УДК 620.178.746.22

Формирование многослойной структуры в конструкционных материалах как ЭФФЕКТИВНЫЙ способ снижения порога ВЯЗКО-ХРУПКОГО ПЕРЕХОДА

 

Forming a multilayered STRUCTURE IN CONSTRUCTION MATERIALS AS AN EFFECTIVE way OF REDUCING THE THRESHOLD OF THE viscous-brittle CONVERSION

 

Власова Д.В., Плохих А.И.

(Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г.Москва, РФ)

Vlasova D.V.,Plokhikh A.I.

(Bauman Moscow state technical university, Moscow, Russian Federation)

 

Показано, что при понижении температуры испытаний вплоть до криогенных температур, работа, затраченная на разрушения ударного образца, увеличивается, что говорит об отсутствии формального порога вязко-хрупкого перехода и повышении надежности материала.

It is shown that when the test temperature is lowered to cryogenic temperatures, the work spent on destroying the impact sample increases, which indicates the absence of a formal threshold for a viscous-brittle conversion and increasing the reliability of the material.

 

Ключевые слова: слоистые материалы, ударная вязкость, хладостойкость

Key words: layered materials, impact toughness, cold resistance

 

Для большинства машиностроительных сталей переход из вязкого состояние в хрупкое происходит при отрицательных температурах лишь незначительно ниже нуля градусов, что представляет существенную опасность при эксплуатации машин и сооружений в условиях низких климатических температур. Наряду с известными способами повышения хладостойкости, связанными в основном с уменьшением количества вредных примесей и включений, а также модифицированием структуры, существуют подходы кардинального изменения температурной зависимости вязко-хрупкого перехода ферритных сталей, связанные с созданием слоистой структуры [1,2].

Для исследования данного явления был использованмногослойный конструкционный материал, состоящий из сталей 08Х18 и 08Х18Н10, полученный горячей пакетной прокаткой [3]. После реализации первого технологического цикла при толщине полученного материала 2 мм количество слоёв 100, после второго – 2000, после третьего по расчету составляет 30000.

Были проведены исследования образцов на ударную вязкость в направлении удара, перпендикулярном и параллельном направлению проката.

Установлено, что исследуемые многослойные материалы обладают значительным запасом вязкости разрушения в направлении, перпендикулярном плоскости проката. Образцы не разрушаются копром с запасом работы 300 Дж, а испытывают надрыв в области концентратора напряжения, и затем подвергаются изгибной деформации.

При понижении температуры испытания с целью определения порога вязко-хрупкого перехода(ВХП), значения приведенной работы (Дж/см2) не снижаются(рис. 1), при этом образцы, прошедшие второй и третий технологический цикл изготовления, не разрушаются. У образцов данной композиции формальный порог ВХП отсутствует до температуры испытания равной -196 оС.

Рисунок 1 – Ударная вязкость композиции 08Х18+08Х18Н10 в направлении, перпендикулярном плоскости проката

 

Результаты испытаний образцов в направлении, параллельном направлению проката, характеризуются существенно более низкими значениями ударной вязкости, при этом дополнительная работа разрушения затрачивается на раскрытие межслойных границ с формированием трещин расслоения.

Аналогичные результаты были получены авторами работы [4], установившие преимущество слоистой конструкции на сталях различного фазового состава при температурах от 20°C до -196°C. Ими были проведены опыты на составных пятислойных образцах из двух нержавеющих сталей: ферритной стали 08Х18Т1 и аустенитной 10Х18АГ19. В проведенных экспериментах автором было установлено, что эффект повышения ударной вязкости составных образцов зависит от ориентации образца на испытательном копре и максимален, если направления удара гильотинного маятника перпендикулярно плоскости сопряжения пластинок.

Такие результаты могут быть объяснены тем, что при динамическом нагружении многослойных образцов с надрезом, расположенным в направлении торможения фронта трещины, поверхности раздела слоев служат барьерами на пути распространения трещины. Возникающие на пути трещины расслоения останавливают ее, и для дальнейшего развития разрушения необходимо зарождение микротрещин на новой по­верхности, для чего требуется дополнительная энергия. Сопротивление разрушению в этом случае повышается, и оно тем больше, чем больше слоев в структуре материала и чем чаще проявляется эффект его расслоения.

Проблемы кинетики разрушения слоистых материалов изложены в монографии [5], в которой автор отмечает, что у многослойных спаяных образцов температура перехода из вязкого состояния в хрупкое ниже, чем у монолитного, и с увеличением количества слоев (при сохранении общей толщины образца) она снижается. Аналогичная картина наблюдалась и при сравнении монолитных и многослойных клееных образцов (рис.2). Однако с увеличением количества слоёв и уменьшением их толщины ударная вязкость клееных образцов снижается, что говорит о необходимости подбора оптимального сочетания количества слоев в многослойном материале и их толщины.

Рисунок 2 – Зависимость ударной вязкости от температуры испытания: 1 – монолитные образцы толщиной 6 мм; 2 – четырехслойные (толщина слоя 1,5 мм), клееные из листов стали 37; 3 – тридцатислойные, клееные из листов стали 37 (толщина слоя 0,2 мм)

 

Известны и другие работы, в которых приводятся данные о положительном влиянии специального рода многослойных структур в стальных паяных материалах [6,7]. Можно видеть (рис. 3,4), что увеличение количества слоев в материале ведет как к повышению значений ударной вязкости, так и снижению порога вязко-хрупкого перехода.

Рисунок 3 – Зависимость энергии удара по Шарпи от температуры для однородного и слоистого материала припой – сталь. Цифры у кривых отражают количество слоев в материале [5]

 Рисунок 4 – Зависимость энергии удара по Шарпи для однородной стали AISI 4340 и слоистого материала припой – сталь AISI 4340[6]

 

Подтверждение полученным результатам также найдены в работах Кимуры с соавторами [1,2]. В работе представлены результаты, показывающие положительное влияние особого вида структур на значение ударной вязкости (рис. 5) ферритных сталей в области низких климатических температур.

В этой работе исследуется сталь при разных термических обработках: QT – закалка и отпуск при 500°C, TF – закалка при 500°C и деформирование. При экспериментах образец из стали TF показал обратную температурную зависимость ударной вязкости при низких температурах.

Автором было замечено, что утонение поперечного размера зерна может обеспечить большую пластичность и прочность при более низких температурах. Это подтверждается тем фактом, что хорошая пластичность при растяжении была получена при испытании образцы TF при -196°C на 39%.

Рисунок 5– Зависимость энергии разрушения ударных образцов Шарпи для двух видов обработки QT и TF

 

Таким образом, результаты ряда исследований показывают, что существуют способы кардинального изменения температурной зависимости ударной вязкости конструкционных сталей, имеющей на первый взгляд парадоксальный характер. Показано, что при понижении температуры испытаний работа разрушения ударного образца увеличивается, что говорит об отсутствии формального порога вязко-хрупкого перехода и повышении надежности материала при низких температурах. При этом сформированная слоистая структура является основной причиной таких кардинальных изменений в поведении конструкционных материалов.

Список использованных источников

1.    Y. Kimura, T. Inoue, F. Yin, and K. Tsuzaki Inverse Temperature Dependence of Toughness in an Ultrafine Grain-Structure Steel: Science, 2008, vol. 320, pp. 1057–1060.

2.    T. Inoue, F. Yin, Y. Kimura, K. Tsuzaki Metall. Mater. Trans. A, 2010, vol. 41A, pp. 341–355.

3.    Колесников А.Г., Плохих А.И., Комиссарчук Ю.С., Михальцевич И.Ю. Исследование особенностей формирования субмикро- и наноразмерной структуры в многослойных материалах методом горячей прокатки//МиТОМ. 2010. № 6. С.44-49. 

4.    Яковлева И.Л., Терещенко Н.А., Мирзаев Д.А. и др. Ударная вязкость и пластические свойства составных слоистых образцов по сравнению с монолитными//ФММ. 2007. Т104. №2. С.212–221.

5.    Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г.  Кинетика разрушения.  М.: Металлургия, 1979. 279 с.

6.    J.D. Embury, N.J. Pech, A.E. Wraith, E.S. Wright. The fracture of mild steel laminates. – Transactions of the Metallurgical society of AIME, 1967, v.239, p. 114-118.

7.    Wright, E.S. Deformation and Fracture of plastically Anisotropic laminates.1967