Моделирование «жесткого» каркаса и напряженно-деформированное состояние стали ВСТ3СП при низких температурах

Макаров Владимир Васильевич, кандидат физико-математических наук, ведущий инженер

Иванов Афанасий Михайлович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.

ки, размера зерна и состояния его границ, содержания легирующих элементов и примесей и т.д.

Разрушение стальных конструкций в условиях низких температур по причине хладноломкости металла является одним из основных явлений [1]. Наряду с кристаллической структурой, скоростью деформации, напряженным состоянием, физической и химической чистотой материала, определяющими вид разрушения, также действующим фактором является температура [2]. Как известно, существует ряд подходов к объяснению низкотемпературной хрупкости конструкционных сталей. Как было отмечено в работах [3-5] одной из причин хладноломкости может быть различие в теплофизических характеристиках структурных составляющих (зерно и граница зерен) сплава. Ранее в [6] было показано, что одной из причин хладноломкости конструкционных сталей, содержащих примесные включения, является образование перенапряженных областей вблизи включений из-за различия коэффициента теплового расширения между ними и основным металлом. Также в [7] описана простая модель «жесткого» каркаса и «мягкого» металла к описанию физической природы процесса хладноломкости конструкционных сталей с учетом того, что коэффициент теплового расширения карбидов на порядок меньше, чем основного металла (матрицы). При изучении природы хладноломкости определенную роль играет моделирование структурного и деформированного состояния металлического материала. Поскольку при низких температурах межзеренные границы у большинства металлических материалов обычно прочнее тела зерна и разрушение имеет транскристаллитный характер, то моделирование «жесткого» каркаса

(границы зерна) и исследование его влияния на напряженно-деформированное состояние модельных образцов может дать дополнительную информацию в объяснении природы хладноломкости.

Целью работы является исследование вклада границ зерен в деформирование конструкционного поликристаллического материала при низких температурах на основе моделирования «жесткого» каркаса и «мягкой» матрицы.

• 2.    МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

• 3.    РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей работе исследованы образцы из малоуглеродистой стали ВСт3сп (0,17 % С, 0,2 % Si, 0,54 % Mn, 0,14 % Cr, 0,14 % Ni и 0,25 % Cu, остальное Fe).

Для исследования и моделирования влияния «жесткого» каркаса на «мягкую» матрицу (тела зерна) были изготовлены образцы следующим образом. Из листовой стали ВСт3сп толщиной 2 мм вырезали квадраты со сторонами 20´20 мм. Затем эти квадраты соединялись между собой путем сварки высокопрочными электродами (Япония). При этом сварной шов в первом приближении можно рассматривать как границы зерен («жесткий» каркас), а квадраты листового металла как тело зерна, т.е. «мягкая» матрица. Для минимизации влияния высокотемпературного шва на структуру и механические свойства основного металла нами использовались электроды O/ 2 мм.

Вид образцов с искусственным «жестким» каркасом приведен на рис. 1.

Второй вид образцов изготовлен путем наплавки сварным швом «жесткого» каркаса на листовой образец без вырезания на квадраты. Вид образцов с искусственным «жестким» каркасом в виде наплавки сварным швом приведен на рис. 2.

Методика создания напряженного состояния и определения напряжений в исследуемом образце описана в [5]. Для нагружения использовалось специальное устройство, реализующее изгиб образца в упругой области деформирования. Напряжения I рода в образце определяли с использованием портативного рентгеновского определителя напряжений «ПРОН» отечественной разработки.

Созданный искусственный «жесткий» каркас из сварного шва отличается от основного металла, как по структуре, так и по механическим свойствам. В этом случае сварной шов получается более прочным и жестким. Механические свойства сварного шва и основного металла для исследованных образцов приведены в таблице 1.

Из данных табл. 1 и исследования структуры [8] видно, что сварной шов и металл квадратных участков отличаются. Из этого можно сделать вывод о том, что роль дополнительных границ зерен играют сварные швы, а телу зерна соответствует тело квадрата листового металла.

Рис. 1. Образец с искусственным «жестким» каркасом (со сваренными квадратами): а – вид сверху; б – вид сбоку

Рис. 2. Образец с искусственным «жестким» каркасом в виде наплавки: а – вид сверху; б – вид сбоку

Таблица 1. Механические свойства основного металла, металла сварного шва и напряжения I рода в основном металле в образцах различного типа из стали ВСт3сп

№	Материал	Механические свойства
		о т , МПа		о в , МПа
1	Основной металл	315		450
2	Металл шва	420		540
	Тип образца	Напряжение I рода, МПа
		293 К	253 К		233 К
3	Образец без сварки	193,8	215,6		226,8
4	Образец с наплавкой сваркой	257,4	281,1		292,8
5	Образец со сваркой насквозь	270	361,2		401,2

Такое моделирование границ зерен и тела зерна осуществлено с тем, чтобы показать действие «жесткого» каркаса на деформирование «мягкой» матрицы (тела зерна) в ходе сжатия поликристаллического вещества при низких температурах. При этом, если будет выявлено в ходе исследования напряженно-деформированного состояния исследованных образцов дополнительный вклад от искусственного «жесткого» каркаса в виде сварных швов, отличающихся по свойствам от основного металла, то можно косвенно сделать вывод о вкладе границ зерен («жесткого» каркаса) в дополнительное деформирование конструкционного поликристаллического материала при низких температурах.

Из данных измерений упругих напряжений1 при понижении температуры (рис. 3) видно, что с понижением температуры увеличиваются упругие растягивающие напряжения, как у исходных образцов, так и у образцов со сварными наплавками и со сваренными насквозь квадратами. Притом у образцов с наплавками характер низкотемпературного увеличения упругих растягивающих напряжений примерно такой же, как у исходного образца без наплавок. То есть сварные швы в виде наплавок практически не влияют на характер увеличения низкотемпературных упругих напряжений, так как наплавки поверхностные и ограничивающих действий как «жесткая» решетка они не оказывают. Изменения упругих растягивающих напряжений у образцов с проваренными насквозь сварными швами при понижении температуры показывают, что в этом случае скорость увеличения этих напряжений повышается и в рассмотренном интервале температур разница в значениях упругих растягивающих напряжений достигает 25 %.

• 4.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, данные, полученные из испытаний образцов с моделированным «жестким»

1 Измерения напряжений с помощью прибора «ПРОН» выполнены О.П. Тихоновым.

200        225        250        275        300 К

Рис. 3. Зависимость напряжений I рода от температуры при действии растягивающей нагрузки на образцах из стали ВСт3сп: 1 – исходный образец; 2 – образец с наплавками в виде решетки;

• 3 – образец с проваренными насквозь квадратами в виде решетки.

каркасом, показывают, что «жесткий» каркас из границ зерен действительно может создать перенапряженные участки в металлических конструкциях при низких температурах из-за разницы коэффициента теплового расширения границ зерен и тела зерна.