Разрушение отпущенной мартенситной стали при растяжении

Введение

Стали со структурой отпущенного мартенсита проявляют хорошие пластические свойства, сочетающиеся с высокой прочностью как в начале деформации [1 – 3], так и при значительных степенях пластической деформации [4 – 6]. Оптимальные механические свойства мартенситной стали являются причиной того, что она широко используется в промышленности [7], в частности, в автомобильной [8]. Известно, что внутренняя структура мартенситных сталей иерархически организована в интервале масштабов, различающихся на три порядка [8 – 11]. Основной морфологической составляющей мартенсита является пакетный (реечный) мартенсит [9; 10]. Элементом такой микроструктуры является рейка шириной от 0,2 до 0,5 мкм. Рейки имеют тенденцию выстраиваться параллельно друг другу в большой области зерна аустенита, в котором образуются. Группа реек с одинаковой ориентацией называется блоком, а группа из нескольких блоков с одной и той же плоскостью габитуса называется пакетом. Границы как блока, так и пакета являются эффективными барьерами для движения дислокаций и обеспечивают прочность и ударную вязкость мартенситных сталей [2; 3]. Следует отметить, что механизмы пластической деформации сталей со столь сложной дефектной структурой в настоящее время все еще мало изучены [7; 12]. Ранее установлено [13; 14], что для среднелегированных сталей со структурой отпущенного мартенсита при активной деформации (растяжении) происходит ярко выраженная локализация деформации, связанная с границами разориентации наследованного аустенитного и реального мартенситного зерна. В этих работах было выявлено, что в ходе активного нагружения происходит самоорганизация пластической деформации в группах реальных зерен. Линейные размеры самоорганизующихся при деформации групп мартенситных зерен оказались соизмеримыми с размерами наследованного аустенитного зерна. Другими словами, в ходе пластической деформации происходит локализация деформации, тесно связанная с зеренной подсистемой.

Развитие сдвиговой деформации в пакетной составляющей мартенсита также сопровождается локализацией сдвига, что связано с иерархическим строением пакетного мартенсита. В работе [15] было установлено, что в пакетах мартенситных кристаллов (реек) локализация происходит с образованием двух подсистем следов сдвига: тонких и грубых. Подсистемы тонких следов формируются с самого начала пластической деформации и их образование происходит в условиях однородной деформации образца. Появление и эволюция подсистемы грубых следов коррелирует с образованием в образце первой (длинной) шейки, то есть является основным микромеханизмом, приводящим к локализации пластической деформации в масштабах образца (макролокализации). Местами локализации грубого сдвига являются приграничные области реек и фрагментов пакета. Появление подсистем грубых следов сдвига коррелирует с формированием в пакете фрагментированной (изотропной) дислокационной структуры. Другими словами, сдвиговая пластическая деформация в сталях со структурой отпущенного мартенсита тесно связана с ее иерархически организованной локализацией во всем интервале степеней деформации, в том числе предшествующих разрушению. Согласно результатам этих исследований, логично предполагать, что разрушение данного класса сталей также должно быть иерархически обусловлено предшествующей деформацией.

В настоящей работе поставлена задача установления закономерностей развития процесса разрушения среднелегированной отпущенной стали в физически обоснованном интервале масштабов и выявления его связи с предшествующей пластической деформацией.

Материал и методы исследования

Для исследования были выбрана сталь марки 34ХНЗМФА. После прокатки на заключительной стадии термообработки сталь была подвергнута закалке с температуры 950 °C в воду, затем отпуску в течение 4 ч при температуре 600 °C с последующим охлаждением в воду. После проведенной термомеханической обработки сталь имеет структуру высокоотпущенного смешанного пакетно-пластинчатого мартенсита. Практически весь углерод содержится в карбидных выделениях (цементит и спецкарбиды: преимущественно Мe₂С, Мe₆С и Мe₂₃С). Деформирование осуществлялось растяжением на машине Instron со скоростью 6·10^–4 c^–1 при комнатной температуре. Изучение поверхности разрушения проводилось с применением оптической, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии на образцах, вырезанных по направлению прокатки и перпендикулярно ему (образцы продольные и поперечные соответственно). Измерена плотность микротрещин, их длина и углы их ориентации относительно оси растяжения. Проведена статистическая обработка результатов измерений и получены их средние значения.

Результаты исследований и их обсуждение

Исходная структура (до деформации). Внутренняя структура исследованной стали перед нагружением является сложной системой. Она включает: во-первых, границы разориентации зерен и всех структурных составляющих мартенсита (пластина, пакет, фрагмент пакета (блок), рейка; во-вторых, развитую дислокационную структуру со средней скалярной плотностью дислокаций порядка 10¹⁰ см^–2; в-третьих, подсистему карбидных фаз (цементита и специальных карбидов). Проведенные в работе структурный и фазовый анализы с определением количественных характеристик позволили составить, по сути, «паспорт» исследованной стали, отражающий иерархическое строение внутренней структуры во всем физически обоснованном интервале масштабов. Результаты этого анализа систематизированы в табл. 1. Дислокационная структура в пакетах и пластинах разнообразна и представлена следующими типами: сетчатая, ячеистая и фрагментированная [1; 16]. Выделения цементита расположены преимущественно на границах структурных составляющих мартенсита, в то время как местоположение специальных карбидов тесно связано с дислокационной субструктурой. В сетчатой субструктуре спецкарбиды находятся в узлах сеток, в ячеистой и фрагментированной – в стыках границ ячеек и фрагментов соответственно [11; 16 ].

В процессе пластической деформации происходит эволюция дефектной и карбидной подсистем, которая сопровождается многоуровневой локализацией деформации [13 – 15] и превращениями карбидных фаз [17]. Естественно, что в сталях со структурой отпущенного мартенсита проблемы зарождения трещин не стоит. Местами зарождения микротрещин могут быть: неметаллические включения, различные поверхности разориентации и их стыки, карбидные частицы. В связи с этим важно понять, при каких условиях зародившиеся трещины могут распространяться. Следует отметить, что основная информация о структуре микротрещин и поверхности разрушения обычно бывает получена в результате их изучения методами оптической и/или сканирующей электронной микроскопии [18 – 21]. Метод просвечивающей электронной микроскопии на фольгах пока еще мало применяется при изучении разрушения [22; 23].

В настоящей работе проведено обширное электронно-микроскопическое исследование тонкой структуры на разных стадиях пластического течения стали 34ХН3МФА вплоть до степеней деформации, предшествующих разрушению (в области второй шейки [13]).

Микротрещины и границы раздела. На рис. 1 приведены типичные примеры тонкой структуры стали с микротрещинами, распространяющимися по границам раздела, созданным в ней как в результате предшествующей термомеханической обработки (по границам раздела зерен (рис. 1, а); по границам раздела структурных составляющих мартенсита – пакетов и пластин (рис. 1, б, в); по границам реек (рис. 1, г)), так и по границам дислокационных фрагментов, сформированных в ходе пластической деформации (рис. 1, д, е).

Анализ большого количества полученных в работе микроснимков показывает, что микротрещины идут по тем поверхностям, по которым произошел сильно локализованный сдвиг, и являются его логическим завершением из-за недостаточной релаксации внутренних напряжений иными способами, нежели образованием микротрещин. Этот факт коррелирует с тем, что в сталях со структурой отпущенного мартенсита в локальных участках образца могут достигаться напряжения, сравнимые с теоретической прочностью, при том, что их средние значения соответствуют реальному предельному значению, которое достигается на поздних стадиях пластической деформации [16]. Также важно отметить, что траектории распространения микротрещин проходят по областям локализации изотропной фрагментированной субструктуры, являющейся последним звеном в цепочке субструктурных превращений в данной стали (сетчатая, ячеистая, анизотропные фрагменты и, наконец, изотропная фрагментированная субструктура) [24]. Названная последовательность субструктурных превращений в приграничных областях раздела реализуется раньше, чем в матрице. Другими словами, именно в них раньше «расходуется» запас возможных механизмов релаксации амплитудных значений локальных дальнодействующих напряжений, создаваемых в процессе деформации.

Микротрещины. В исследованной стали со структурой смешанного отпущенного мартенсита, где имеется подсистема субграниц, созданных в ходе термомеханической обработки, микротрещины появляются с самого начала пластической деформации. Как отмечалось выше, при деформации формируются новые границы разориентации (границы дислокационных фрагментов внутри кристаллов мартенсита), а их разориентировки с ростом степени деформации растут [17; 24]. Одновременно с этим нарастает плотность микротрещин и уменьшается их средняя длина (рис. 2, а), что коррелирует с увеличением общей плотности границ разориентации в мартенсите и их стыков.

Средняя длина микротрещин перед разрушением составляет примерно 1 мкм, что соизмеримо с типичными линейными размерами блока реек (табл. 1). Это означает, что микротрещины в данной стали пересекают границы реек, но тормозятся на границах блоков, которые имеют бóльшие углы разориентации, чем границы реек [14; 19].

В работе были измерены доли микротрещин, ориентированных под различными углами к оси растяжения, и полученные их величины представлены на рис. 2, б. При больших степенях деформации преобладают трещины, расположенные под углом 45° к оси растяжения, и существенно уменьшается доля трещин, ориентированных параллельно оси растяжения, то есть доминирующими становятся трещины скола [22].

Масштабно-структурные уровни разрушения. Как уже отмечалось выше, внутренняя структура отпущенной мартенситной стали включает три иерархически организованные подсистемы: границы разориентации, развитую дислокационную структуру и выделения карбидных фаз. В ходе пластической деформации каждая из них эволюционирует в соответствующем интервале масштабов. При этом закономерности их эволюции взаимосвязаны и взаимообусловлены (подробнее см. в работах [17; 24]). Естественно было ожидать, что картина вязкого разрушения данной стали также будет иметь многоуровневый характер. В настоящей работе проведено изучение поверхности разрушения образцов в интервале масштабов, различающихся на три порядка. В табл. 2 представлены микрофотографии и приведены количественные характеристики картины изломов продольных и поперечных образцов стали 34ХН3МФА со структурой отпущенного мартенсита, характерные для различных масштабных уровней.

Таблица 2. Характеристики картины изломов Мастштабно-структурный уровень Наблю­даемый элемент картины излома Микрофо­тография элемента картины излома Характерные размеры структур­ного элемента, мкм Среднее расстояние между структур­ными элемен­тами, мкм Элемент тонкой структуры, с которым можно сопоставить Образец в целом (уровень 1) Трещины (А) Раковины (В) Области квази­хруп­кого скола (С) Средняя длина трещин ~150 Диаметр раковины 50 –  100 Диаметр областей квази­хрупкого скола 200 – 500 ~100 Группы зерен. Неметал­ли­ческие включения Группа зерен (уровень 2) Полосы локали­зованной деформации Ширина полос 0,5 – 1,5 50 – 300 Появляются в результате локализации пласти­ческой деформации вблизи границ зерен Зерно (уровень 3) Полосы локали­зованной деформации Области с одина­ковой формой чашечек Чашечки внутри этих областей Удлиненные чашечки Ширина полос ~0,3 6,5 Группы пакетов 6×10 6×10 Пакеты 0,64 0,56 Рейка или группа реек в пакете 1,5×9,0 – Пластины Пакет, пластина (уровень 4) Внутренняя структура чашечек 0,5 – 0,6   Фрагменты в рейках и пластинах Фрагмен­тирован­ная структура Размеры фрагмента: в пластинах  0,35×0,08 в рейках 0,18×0,07

Для продольных образцов характерным является чашечный излом, а для поперечных – смесь чашечного и хрупкого. В работе были измерены линейные размеры чашечек на разных масштабных уровнях, определены их средние значения и проведено сопоставление со средними размерами представленных в табл. 1 структурных элементов стали. Проведенное сопоставление показало, что между названными характеристиками имеется однозначная корреляция со средними размерами наследованного и реального зерен, пластин и пакетов, а также других, более мелких структурных элементов, в частности, дислокационных фрагментов, образованных в ходе пластической деформации при относительных степенях деформации, предшествующих разрушению (табл. 1, уровень 4). Выявленная корреляция согласуется с установленными ранее [13 – 15] закономерностями многоуровневой, иерархически организованной локализации пластической деформации по границам разориентации. В частности, в работе [15] показано, что средняя величина мощности сдвига, происходящего в приграничных областях кристаллов отпущенного мартенсита (блоки и рейки), примерно в три раза выше, чем величина сдвига в матрице кристаллов. Другими словами, интенсивная локализация пластической деформации подготавливает пути распространения микротрещин.

Таким образом, сопоставление характера деформационного рельефа и тонкой структуры, формирующейся перед разрушением, с картиной изломов на различных структурно-масштабных уровнях свидетельствует о том, что разрушение исследованной стали, также как и пластическая деформация, ей предшествующая, несет в себе черты наследственности исходной внутренней структуры.

Выводы

С применением различных методов исследования проведено изучение закономерностей появления микротрещин в стали со структурой отпущенного мартенсита на поздней стадии пластической деформации. Установлено, что практически все наблюдаемые микротрещины распространяются по границам раздела, а именно: по границам зерна и их согласованно деформирующимся группам; по границам пластин, пакетов и блоков реек; по границам фрагментов дислокационной субструктуры, являющейся последним звеном в цепочке субструктурных превращений в исследованной стали.

Установлено, что в ходе пластической деформации длина микротрещин уменьшается так, что на стадии деформации, предшествующей разрушению, микротрещины могут пересекать границы реек, но тормозятся границами блоков, причем большая часть этих микротрещин образована по механизму скола.

Разрушение исследованной стали имеет многоуровневый характер, обусловленный: иерархией исходной внутренней микроструктуры; локализацией пластической деформации, развивающейся на всех стадиях пластической деформации и, как следствие, подготавливающей пути распространения микротрещин.