Механизм зарождения, роста и коалесценции пор

Само название механизма указывает на существование нескольких стадий процесса разрушения. В первом приближении применительно к конструкционным металлам можно выделить следующие: Зарождение микропоры на границе раздела матрица-части- ца второй фазы в результате пластической деформации матрицы или в результате растрескивания самой частицы; Стабильный рост микропоры с образованием полости вокруг частицы второй фазы; Нестабильный (ускоренный) рост микропоры до встречи с соседними порами или поверхностью тела с образованием поры (полости или ямки).

Схема этой картины разрушения приведена на рис.2.2.

Рис. 2.2. Схематическое представление действия механизма зарождения, роста и коалесценции пор в металлах

В результате действия этого механизма разрушения на поверхности разрушения формируется ямочный рельеф, типа представленного на рис. 2.3. На дне ямок (областьЛ) видны частицы второй фазы. Они располагаются в кольцевых углублениях, похожих на полусферу, и представляют собой след микропоры, образующейся вокруг частицы и пересекаемой поверхностью ямок. Приведена электронная фрактог- рамма излома стали 30Х2НМФА после закалки и отпуска при 200 °С. Стрелкой указана микропора с частицей карбида. На дне крупных ямок, как правило, видны большие частицы неметаллических включений. В стали 20Х2НМТР инициатором крупных ямок выступают кубические по форме частицы нитридов титана (рис. 2.4). Обстоятельные исследования [17, 18] ямочного рельефа ряда конструкционных сталей позволили сделать вывод, что не каждая частица второй фазы (карбидов, нитридов и т.д.) инициирует зарождение микропор. В сталях 10ХН1М и 10ХСНД со структурой сорбита отпуска средний размер (диаметр) ямок в пять — восемь раз превышает среднее пространственное расстояние между частицами карбидов цементитного типа [17]. Зарождение микропор наблюдается у частиц с размером (диаметром)

Рис. 2.3. Строение волокнистого излома стали 30Х2НМФА в зоне отрыва цилиндрического образца. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) (угольная экстракционная реплика), х 9000

Рис. 2.4. Строение волокнистого излома стали 20Х2НМТР. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), х 1200

более 0,04 мкм. Совпадение критического размера частиц в сталях с разным типом структуры (феррит, феррит + перлит, сорбит, мартенсит отпуска и т.д.) указывает на ведущую роль геометрического фактора (через коэффициент концентрации напряжений у препятствия в полосе скольжения дислокаций) в процессе зарождения микропоры.

Между размерами частиц второй фазы (карбидов, нитридов, оксидов, сульфидов и др.)» инициирующих микропору, размером микропоры и ямки (поры) существует тесная корреляционная связь. Некоторые результаты связи размера ямок Ья в вязком изломе с размерами частиц неметаллических включений LB типа оксидов, нитридов титана, сульфидов, а также микропор Ln в конструкционных сталях приведены на рис. 2.5. Аналогичный характер связи выявляется между размерами частицы цементита и микропоры (кривые 2 и 3 на рис. 2.5).

LB, Ln, мкм

Рис.

Из рис. 2.5 также следует, что в первом приближении степень влияния размера поры на размер ямки сопоставима с влиянием размера Включения LB на размер ямки LH. Влияние природы неметаллических включений (сульфид, оксид) на тесноту связи размер включений - размер ямки имеет, по всей видимости, эффект второго порядка. В первом приближении поля рассеяния значений размера включения LB и размера ямки Ья линейной зависимости LK = f(LB) для сульфидов, нитридов и Оксидов в стали 30Х2НМФА совпадают (см. рис. 2.5).

В феррито-перлитной стали в роли инициаторов крупных пор - ямок наряду с карбидами и неметаллическими включениями выступают колонии перлита. Большему размеру колонии перлита соответствует большая ямка (рис. 2.6).

Размер колонии перлита, мкм

Рис. 2.6. Связь между размерами колонии перлита, выявляемой на дне ямки, и ямки в нормализованной стали 16Г2АФ-Ш;

Т’исп = 20 °С (/) и -20 °С (2)

Пластическая деформация ферритной матрицы развивается преимущественно у крупных частиц упрочняющей фазы и неметаллических включений и по времени опережает развитие пластической деформации в остальном объеме материала [17, 18]. При существующей технологии производства металла в нем имеются неметаллические включения размером от долей до нескольких десятков и даже сотен микрометров, которые в несколько раз, а иногда на несколько порядков превышают размер частиц упрочняющей фазы, поэтому следует ожидать предпочтительного зарождения вязких (пластических) трещин, прежде всего у этих неметаллических включений. Учитывая слабую когезивную прочность межфазной границы неметаллическое включение - матрица, уже на ранних стадиях пластической деформации возможна потеря сопряжения включения с матрицей (по существу, образование микропоры), что приводит к опережающему росту ямки (поры) у относительно крупных неметаллических включений.

При наличии в структуре стали цепочек неметаллических включений, размер которых и слабая когезивная связь на межфазной границе обусловливают опережающее начало зарождения и роста микропор, а затем и ямок, возрастает степень неоднородности (гетерогенности) протекания по фронту макротрещины процесса разрушения (рис. 2.7). Крупные ямки, инициируемые неметаллическими включениями, окружены маленькими ямками, инициированными частицами карбидов.

Рис. 2.7. Разновеликие ямки в волокнистом изломе ударного образца Менаже термоулучшенной стали 12ГН2МФАЮ. х 2200

При наличии в структуре стали вытянутых неметаллических включений, как правило, сульфидного и оксисульфидного типов, вокруг них происходит опережающее образование микропор, а затем ямок. Эти ямки затем сливаются, формируя микрорасслоения (рис. 2.8, а, б). Сливаясь в плоскости прокатки листа, они образуют макрорасслоения, видимые в изломе невооруженным глазом. Роль таких расслоений в процессе разрушения весьма существенна. Они как бы делят металл на слои, каждый из которых при вязком разрушении образует шейку. Появление расслоений в материале существенно изменяет напряженно-деформированное состояние у вершины распространяющейся тре- Щины. Как правило, наличие микрорасслоений в конструкционной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению.

Роль расслоений при разрушении зависит от условий работы Конструкции. Особенно опасно приложение нагрузки в направлении толщины листового проката. Одним из важных следствий наличия вытянутых неметаллических включений и перлитной строчечности, типа представленной на рис. 2.8 б, является анизотропия механических свойств - главным образом, ударной вязкости и величины загиба.

Основание надреза

Рис. 2.8. Микрорасслоения: а — в зоне нормального отрыва поперечного ударного образца трубной стали 09Г2ФБ. СЭМ. х 30; б - от вытянутых сульфидных включений в стали 08Г2ФБ. х 1000

Необходимо отметить, что в сталях с феррито-перлитной структурой, имеющих перлитную строчечность, в роли инициаторов расслоений часто выступают вытянутые вдоль направления прокатки колонии перлита. Появление столь крупных инициаторов ямок обусловливает опережающий рост пор (ямок) вокруг колоний перлита. Слияние этих ямок формирует расслоения, которые «расщепляют», также как и раскатанные сульфиды и оксисульфиды, поверхность разрушения на слои (рис. 2.9, а). На металлографическом шлифе, приготовленном поперек плоскости разрушения, видно, как глубоко «уходят» расслоения во внутренние объемы образца (рис. 2.9, б).

В металле сварного шва, отличающегося от основного металла повышенным и неравномерным распределением по объему частиц неметаллических включений, как правило, наблюдается резко выраженная разновеликость ямок. Наряду с большими ямками, инициированными крупными включениями, видны колонии мелких ямок, образование которых вызвано скоплением дисперсных неметаллических включений и карбидов (рис. 2.10, а). В ряде случаев большие ямки образованы колониями неметаллических включений. Не исключено, что нередко фрагментация (дробление) включений, особенно пластинчатых по форме, происходит при пластической деформации металла.

Рис. 2.9. Вид волокнистого излома (а) ударного образца стали 09Г2ФБ с расслоениями (х 4,5) и структура (б) у его поверхности разрушения (х 100)

Рис. 2.10. Ямочное строение: а - ударного образца металла сварного шва (ручная дуговая сварка) стали 16ГС (х 1000); б - излома в зонах расслоений поперечных ударных образцов термоулучшенной квазислоистой стали 12ГН2МФАЮ (х 1800). Угольные реплики

Высокая плотность распределения неглубоких ямок, инициированных частицами оксидов, наблюдается в зонах расслоений в Квазислоистой стали 12ГН2МФАЮ (рис. 2.10, б). Крупные частицы оксидов (диаметром 0,66 ± 0,04 мкм), образующихся из оксидной пленки при автовакуумной сварке листов в процессе высокотемпера-

Рис. 2.11. Строение поверхности разрушения волокнистого излома ударного образца из стали 20Х2НМТР (отпуск при 240 °С).

Угольные реплики, х 2600

alt="" />

Рис. 2.12. Электронная фрактограмма стали ЗОХЗМФ, подвергнутой перегреву. СЭМ. х 1000

турной прокатки, при испытании на ударный изгиб призматических образцов вызывают зарождение ямок. Зарождение ямок у крупных неметаллических включений оксидного типа в расслоении подавляет процесс зарождения поры у частиц дисперсной фазы (карбидов и кар- бонитридов).

В ряде случаев при пластической деформации стали происходит разрушение крупных неметаллических включений по механизму хрупкого транскристаллитного скола (рис. 2.11). В пределах частично разрушившегося включения виден ручьистый узор, характерный для механизма хрупкого транскристаллитного скола. Результат — образование особо крупной ямки у неметаллического включения.

Разновидностью механизма зарождения, роста и коалесценции пор являются случаи распространения трещин по границам зерен (рис. 2.12). Для низкотемпературных условий испытания распространение вязких трещин по границам зерен относительно редко. Как правило, это наблюдается в материалах со структурой, характеризующейся относительно низкой плотностью частиц второй фазы, но имеющих по границам повышенную плотность распределения этих частиц. Типичный случай - стали с пониженным после перегрева содержанием серы. В области высоких температур, соответствующих аустенитной фазе, основная масса серы в малосернистой стали переходит в твердый раствор. При охлаждении с определенной скоростью выделяются частицы сульфидов по границам зерен. Предпочтительное зарождение микропор у частиц сульфидов обусловливает опережающее развитие вязких пор (ямок) по границам зерен.

Подобная картина разрушения выявляется также в алюминиевых сплавах, у которых по границам зерен выделяются отдельные редко расположенные частицы некогерентных выделений, а вдоль границ формируются зоны, свободные от частиц упрочняющей фазы. В этих условиях вся пластическая деформация локализуется в этих относительно мягких приграничных зонах, образуя вытянутые вдоль границ зерен ямки.

Межзеренный характер механизма зарождения, роста и коалесценции пор типичен для высокотемпературной ползучести. Зарождение пор происходит вследствие локализации пластической деформации у частиц второй фазы. Последующий рост пор связан с действием приложенного растягивающего напряжения. Так же как при внутризеренном вязком разрушении критерий зарождения микропоры требует достижения критической деформации сдвига у границы частица - матрица.

При наличии на границах частиц, таких как неметаллические включения, почти не связанных с матрицей, резко ускоряется ползучесть материала. В этом случае нет необходимости в стадии зарождения микропор.

При анализе причин отказа (повреждения) и разрушения элементов металлических конструкций часто полезна информация о форме

Рис. 2.13. Схема образования вязкого излома разных видов

и направлении вытянутости ямок в вязком изломе. В случае вязкого разрушения форма образующейся ямки определенно указывает на характер главного приложенного усилия в металлической конструкции (рис. 2.13). Равноосные ямки образуются при одноосном равномерном растяжении (рис. 2.13, а). Вытянутые вдоль одного направления параболические по форме ямки формируются в условиях совместного действия растяжения и сдвига (рис. 2.13, б). При этом направления вытянутости ямок на обеих частях разрушенного элемента металлической конструкции противоположны. Вытянутость ямок в одном направлении на обеих частях разрушенного элемента наблюдается в случае несоосного неравномерного растяжения (рис. 2.13, в).