Роль неметаллических включений в процессах зарождения и развития микротрещин в стали.

Проведенный анализ неметаллических включений в стали 110Г13Л показал, что в стальной матрице содержатся включения трех основных групп: а – сульфидные; б – оксидные; в – силикатные. Основная масса включений сульфидного типа представляет собой твердый раствор FeS в MnS. Это включения вытянутой эллипсовидной формы светло-серого цвета химически малоустойчивы. Они легко деформируются при прокатке стали и располагаются как строчками, так и случайно. В стали обычного состава (без добавок титана) обнаружено незначительное количество недеформируемых включений сульфидного типа (MnS). Это одиночные включения правильной формы светло-серого цвета, химически более стойкие по сравнению с основной массой сульфидных включений. Основная масса включений оксидного типа представляет собой включения глинозема Al₂O₃. Это твердые, недеформируемые включения правильной формы черного цвета химически стойкие. Они располагаются как строчками, так и случайно. К это же группе и относятся и включения типа FeO - MnO шаровидной формы темного цвета, располагающиеся случайно. Включения силикатной группы – это включения сложного состава, содержащие SiO₂. Они бывают как деформируемые, так и недеформируемые. Имеют различную форму, темные цвет различных оттенков от серого до черного. Силикатные включения располагаются в основном беспорядочно и являются химически стойкими соединениями.

Проведенное исследование процессов разрушения в период циклического нагружения показало, что неметаллические включения в матрице активно влияют на процессы сдвигообразлвания в локальных объемах. Общим для всех включений является то, что они в большинстве случаев концентрируют полосы скольжения, как бы предопределяя направление сдвигообразования в окружающей их матрице. Наиболее интенсивно на процессы скольжения влияют крупные неметаллические включают как оксидно-силикатного, так и сульфидного типов. Действия последних усиливается еще и тем, что они всегда окружены ферритом, свободным от цементитных пластинок. Концентрация полос скольжения наблюдается: а - у концов крупных сульфидных включений; б- уоксисульфидов; в- у строчек глиноземно-силикатных включений; г- в углах включений типа Mns. На ранних стадиях включений типа твердого раствора FeS в MnS.

Зарождение микротрещин происходит, в основном (70-75%), у неметаллических включений почти одновременно с появлением видимых признаков скольжения в матрице. В образцах из стали обычного состава первой микрополости, разрешимые при увеличении в 600 раз, появляются при продолжительности испытаний, составляющей 5-7% долговечности образцов. В стали модифицированных РЗМ, они появляются несколько позднее, а именно при продолжительности испытаний, составляющей 10-12% от долговечности образцов.

Вероятность зарождения микротрещин у включения зависит от свойств включения, его формы размеров, а также от коэффициента относительности жидкости включения. Для включения эллипсовидной формы на вероятность зарождения микро трещин влияет так же ориентация этих включений относительно действующих напряжений. Для исследуемой стали вероятность зарождения микро трещин для конкретных видов включений составляет 34% для включений типа MnS, 23%- включений силикатного типа, 20% для сульфидных включений типа твердого раствора FeS в MnS, 10% для оксидных включений, расположенных в строчке, 8%-для одиночных оксидов.

Можно считать, что микротрещены у включений образуются, в основном, по трем механизмам:

а) путем отрыва матрицы от включений по поверхности раздела между ними и дальнейшего выхода этой микрополости в матрицу в острых углах включения;

б) путем разрыва самого включения и перехода этого разрыва по поверхности раздела между матрицей и включением в матрицу;

в) путем постепенного сгущения полос скольжения в микрообъеме матрицы около крупных включений и дальнейшего образования в этих участках микротрещины.

Механизм зарождения микротрещин обуславливается прочностными свойствами включения, его форма коэффициентом относительной жесткости а.

Зарождений микротрещин по первому механизму, т.е. путем отрыва матрицы от включения происходит в том случае, если включения представляют собой прочное соединение равноосной формы. К таким включениям относится сульфиды марганца нитриды, карбиды и карбонитриды титана. Наиболее слабым участком микрообъема, содержащего эти включения, является переходная зона между включением и матрицей, по которой и происходит первоначальное образование полости. Эта переходная зона между выявляется вакуумным высокотемпературным травлением и представляет собой часть матрицы с повышенной плотностью дислокаций, с концентрацией вакансий и других субмикронеоднородностей структуры в отдельных участках. Структурные дефекты в переходной зоне обуславливаются некогерентностью включения и матрицы, различием коэффициентов линейного и объемного расширения. В период циклического деформирования в отдельных участках переходной зоны образуются субмикропоры: а - за счет постепенного повышения плотности дислокаций в результате нагромождения их у включения, как у прочного барьера (скольжение в самом включении затруднено из-за некогерентности его с матрицей); б – за счет притока новых вакансий, образующихся вследствие перемещений дислокаций и их взаимодействия в результате цикличности нагружения; в - за счет образования ступеньки при выходе дислокаций на границу между включение и матрицей. При последующем нагружении существующие субмикропоры соединяются. Образуется микропора, которая, расширяясь, захватывает всю переходную зону по данной плоскости соприкосновения включения с матрицей. Возникшая при этом микрополость и есть отрыв от включения. Размер образовавшейся микрополости равен размеру включения. Далее происходит выход микрополости в матрицу в острых углах включения. Этот выход облегчается зонами разрыхления, которые образовались в результате возвратно-поступательного перемещения дислокаций в действующих плоскостях скольжения. После выхода микротрещина развивается по металлу. Микропор без последующего выхода в матрицу не наблюдалось.

Зарождение микротрещин по второму механизму, т.е. путем первоначального разрыва в самом включении, происходит в том случае, если включение представляет собой непрочное соединение эллипсовидной формы с коэффициентом α < < 1. К таким включениям в исследуемых сталях относятся сульфиды типа твердого раствора FeS в MnS, а также некоторые пластичные силикаты. Релаксация напряжений, сконцентрированных в этом микрообъеме, происходит путем скола, разрушения самого включения. Разрыв происходит в местах пересечения включения одной из действующих плоскостей скольжения, в результате скопления некоторого количества дислокаций. Для разрыва включения по ширине необходима сравнительно небольшая концентрация напряжений, так как разрывы по включению наблюдались на ранних стадиях циклического деформирования. При последующем нагружении происходит либо расширение разрыва по включению (вследствие поступления новых дислокаций в той же системе скольжения), либо переход разрыва из включения в переходную зону между матрицей и включением. Далее происходит распространение микрополости по длине включения и выход её в матрицу.

Зарождение микротрещин по третьему механизму происходит в том случае, если включение представляет собой соединение шаровидной формы с коэффициентом α ≤ 1. В исследуемой стали это включения типа FeO – MnO и некоторые силикаты. Микротрещина у таких включений образуется путем постепенного сгущения следов сдвигообразования в микрообъеме матрицы, окружающей включения. Зарождения микротрещины в этом случае предшествует значительная пластическая деформация в местах концентрации напряжений включением. При увеличении числа циклов нагружения образуется видимая микротрещина, которая впоследствии развивается по металлу. Шаровидная форма неметаллических включений является наиболее благоприятной формой включений в сталях.

Результаты эксперимента показали, что вероятность зарождения микротрещин у одного и того же вида включений определяется размерами включений. Используя известный энергетический критерий разрушения и результаты собственных экспериментов, рассмотрены энергетические условия для двух конкретных случаев зарождения микротрещин у включений.

Величина критического напряжения зависит от размеров включений. Чем больше размер включения, находящегося в матрице, тем меньший уровень напряжений необходим для образования полости у включения, тем большая вероятность зарождения микротрещин в данном объеме. Очевидно, какой-то размер включения является критическим размером опасного существования включения в матрице. Зарождение микрополости у включений с размером, меньше критического, энергетически выгодно. Теоретический расчет критических размеров включений для условий циклического деформирования затруднителен из-за сложного состава включений, небольших размеров исследуемых микрообъёмов, естественных отклонений формы включений от указанных выше и других сложных факторов.

Критические размеры неметаллических включений определялись экспериментально методом количественной металлографией с последующей статистической обработки результатов. Анализ результатов позволил установить критические размеры конкретных видов включений для стали 110Г13Л. Под критическим размером включения подразумевается тот наименьший размер включения, ниже которого зарождение микротрещин у включения не наблюдалось. Для исследуемой стали установлены критические размеры следующих видов включений:

а – для оксидных включений типа FeO – MnO - 42±2 мкм;

б – для сульфидных включений типа твердого раствора FeS в MnS - 30±2 мкм;

в – для пластичных силикатных включений - 35±2 мкм;

г – для оксидных включений типаAI₂O₃ - 8±2 мкм;

д – для соединений титана - 6±2 мкм;

е – для сульфидных включений типа MnS критический размер меньше 5 мкм.

Обобщая приведенные результаты, можно заметить, что для включения эллипсовидной формы с коэффициентом относительной жесткости α < 1 (сульфиды FeS в MnS, силикаты) Критический размер состовляет 30 – 35 мкм. Для включений шаровидной формы с α ≤ 1(оксиды FeO – MnO) значение критического размера несколько выше и состовляет 40 – 45 мкм, а для включений кубической формы с α < 1 (AI₂O₃, MnS) критические размеры находятся в пределах 5 – 10 мкм. Следовательно, прочные включения правильной формы должны быть очень мелкодисперсными. Данные о критических размерах конкретных неметаллических включений для реальных, промышленных сталей позволят искать пути уменьшения размеров включений для повышения усталости прочности стали.

Микротрещины, зародившиеся у различных включений, увеличивают свои размеры при дальнейшем циклическом деформировании. При последующем нагружении происходит соединение микротрещин друг с другом. Дальнейший процесс разрушения развивается как за счет роста микротрещин, так и за счет их соединения. Результаты наблюдений за процессом распространения микротрещин показали, что в подавляющем большинстве случаев они распространяются от включения к включению. Это подтверждается и при фрактографическом исследовании поверхностей разрушения. На всех исследованных поверхностях излома присутствует значительное количество различных неметаллических включений. Поверхность излома покрыта извилистыми полосками (следами фронта распространения трещин), изменяющими свое направление вблизи включений. Таким образом, неметаллические включения ускоряют процессы развития микротрещин, способствуя их распространению по металлу.