Особенности оценки сопротивления хрупким разрушениям термически улучшенных сталей

Сопротивление хрупким разрушениям строительных сталей обычной и повышенной прочности с σ_Т= 230...350 Н/мм² оценивают при испытаниях на ударную вязкость в интервале температур эксплуатации. Например, низколегированная сталь с σ_Т = 300...350 Н/мм² согласно СНиП 11-23-81 может использоваться в конструкциях при расчетных температурах до -40° С, если ее ударная вязкость при -40° С (KCU^-40) выше 30 ≥ Дж/см². Однако оценка термически упрочненных сталей с σ_Т ≥ 400 Н/мм² по этим критериям в общем случае неправомерна, поскольку ударная вязкость таких материалов может быть велика даже при заведомо хрупком состоянии металла из-за сильного влияния высокой прочности проката на работу разрушения.

Сравнение сталей обычной и высокой прочности при испытаниях на ударный изгиб становится вполне корректным при условии записи диаграммы разрушения, например, осциллографическим способом в координатах динамическая нагрузка (Рд)—прогиб (f). Анализ таких диаграмм позволяет достаточно определенно судить об особенностях зарождения и распространения трещин в образце, о силовых и деформационных характеристиках разрушения и т. п.

Информативность принятой методики видна на примере анализа изменения ударной вязкости упрочненного проката при изменении температуры отпуска. Видно, что при всех рассматриваемых температурах отпуска ударная вязкость достаточна велика по сравнению с низколегированными сталями повышенной прочности.
Однако лишь при анализе вида диаграмм Pд—f видно, что сопротивление стали зарождению и распространению трещин резко возрастает при переходе к температурам отпуска до 680-700° С. При этом вид диаграмм изменяется от треугольного до диаграммы с развитыми областями, соответствующими зарождению и распространению трещин.

Резкое повышение сопротивления термически упрочненного проката разрушению связано с формированием в ферритной матрице субзеренной структуры, образующейся в прокате во время высокотемпературного отпуска в результате развития процессов полигонизации и ранних стадий рекристаллизации.

Высокая прочность в рассматриваемом прокате является результатом суммарного действия всех основных механизмов упрочнения, типичных для конструкционных сталей: упрочнение феррита легирующими элементами; упрочнение в результате образования агрегатных и, особенно, дисперсных частиц; упрочнение неупорядоченными дислокационными сетками высокой плотности; зерно- и субзернограничное упрочнение. Вместе с тем очевидно, что работа рассматриваемых термически упрочненных сталей в элементах конструкций определяется, главным образом, лишь двумя механизмами упрочнения — субзернограничным или механизмом упрочнения неупорядоченными сетками дислокаций высокой плотности. В этом состоит сформулированный в работах принцип доминирования механизмов упрочнения. Треугольная форма диаграммы Рд —f, типичная для закаленной стали с микроструктурами промежуточного типа или мартенсита, а также с последующим отпуском по среднетемпературным режимам, обусловлена доминированием механизма упрочнения неупорядоченными сетками дислокаций высокой плотности.

Вид диаграммы с областями, соответствующими зарождению и распространению трещины, характерен для улучшенных сталей и при преобладающем субзернограничном механизме упрочнения. Другие механизмы упрочнения в данном случае не влияки на вид диаграммы Рд—f, который у термически упрочненных сталей для строительных конструкций не зависит от прочностных характеристик. Поэтому сравнение сталей различной прочности следует проводить по виду диаграмм разрушения, полученных при испытаниях образцов на ударную вязкость. При этом при аналогичном виде диаграммы Pд—f для сталей различной прочности работа разрушения с ростом прочности стали также должна возрастать. При анализе диаграмм Рд—f были установлены критериальные нормы ударной вязкости для оценки вязкохрупкого перехода термически упрочненных сталей различной прочности.

При статистическом анализе промышленных партий сталей, упрочненных на металлургических заводах, подтверждена эффективность использования образцов с F-образным надрезом, о чем свидетельствует увеличение коэффициента вариации при таких испытаниях.

Выявлено, что упрочненные стали, по сравнению с горячекатаными, имеют более высокие и однородные значения ударной вязкости. Результаты испытаний промышленных партий улучшенных сталей с σ_Т = 400...750 Н/мм² показали, что эти материалы по своей природе могут иметь гарантированную ударную вязкость при -40° С и даже — 70° С, определенную на образцах с F-образным надрезом.

Для оценки сопротивления сталей высокой прочности хрупкому разрушению эффективными оказались методы механики разрушения, базирующиеся на характеристиках трещиностойкости материала, в первую очередь на вязкости разрушения или критическом коэффициенте интенсивности напряжений. Вязкость разрушения сталей определяется на образцах с трещинами, при этом напряженное состояние в вершине трещины должно быть близким к плоскодеформированному. Особенности разрушения термически упрочненных сталей с дисперсной структурой наилучшим образом описываются при испытаниях именно таких образцов

Было установлено, что вязкость разрушения рассматриваемых сталей после горячей прокатки, нормализации и улучшения возрастает при повышении прочь ости, а также при увеличении чистоты стали по вредным примесям или три модифицировании сульфидной фазы. Полученные результаты в целом удовлетворительно описываются моделями типа Хана—Розенфилда. Полученные данные показали, что страгивание трещины определяется процессами роста пор, формирующихся на включениях в концевой части перед вершиной трещины, и слиянием этих пор с движущейся трещиной.

Вместе с тем параметры вязкости разрушения, определяемые при статических нагрузках, обладают относительно невысокой структурной чувствительностью: они могут слабо зависеть от перегрева проката, температуры отпуска, режимов упрочнения и т. п.
Установлено, что зависимость характеристик трещиностойкости от микроструктуры стали резко усиливается при переходе к испытаниям образцов с трещиной ударной нагрузкой.

Улучшенные высокоотпущенные стали имеют наибольшую вязкость разрушения К_1с^-70 из-за высокого сопротивления сколу дисперсной структуры этих материалов. Наоборот, в термически упрочненных сталях после среднетемпературного отпуска релаксация пиков напряжений у вершины трещины затруднена из-за действия неупорядоченных дислокационных сеток высокой плотности, что облегчает старт трещины при ударных испытаниях. Наконец, наблюдаемое понижение вязкости разрушения при ударных испытаниях у сталей с феррито-перлитной структурой объясняется обычным для подобных материалов существенным повышением сопротивления трения кристаллической решетки из-за возрастания скоростной составляющей.

Для определения работоспособности ряда ответственных конструкций оценивали способность сталей тормозить трещины. Подобные оценки проводили при испытаниях крупных пластин натурных толщин, находящихся в градиентном температурном поле (испытания по Робертсону). Установлено, что сопротивление быстро распространяющихся трещин в исследуемых сталях резко возрастает при переходе от горячекатаных и нормализованных сталей, в том числе мелкозернистых, к улучшенным, несмотря на увеличение прочности проката. Так, у стали 12ГН2МФАЮ с σ_Т = 600 Н/мм² по сравнению со сталью Ст_Зсп критическая температура остановки трещины t_ОCT снижается на 50-60° С. Было установлено, что у закаленного и высокоотпущенного проката сопротивление распространению трещины существенно выше, чем у низко- или средне-отпущенного.

Критическая температура t_ОCT примерно совпадает с критической температурой хрупкости, установленной по содержанию 50% волокна в изломе при испытаниях на ударный изгиб (T⁵⁰), для сталей с феррито-перлитной структурой, в том числе мелкозернистой, а также для улучшенных сталей, когда остановка трещины на макроуровне четко делит излом по кристаллографическому признаку: разрушение отрывом (излом), разрушение срезом (долом).

Энергоемкость вязкого разрушения мелкозернистых и улучшенных сталей можно резко повысить, снизив содержание вредных примесей, прежде всего, десульфурацией, поскольку локализация разрушения в рассматриваемых сталях резко усиливается при наличии крупных порообразуюших частиц, прежде всего сульфидов марганца. Поэтому при выборе сталей высокой прочности в конструкции следует отдавать предпочтение материалам повышенной чистоты.

В результате проведенных исследований выявлены общие соотношения между прочностными характеристиками и сопротивлением разрушению сталей для строительных металлических конструкций.

Если в стали любого из рассматриваемых микроструктурных классов повышать предел текучести увеличением плотности дислокаций, снижая для этого температуру отпуска при термическом упрочнении, то сопротивление материала разрушению, прежде всего трещиностойкость, будет снижаться. Однако, если прочность проката для строительных конструкций повышается при термоулучшении (сохраняя доминирующее влияние зерно-и особенно субзернограничного механизма упрочнения), то трещиностойкость проката как на стадии страгивания, так и на стадии остановки трещины тоже может возрастать.

Приведенные результаты показали, что улучшенные стали можно рекомендовать для наиболее ответственных строительных конструкций, эксплуатирующихся при низких расчетных климатических температурах вплоть до —65° С.

Подобный комплекс разработан применительно к сварным строительным конструкциям, но его реализация не всегда возможна. Поэтому в сталях для строительных конструкций высокое сопротивление хрупким разрушениям должно обеспечиваться непосредственно микроструктурой проката. Понятие о сталях высокой прочности для металлических конструкций должно включать в себя не только сведения о значениях, но и о микроструктуре, обеспечивающей надежную работу элементов конструкций.

Еще раз подчеркнем, что об оптимальной структуре термически упрочненных сталей можно судить по зависимости свойств стали от температуры отпуска. Резкое повышение сопротивления хрупкому разрушению улучшенных сталей достигается при температуре отпуска, при которой в ферритной матрице энергично развиваются процессы полигонизации и начальные стадии рекристаллизации. Конкретный уровень прочности, достигаемый при этом, зависит от особенностей легирования стали. Следует обратить внимание, что в сталях бейнитного класса (сред-нелегированные стали с молибденом), закаливающихся на мартенсит, рациональные температуры отпуска могут находиться в узких пределах, технологически затрудняющих получение оптимальных свойств в реальных промышленных условиях.