Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
VAC 05.02.2010 Сварка, родственные процессы и технологии
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 30.19 Механика деформируемого твердого тела
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The aim of the work: the investigation of a fracture mechanism in 09G2S low-alloy steel welded sample with K-shaped grooving on a thermal impact area (TIA) after equal channel angular pressing (ECAP) and tempering + ECAP. There are carried out impact bending tests of 09G2S steel welded samples in which Menage incision is carried in the TIA. Micro-fractograms are presented and the analysis of a fracture mechanism in Menage samples of 09G2S steel with welded joints subjected to impact bending at the temperature of 233ºK is carried out. It is shown that the fracture of welded samples subjected to tempering and the ECAP in the TIA is ductile and characterized with the presence of a dimple micro-relief as well as basic metal fracture. In its turn, 09G2S welded steel strengthened by means of the ECAP as a result of impact bending at the temperature of 233ºK is fractured quasi-brittle in the TIA. At the same time there are observed facets of quasi-microchip, micro-cracks and micro-dimples. A mixed fracture is also characteristic expressed in the interchange of brittle and ductile areas.
steel, welded joint, tempering, equal channel angular pressing, fractography, fracture mechanism
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. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Ob'emnye nanostrukturnye metallicheskie materialy: poluchenie, struktura i svoystva. M.: Akademkniga, 2007. 398 s.
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. Sestri Sh.M.L., Dobatkin S.V., Sidorova S.V. Formirovanie submikrokristallicheskoy struktury v stali 10G2FT pri holodnom ravnokanal'nom uglovom pressovanii i posleduyuschem nagreve // Metally. 2004. № 2. S. 28-35.
4. Lotkov A.I., Grishkov V.N., Dudarev E.F. [i dr.]. Formirovanie ul'tramelkozernistogo sostoyaniya, martensitnye prevrascheniya i neuprugie svoystva nikelida titana posle «abc»-pressovaniya // Voprosy materialovedeniya. 2008. № 1(53). S. 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. Ivanov A.M. Udarnaya vyazkost' svarnogo obrazca iz nizkolegirovannoy stali 09G2S posle termoobrabotki i ravnokanal'nogo uglovogo pressovaniya // Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2015. T. 81. №12. S. 65-68.
11. Lukin E.S., Ivanov A.M. Malociklovaya ustalost' stali 09G2S, uprochnennoy metodom intensivnoy plasticheskoy deformacii // Fundamental'nye issledovaniya. 2015. №11 (ch. 1). S. 92-95.
12. Botvina L.R. Razrushenie: kinetika, mehanizmy, obschie zakonomernosti // M.: Nauka, 2008. 334 s.
