Расслоения в стали. Как они образуются
Тема этой статьи несколько необычна для Хабра. Меня побудило ее написать простое и понятное желание напомнить, что в свое время в нашей стране на очень высоком уровне была металловедческая наука, в частности ее раздел по исследованию причин разрушения высокопрочных материалов под нагрузкой. Еще до того, как попал в ЛАНИТ, я занимался исследованиями этой темы и до сих пор не потерял к ней интерес. Проблема разрушения материалов тоже не стала менее актуальна, поэтому предлагаю вашему вниманию пост о причинах появления расслоений в высокопрочных сталях.
Считалось, что разрушение материалов, в частности высокопрочных сталей, происходит практически мгновенно при достижении максимальной нагрузки. Однако многочисленные случаи разрушений и исследование их причин показали, что катастрофическое разрушение может развиваться задолго до достижения этого максимума.
Впервые массовые случаи таких разрушений были зафиксированы в период Второй мировой войны. В США для снабжения войск союзников серийно выпускались морские транспорты серии «Либерти», при изготовлении которых стала широко использоваться сварка отдельных элементов корабельных корпусов (ранее листы корпусов соединялись клепкой). Так вот эти суда проявили такую особенность, что буквально после одного-двух морских переходов на корпусе появлялись протяженные трещины, поэтому дальнейшая их эксплуатация вызывала серьезные опасения. Были даже зафиксированы случаи, когда суда при волнении разламывались пополам. Но поскольку в корпусах были герметичные отсеки, половинки оставались на плаву и продолжали плавание самостоятельно (по воле ветров и волн).
Как выяснилось позже, причиной возникновения трещин стало невнимание к таким деталям, как вырезка различных технологических отверстий в корпусах (люков). Такие отверстия не должны содержать острых углов. Острые углы, как концентраторы напряжений в корпусе, которые возникают попеременно при нахождении корпуса корабля на вершине волны или на гребнях двух волн, способствуют постепенному развитию усталостных трещин. Сварной корпус, в отличие от клепаного, представляет собой сплошную среду, в которой трещина может распространяться беспрепятственно, что и приводило в конце концов к разрушению.
В наше время примеры спонтанных катастрофических разрушений отмечались на газовых трубопроводах, когда для их строительства стали использовать трубы большого диаметра (1220-1420 мм) из высокопрочных сталей, выполненных по технологии контролируемой прокатки. Газ в трубопроводе прокачивается под высоким давлением (75-100 атм).
В отдельных аварийных случаях наблюдалось распространение трещины и разрыв трубопровода на очень большую длину, который происходил с огромной скоростью, почти как взрыв. Понятно, что такие разрушения влекут за собой катастрофические последствия. Причиной таких разрушений являлись микроскопические трещины, возникающие в стальной трубе при нарушении ее гидроизоляции, так называемая стресс-коррозия под напряжением.
Может показаться, что давление 100 атм не представляет серьезной опасности, так как соответствует нагрузке всего лишь в 10 МПа, а высококачественная трубная сталь имеет предел текучести выше 400 МПа. Но помимо статических напряжений за счет давления газа магистральные газопроводы отличаются от прочих металлических сооружений огромной энергетической мощностью за счет большой протяженности, в них наиболее сильно проявляются масштабные эффекты энергетической природы из-за огромного запаса упругой энергии, сосредоточенной в металле труб и сжатом газе, который прокачивается через трубопровод. Например, в трубопроводе диаметром 1420 мм при давлении 75 атм удельный запас упругой энергии в перекачиваемом газе составляет 51 мдж на один метр трубопровода, а в самом металле только 0,6 мдж/м. Для сравнения, в трубопроводе диаметром 1220 мм запас упругой энергии газа при давлении 55 атм вдвое меньше – 26 мдж/м. Таким образом, газопровод большой протяженности представляет собой как бы единую высоко напряженную систему и ведет себя как гигантская цельная конструкция, подверженная испытанию на прочность.
При длительном статическом нагружении и повышенном запасе упругой энергии в нагружающей системе многие, даже весьма пластичные материалы становятся склонными к замедленному разрушению. Такая склонность обусловлена постепенной локализацией пластической деформации около микроскопической трещины и последующим развитием разрушения в наиболее напряженных объемах материала. Это обстоятельство делает материал трубопровода чрезвычайно непредсказуемым в отношении риска внезапных разрушений. Кстати, то обстоятельство, что газопроводы повышенного диаметра более склонны к катастрофическим разрушениям, было учтено при прокладке газопроводов Северный поток 2 и Турецкий поток — диаметр труб в этих газопроводах составляет 1143 мм.
И за рубежом, и в нашей стране были проведены многочисленные исследования, была разработана теоретическая база, что позволило установить причины описанных выше разрушений и дать рекомендации по предотвращению подобных явлений. Во всех случаях виновником возникновения неконтролируемых спонтанных разрушений оказываются зародыши трещин, которые могут быть весьма микроскопическими, развиваться в течение довольно продолжительного времени, и в конце концов приводить к практически мгновенному разрушению, когда трещина начинает распространяться в стали со скоростью звука в ней.
Ниже в качестве примера я приведу одно из подобных исследований, которое показывает, насколько глубоко требовалось вникнуть в механизм образования неконтролируемых разрушений.
Случай помог выбрать для исследования очень интересный объект – длинномерную деталь из среднелегированной стали толщиной 80 мм. Несколько таких деталей при закалке в воду после нагрева под термическую обработку образовали трещины – расслои по середине толщины детали. Был отмечен также единичный случай полного расслоения детали при закалке по толщине на всю длину, что сопровождалось оглушительным треском, так что вместо одной детали из закалочного бака извлекли две вдвое меньшей толщины, что никак не предусматривалось технологическим процессом.
Для исследования отобрали детали, в которых трещины распространялись на длину от 700 до 1500 мм. Следует отметить, что прочность на разрыв данной стали после закалки и высокого отпуска составляет не менее 1300 МПа, а в закаленном состоянии прочность еще выше, поэтому расслоение деталей, а также образование в ней таких протяженных трещин вызывало, по меньшей мере, удивление.
В современных технологических процессах очень широко используют охлаждение заготовок в воде после термического или прокатного нагрева, что в принципе приводит к возникновению значительных термических напряжений, но эти напряжения, как показывают расчеты, все же ниже предела текучести стали, поэтому в данном случае казалось, что они не могли приводить к разрушению детали.
Материал и методика исследования
Расслоения в заготовках выявляли после окончательной термической обработки. Они располагались в нижней кромке заготовки по длине, соответствующей осевой части листового проката. Расслоения распространялась на глубину от одного до нескольких сантиметров, а в единичных случаях могли приводить к полному расслоению заготовки по толщине.
Из трех деталей, в которых были обнаружены расслоения длиной 780, 1000 и 1500 мм по нижней кромке детали, были отобраны пробы 250¸300х600 мм, которые непосредственно примыкали к расслою (осевая зона листа), а также пробы из верхней кромки (в дальнейшем – кромка листа), которые соответствовали поверхностной зоне слитка.
От проб с помощью абразивной резки отрезали темплеты, из которых затем с помощью анодно-механической резки вырезали заготовки образцов для исследования макро- и микроструктуры, физических и механических свойств (в поперечном и вертикальном направлении относительно плоскости прокатки). Вертикальные образцы для оценки ударной вязкости и коэффициента интенсивности напряжений вырезали таким образом, чтобы надрез располагался в плоскости прокатки в центральной по толщине части листа.
Подробное исследование механических свойств данной стали (прочности, ударной вязкости, пластичности) на образцах, вырезанных из участков, соседствующих с трещиной, и в бездефектных зонах, не позволил выявить каких-либо отклонений от номинальных значений, соответствующих данной марке. Поэтому для выявления склонности стали к расслоениям по толщине листа привлекли критерий интенсивности напряжений, обозначаемый в механике разрушения как K1c. Этот критерий имеет довольно странную, на первый взгляд, размерность кг/мм3/2 (МПа/м1/2). Физический смысл данного критерия – это напряжение, при котором происходит разрушение путем отрыва, при наличии трещины критического размера в материале. Испытания проводят таким образом, что в специальном образце наращивают трещину путем приложения циклических нагрузок, а затем постепенно, прикладывая к образцу с трещиной все увеличивающуюся растягивающую нагрузку, наблюдают за ростом трещины, и в момент разрушения фиксируют величину напряжения.
Образец для проведения испытаний на внецентренное растяжение довольно сложен по конфигурации (за что получил сленговое название «штаны»), и не менее сложен в изготовлении (рис. 1). По ГОСТ 25.506-85 он именуется как тип 3, нами использованы образцы толщиной 25 мм.
Усталостную трещину наносили на пульсаторе ЦДМ-10 при верхней нагрузке 2000-3000 и нижней – 500 кг. Частота пульсаций 750 циклов в секунду, число пульсаций 3-5 тысяч. Зарождение усталостной трещины проводилось при верхней нагрузке 3000 кг, а ее рост до длины 1,5-2 мм – при верхней нагрузке 2000 кг. Для более удобного наблюдения за ростом трещины в надрез предварительно закапывали типографскую краску, разбавленную керосином, которая впитывалась в трещину в процессе ее роста. Испытания образцов проводили на машине DU-19 (Франция) с записью диаграммы усилие — раскрытие трещины. Вязкость разрушения оценивалась по такой вот простенькой формуле:
K1c = [P/(t*b1/2 ) ]*[29,6*(l/b)1/2 - 185,5*(l/b)3/2 +655,7*(l/b)5/2 -1017*(l/b)7/2 + 638,9*(l/b)1/2 ], кг/мм3/2
P – усилие для разрушения образца, кг;
t – толщина образца, мм;
b – ширина образца, мм;
l – длина надреза с усталостной трещиной, мм.
Макро и микроструктура стали
Расслоение в исследованных деталях располагается в центре по толщине листа, распространяется в разных деталях на различную глубину, траектория ее имеет ступенчатый характер. В вершине расслоения на поперечных темплетах следы пластической деформации не обнаруживаются. Макроструктура всех исследованных проб характеризуется плотным строением, отсутствуют ярко выраженные дефекты типа газовых пузырей, ликвационных полос, участков с грубой дендритной структурой.
Заметных различий в микроструктуре по различным зонам не отмечается.
Металл характеризуется заметной полосчатостью (рис. 2), которая связана с дендритным строением исходного литого металла в стальном слитке и характерна для катаных легированных сталей. Полосы различной травимости вытянуты вдоль направления прокатки и заметно различаются по микротвердости, и по содержанию легирующих элементов. Светлые полосы содержат повышенное количество молибдена, никеля, меди, кремния и марганца (определение выполнено с помощью микрорентгеноспектрального анализа), в них сосредоточены также НВ-сульфиды и строчечные оксиды, и расслой распространяется также по светлым полосам.
Траектория трещины имеет ступенчатый характер (рис. 3), отсутствуют участки, указывающие на протекание макропластической деформации перед разрушением, на поверхности наблюдаются многочисленные площадки и бороздки, свидетельствующие о хрупком характере разрушения.
Загрязненность неметаллическими включениями и влияние НВ на особенности разрушения стали под нагрузкой
В стальных деталях обнаружены пластичные, вытянутые вдоль направления прокатки сульфиды марганца (рис. 4), а также сложные оксиды, располагающиеся вдоль направления прокатки в виде цепочек и строчек (рис. 6).
Загрязненность НВ типична для стали мартеновского способа выплавки. В центральной зоне листа по толщине загрязненность пластичными сульфидами и строчечными оксидами несколько выше. Сульфиды и оксиды располагаются избирательно относительно полосчатой структуры, в полосах, где отмечается повышенное содержание Ni, Mo, Cu, Si, Mn (рис. 5).
В вязком чашечном изломе поперечных и вертикальных ударных образцов наблюдаются многочисленные НВ, преимущественно сульфиды, зародыши трещин не обнаруживаются (рис. 6, рис. 7). Подобный характер излома свидетельствует, что разрушение проходило по скоплениям НВ.
Изучали влияние НВ на характер пластической деформации и разрушение с помощью наблюдения этих включений при больших увеличениях.
На вертикальных образцах хрупкие трещины образуются в местах залегания сульфидов и оксидов практически одновременно на всех включениях, находящихся в поле зрения, при отсутствии пластической деформации основного металла (рис. 9).
Напряжение, при котором образуются микротрещины на включениях, на 10-15% ниже напряжения начала пластической деформации основного металла, определяемого по появлению следов скольжения. Возникшие в сульфидах микротрещины инициируют полосы скольжения в основном металле, по которым при увеличении напряжения происходит дальнейшее вязкое распространение трещины (рис. 9-10).
На строчках вытянутых сульфидов возможно облегчение слияния нескольких микротрещин в одну (рис. 11).
В участках, где отсутствуют НВ, локальная пластическая деформация с образованием микротрещин в полосах скольжения наблюдается только при исчерпании металлом запаса пластичности.
Механические свойства
Механические и пластические свойства стали в продольном и поперечном направлении в изученных зонах трех исследованных деталей с вероятностью 0,95 совпадают.
Сталь характеризуется значительным разбросом свойств при сравнении таковых на поперечных и вертикальных образцах относительно плоскости прокатки (как говорят, свойства имеют значительный коэффициент анизотропии). Пластические свойства в осевой части листа заметно ниже, чем на кромке. При испытании вертикальных образцов на прочность, пластичность и ударную вязкость эти свойства отражают в какой-то мере склонность стали к образованию расслоений, однако расчетный коэффициент корреляции между длиной расслоений в деталях и свойствами в вертикальном направлении значительно ниже табличного коэффициента при уровне значимости 0,8, то есть данная зависимость не значима.
Результаты определения K1c методом внецентренного растяжения поперечных образцов толщиной 25 мм с боковым надрезом и усталостной трещиной (рис. 12) прошли проверку корректности по критериям отношения коэффициента интенсивности напряжений к пределу текучести стали. При выбранной толщине образца 25 мм и длине надреза с трещиной 28-30 мм поперечные образцы этому критерию также не удовлетворяют (требуются образцы большей толщины) и результаты их испытаний могут быть использованы только как ориентировочные.
Для вертикальных образцов на внецентренное растяжение все необходимые и достаточные условия испытаний удовлетворяются, и результаты являются корректными при толщине образцов 25 мм (рис. 12).
Параметр K1c значимо отмечает разницу в качестве металла осевой зоны и кромки листа в пределах одной плавки. Интервалы для K1c в оси и кромке листа не перекрываются даже при высоком уровне доверительной вероятности 0,95, максимальное значение K1c в осевой зоне меньше, чем минимальная величина K1c для кромки листа. Такого четкого различия в свойствах не удалось получить при использовании ранее описанных показателей пластичности и ударной вязкости.
Коэффициент корреляции между протяженностью расслоев на деталях и значениями K1c для осевой зоны равен 0,89, что подтверждает достоверность зависимости между этими величинами.
Еще более убедительным является комбинированный параметр, имеющий размерность длины и прямо пропорциональный протяженности зародышевой трещины, способной к самопроизвольному, спонтанному распространению при уровне растягивающих напряжений ниже предела текучести (рис. 13). Коэффициент корреляции между протяженностью расслоений и параметром (K1c/σо2)2 равен 0,94. Это позволяет представить данную зависимость в виде линейной функции. Экстраполяция этой функции при длине расслоя равным нулю дает критическое значение, при котором при большем его значении вероятность расслоения также равна нулю. При среднем для осевой зоны значении предела текучести 1120 МПа значение K1c, при котором вероятность появления расслоений близка к нулю, соответствует 101 МПа/м1/2 .
Причиной возникновения расслоев в листовой стали является механическая волокнистость металла, обусловленная раскаткой дендритной неоднородности металла, и связанное с ним слоистое расположение неметаллических включений. Роль неметаллических включений и других инородных частиц сводится к концентрации напряжений вблизи включений, возможностью растрескивания таких частиц, нарушению связи между включениями и основой стали и дальнейшему распространению образовавшейся микротрещины, что происходит при напряжениях меньших, чем предел текучести. В дальнейшем происходит распространение трещины по наиболее легким путям в скоплениях неметаллических включений и поверхности раздела частица-основа стали.
Значения найденного критерия интенсивности напряжений показывают, что при уровне напряжений 700-800 МПа (при том, что предел текучести стали не менее 1050 МПа) сталь сохраняет способность сопротивляться распространению трещины, если величина зародыша трещины не превышает по глубине 1,3 мм, по длине 13 мм, при превышении этих показателей сталь разрушается. При том же уровне напряжений, возникающих в поперечном относительно прокатки направлении, исследованная сталь способна сопротивляться хрупкому разрушению, если величина надреза не превышает 2,5 мм по глубине и 25 мм по длине.
Приведенный пример исследования трещиностойкости наглядно показывает, что разрушение стали при наличии микроскопических несплошностей, неметаллических включений, может происходить при напряжениях ниже предела ее текучести, что при расчетах прочности конструкций без учета данного обстоятельства может создавать иллюзию надежности материала в условиях эксплуатации.
Не забывайте, что у нас есть вакансии.