В работе эту характеристику оценивали по виду излома образцов, испытанных на ударный изгиб по стандартной методике. Вид микрорельефа изучали методами электронной фракгографии, в том числе на сканирующих электронных микроскопах. О работе распространения трещины судили по значению КСР, полученному при разложении ударной вязкости на ее составляющие: работу зарождения трещины КС3 и работу распространения трещины КСР по методу А. П. Гуляева.
Электронофрактографические исследования показывают, что в чисто вязкой области разрушения микрорельеф практически во всех случаях имеет однотипное ямочное строение. При этом, разумеется, изломы разных сталей имеют индивидуальные особенности.
У сталей с феррито-перлитной структурой, измельченной дисперсными нитридами и карбонитридами, размер ямок мельче, и они менее энергоемки. Это явление усугубляется при переходе к термически улучшенным сталям. У термически улучшенных сталей 10Г2С1 и 15Г2СФ (КСР = 5...6 Дж/мм2) типичным является рельеф мелких ямок (0,5-1 мкм). Ямочный рельеф термически улучшенных сталей бейнитного класса практически такой же, но разрушение характеризуется еще меньшей энергоемкостью: при полностью вязком изломе КСР = 2...3 Дж/мм2. У сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, наблюдается рельеф интеркристаллического типа, о чем свидетельствует большое число карбидных частиц, расположенных не только в фокусе, но и по границам ямок. Наконец, у сталей с бейнитной и мартенситной структурой, а также у среднеотпущенных сталей КСР ~ 1 Дж/мм2 и ямочный микромеханизм не реализуется даже при +100° С; здесь в изломе наблюдаются менее энергоемкие рельефы типа поверхностей вязкого скола, располагающихся часто по границам зерен, вблизи неметаллических включений.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Микрополости в матрице рассматриваемых сталей обычно формируются при разрушении включения или отрыве его от феррита по границам раздела. Образовавшиеся поры в процессе пластической деформации постепенно достигают значительных размеров, образуя, по терминологии Котрелла, «внутренние» шейки. Иногда полости имеют правильную ромбическую форму, что свидетельствует об их росте из-за пластического течения металла по плоскостям с максимальными касательными напряжениями. Часто эти поры вытянуты вдоль направления прокатки из-за строчечности залегания неметаллических включений и образуют своеобразные расслоения.
По мере увеличения числа пор и их размеров напряжения на участках металла, расположенных между полостями, возрастают и в конечном счете наступает разрушение перемычек, обычно путем среза. Общая картина вязкого разрушения в рассматриваемом случае не зависит от микроструктуры стали. Причина же пониженной энергоемкости вязкого разрушения по мере повышения прочности рассматриваемых сталей заключается, по-видимому, в понижении их пластичности и усилении локализации разрушения, из-за чего у сталей с большей прочностью формируются меньшие по объему и менее вытянутые полости. Аналогично воздействует фрагментарность структуры. Роль неметаллических включений при вязком разрушении рассматриваемых сталей весьма значительна: при их удалении из стали КСР резко возрастает.
Стали обычной чистоты для строительных конструкций по убыванию энергоемкости вязкого разрушения можно расположить в следующей последовательности: горячекатаные и нормализованные феррито-перлитного класса; с карбонитридным упрочнением и мелкой феррито-перлитной структурой; термически улучшенные двух первых групп; термически улучшенные с молибденом; с бейнитной и мартенситной структурой и среднеотпущенные стали.
В сталях с бейнитной и мартенситной структурой, в среднеотпущенных и в термически улучшенных с молибденом благодаря высокой плотности дислокаций релаксация напряжений при пластической деформации затруднена; уровень напряжений, действующих на плоскостях скольжения, возрастает, что предопределяет большую локализацию пластической деформации в зоне разрушения при меньшей степени общей пластической деформации, а следовательно, и при меньших затратах энергии. Действие этих факторов тем более эффективно, чем выше скорость распространения трещины.
Микромеханизмы распространения хрупких трещин в рассматриваемых сталях резко отличаются друг от друга. Об этом, в частности, можно судить, проанализировав характер разрушения материалов при криогенных температурах, например при температуре жидкого азота. Хрупкие трещины в сталях с феррито-перлитной, а также бейнитной структурой имеют вид прямолинейных отрезков, т. е. распространяются по определенным кристаллографическим направлениям. В закаленных и высокоотпущенных сталях хрупкие трещины, наоборот, распространяются по криволинейным траекториям.
У закаленной и высокоотпущенной стали хрупкая трещина часто распространяется по границам аустенитного зерна; в данном случае ее распространение затруднено, на что указывает прерывистый характер транскристаллитной трещины. У стали высокой прочности со структурой верхнего бейнита хрупкая трещина распространяется транскристаллитно относительно аустенитного зерна. Транскристаллитное и почти прямолинейное относительно бывшего аустенитного зерна распространение хрупкой трещины в сталях со структурой бейнита происходит из-за того, что кристаллы, образовавшиеся из одного аустенитного зерна, имеют практически общую решетку и, в частности, общие плоскости скола.
Микрофотографии локальных участков хРУпких изломов стали 16Г2АФ с мелкозернистой феррито-перлитной структурой; они характеризуются большим числом хорошо развитых ступеней сюла и «ручьев». Такую картину скола иногда называют «ручьистым» узором. На этих же локальных участках изломов в большом количестве присутствуют так называемые «язычки», являющиеся выходами на поверхность скола (001) двойников или плоскостей (112); это, в частности, и вытекает из взаимной перпендикулярности линии пересечения язычков и плоскостей скола.
Наиболее общей причиной образования ступеней скола является пересечение хрупкой трещиной сеток винтовых дислокаций, пронизывающих плоскость скола. После прохождения фронтом трещины Дислокации с вектором Бюргерса b плоскость скола разбивается на две плоскости, соединенные единичной ступенью скола высотой порядка b. Если при дальнейшем распространении скола фронт трещины пересекает дислокации того же знака, ступень скола растет, образуя «ручей»; если же встречная дислокация противоположного знака, то она уничтожает имеющуюся ступень. Таким образом, «ручей» состоит из ряда сливающихся ступеней скола. По направлению «ручьев» можно определить направление распространения скола на локальных участках излома.
В работе отмечается, что, поскольку малоугловые границы кручения между соседними субзернами ферритной матрицы состоят из правильных рядов винтовых дислокаций, при прохождении фронта трещины через такую границу на поверхности скола наблюдается образование большого числа ступеней. Если соседние субзерна разделены границей наклона, переход фронта трещины через нее влечет за собой лишь изменение направления имеющихся «ручьев». Это положение позволяет анализировать строение ферритной матрицы исследуемой стали.
Электроннографические исследования подтвердили, что хрупкая трещина в нормализованной стали 16Г2АФ распространяется по ферритным зернам. При этом образуются крупные фасетки скола, отделенные друг от друга малоугловыми границами кручения или кручения с наклоном и соответствующие, видимо, элементам действительной ферритной структуры — субзернам.
Микрофотографии локальных участков изломов горячекатаной стали 15ХГ2СМФР со структурой верхнего бейнита. Локальные участки изломов этой стали сходны по морфологии с вышеописанной картиной хрупкого разрушения нормализованной стали 16Г2АФ. Поверхности хрупкого скола состоят из крупных фасеток; отдельные субзерна разделены границами наклона и скручивания.
Приведенные данные подтверждают, что при распространении хрупкой трещины в сталях со структурой верхнего бейнита фасетки образуются при раскалывании колоний кристаллов, образовавшихся из одного аустенитного зерна.
Следует сразу отметить, что в термически упрочненных сталях, отпущенных при температурах, при которых процесс полигонизации еще не развивается, картина скола аналогична описанной.
Таким образом, у сталей с феррито-перлитной и бейнитной микроструктурой распространение хрупкой трещины сопровождается формированием крупных фасеток скола; когерентные области ферритной матрицы в обоих случаях отделяются друг от друга границами наклона и скручивания. Только в первом случае областью ориентационного соответствия являются зерна феррита, а когерентным областям соответствуют субзерна феррита; во втором — областью ориентационного соответствия являются колонии бейнитных кристаллов, образовавшихся из общего аустенитного зерна при γ —α-превращении, а когерентным областям соответствуют отдельные бейнитные кристаллы.
Характер разрушения совершенно меняется при переходе к высокоотпущенным сталям, в которых происходит измельчение ферритной матрицы, нарушается ориентационное соответствие субзерен и т.д., что затрудняет распространение хрупких трещин. Резко измельчаются фрагменты хрупкого разрушения, трещина ветвится. Типичные микрорельефы в этом случае можно назвать квазисколом, фасетки имеют закругленные границы. Далее измельчение и разориентировка фрагментов ферритной матрицы приводит к появлению в изломе локальных участков, характерных для вязкого разрушения. Очевидно, что термически улучшенные стали обладают более высоким сопротивлением распространению хрупких трещин, чем стали с феррито-перлитной структурой, что сказывается и на температуре перехода в хрупкое состояние.
Измельчение зерна в стали и особенно переход от феррито-перлитной структуры к структурам закалки и высокого отпуска, обладающим фрагментированной ферритной матрицей с умеренной плотностью дислокаций, обычно сопровождается понижением температуры нижней границы существования волокнистых изломов и повышением КСР.
У сталей с феррито-перлитной структурой преобладающие типы рельефа с понижением температуры изменяются в следующей последовательности по убыванию энергоемкости: ямочный, вязкий скол, ручьистый, язычковый. Полное преобладание хрупких механизмов разрушения у стали СтЗкп наблюдается при температуре —20° С, у стали СтЗсп при —40° С, у горячекатаной стали. 09Г2С при —60° С, у мелкозернистых сталей 15Г2СФ и 16Г2АФ при —100° С. У термически улучшенных сталей, например 10Г2С1, 15Г2СФ, 14ГСМФР, с понижением температуры микрорельеф изменяется от мелкоямочного и вязкого скола к квазисколу, однако изменение происходит медленнее, чем у сталей с феррито-перлитной структурой. При низких температурах типичным является соседство в локальных участках вязкого и хрупкого микрорельефов, что часто затрудняет оценку содержания в этих сталях волокнистой составляющей при визуальном исследовании. Даже при —100° С в изломах таких сталей преобладает вязкий микрорельеф.
Следует еще раз подчеркнуть, что в зависимости от доминирующего механизма упрочнения строительные стали могут существенно различаться механикой распространения пластических деформаций, а также вязких и хрупких трещин.
Таким образом, из многообразия механизмов упрочнения строительных сталей с различной микроструктурой можно выделить доминирующий механизм, предопределяющий эффективность работы проката в конструкциях. У сталей с феррито-перлитной структурой — это механизм зернограничного упрочнения, у термически улучшенных сталей — механизм субзернограничного упрочнения, у закаленных и даже средне-отпущенных сталей определяющим является действие неупорядоченных дислокационных сеток высокой плотности.
В строительных конструкциях не следует использовать стали с доминирующим механизмом последнего типа, в первую очередь, из-за низкого сопротивления подобных материалов хрупкому разрушению.
