости, повысить которую предлагается последующей закалкой. » author=»Борисова Мария Захаровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]