Порошковое материаловедение. Часть 2

Таблица 29

Некоторые характеристики стали 316L

Влияние атмосферы спекания на вязкость разрушения Ni–Мо–Си сталей изучена в [53]. Промышленные стали ма-

рок SА (0,5 % С; 1,53 % Ni 0,46 % Мо; 1,62 % Си) и АЕ (0,5 % С; 4,56 % Ni; 0,51 Мо; 1,57 % Сu) спекали в атмо-

сферах: лабораторной (90 % N2 – 10 % H2), вакууме и эндотермической, расположенных в порядке убывания восстановительного воздействия.

Из табл. 30 видно, что чем сильнее восстановительная способность атмосферы, тем выше механические свойства и K1c , как и в других случаях, наблюдается корреляция меж-

ду K1c и разрушающим напряжением при повышении плот-

ности. Фрактографическое изучение позволило установить доминирующее (для всех значений плотности у обеих сталей) количество участков вязкого ямочного излома и разрушения по межчастичным контактам. Участков скола очень мало [53].

161

ELIB.PSTU.RU

Таблица 30

Прочность и K1c промышленных сталей, спеченных в различных атмосферах

Влияние легирования на разрушение изучено на хромомолибденовых сталях [54]. Во всех случаях повышение прочности сопровождалось и ростом K1c , пластичность была

не ниже 1,5 %. В этой работе сделан важный вывод – возможность одновременного повышения прочности и вязкости разрушения за счет легирования.

Следует отметить также, что наряду с пористостью, температурой проведения испытаний, содержанием легирующих элементов и другими параметрами в материалах, полученных из поликомпонентных шихт, действует еще один фактор, значимость которого ощущается уже при пористости порядка 15 %, это – концентрационная неоднородность распределения легирующих элементов. Во всех рассмотренных работах факторы, влияющие на прочность, в большей или меньшей степени оказывали влияние и на вязкость разрушения.

162

ELIB.PSTU.RU

Существует несколько подходов, связывающих механические свойства с концентрационной неоднородностью (V ).

Согласно первому из них, процесс гомогенизации оказывает заметное влияние на свойства за счет изменения фазового состава и распределения фаз и параллельной трансформации пористой структуры. В работе [55] исследованы прочностные свойства (σизг ) сталей, содержащих 0,35 % С и различное –

1,75 %; 3,5 %; 4,15 % – количество никеля, измерения проведены микрорентгеновским анализом проб. Луч перемещали из центра по возрастающей спирали, концентрацию никеля определяли на 40 участках. Вывод работы состоит в том, что хотя лучшие свойства получены на наиболее гомогенных материалах, сам процесс гомогенизации не оказывает заметного влияния на σизг. Гораздо большее влияние оказывает изме-

нение формы пор, количество и расположение аустенитной фазы. Отметим методическую неточность, допущенную в [55]. Как установлено авторами работы [56], минимальное количество участков, обеспечивающих статистически достоверное измерение концентрационной неоднородности, составляет при выбранных концентрациях 200–300. Важно также отметить, что вывод об отсутствии влияния гомогенизации подтвержден недостаточно, так как факторы, влияющие на механические свойства, не были разделены. Однако гипотеза о влиянии концентрационной неоднородности на механические свойства, в том числе и посредством изменения фазового состава, выглядит убедительно. Этот вывод подтвержден в работе [57] при изучении трех сталей Fе + 2 % Si, Fе + 4 % Мп, Fе + + 2 % Si + 4 % Мn, где установлена ли-

нейная корреляция между концентрационной неоднородностью, объемной долей феррита и продолжительностью гомогенизации. Узким местом обсуждаемой модели является невозможность объяснить корреляцию между механическими свойствами и концентрационной неоднородностью на на-

163

ELIB.PSTU.RU

чальном этапе спекания, а также корреляцию в тех случаях, когда легирование не приводит к изменению фазового состава.

В работах [57–62] показана взаимосвязь между V и механическими свойствами в широком интервале температур- но-временных параметров в гомогенизации. Экспериментально доказано [58], что при фиксированной пористости (5, 10 и 15 %) главным фактором, определяющим механические свойства, является степень концентрационной неоднородности.

На основании исследований разработана методика прогнозирования механических свойств по уровню концентрационной неоднородности [61, 62]. Методика позволяет прогнозировать прочностные свойства при фиксированной термообработке (нормализации) по уровню аналогичных характеристик гомогенного компактного материала такого же химического состава после подобной термообработки. Изменение пористой структуры учитывают косвенным образом, за счет роста межчастичных контактов в зависимости от продолжительности процесса и механизма диффузии при спекании. Данное направление в настоящий момент находится на стадии развития.

Успехи прогнозирования прочностных характеристик по уровню концентрационной неоднородности убедительно доказывают недостаточность измерения одной только пористости, хотя в некоторых случаях, особенно при пористости свыше 15 %, это, безусловно, доминирующий фактор.

Анализ литературы позволяет заключить, что определение трещиностойкости, наряду с другими механическими свойствами, позволяет более объективно оценивать конструктивную прочность. Особенно сильное влияние на механические свойства и K1c оказывает плотность спеченных ста-

лей, в то время как размер зерна, в случае его варьирования за счет использования принятых технологических режимов спекания, влияет на трещиностойкость слабо; имеющиеся

164

ELIB.PSTU.RU

данные по влиянию на разрушение размера пор и концентрационной неоднородности недостаточны для какого-либо окончательного вывода; как и у традиционных материалов, наиболее высокие свойства достигнуты на порошковых сталях, одновременно легированных несколькими элементами, а предпочтительный метод определения K1c – трехточечный

изгиб образцов с острым надрезом или трещиной.

7.2.Исследование и моделирование разрушения пористых тел

Настоящий раздел по отношению к последующему материалу носит методический характер, поскольку, во-первых, в нем установлены условия корректного определения вязкости разрушения порошковых материалов; а во-вторых, установленные закономерности взаимодействия трещины с пористыми телами позволили прогнозировать вязкость разрушения порошковых сталей.

7.2.1.Влияние пористости на разрушение железа

иособенности корректного определения трещиностойкости порошковых материалов

Зависимость вязкости разрушения и прочности от пористости (П) не всегда является строго монотонной функци-

ей [30, 31]. Решение этого вопроса является принципиальным как для теоретических представлений о взаимодействии трещины с дефектами, так и для решения конкретных практических задач, например выбор пористости конструкционных изделий, обеспечивающий их наибольшую трещиностойкость. Прежде всего, целесообразно обсудить некоторые методические проблемы. Ранее были представлены данные, позволяющие утверждать, что у пористых материалов возможна замена усталостной трещины на другую или разрез с радиусом в вершине 0,10–0,15 мм без ущерба для корректности

165

ELIB.PSTU.RU

эксперимента. Но осталось невыясненным, какими должны быть геометрические размеры образцов. Главным условием достоверности определения K1c является доказательство

распространения трещины в условиях плоской деформации. Это требование накладывает ограничения на размеры образцов и длину трещины. Что касается последней, то в настоящем эксперименте она была не менее 2 мм и вместе с пазом составляла 0,45–0,55 от высоты образца (ГОСТ 25.506–85) [63, 64], которая, если это специально не оговаривалось, составляла примерно 12 мм. Наиболее жесткие требования нормативные документы предъявляют к толщине, которая

должна быть не менее β (K1c σ0,2 )2 , где β = 2,5. Однако другие факторы (плоский излом, отсутствие утонения кромок и губ среза), даже если испытывают железо пористостью несколько процентов, указывают на достоверность результатов. Так, по данным [19], для железа повышенной чистоты коэффициент пропорциональности β между толщиной и отноше-

нием (K1c σ0,2 )2 составлял 0,3–0,4 [53] для порошковой

Ni–Мо–Сu стали = 1,6; в [52] для высокопластичной нержавеющей стали при П = 5 % β = 0,04; в [69] для никелевых

сталей β = 1,4.

Корректность определения K1c авторы исследовали, из-

меняя толщину образцов (табл. 31). При изменении толщины образцов от 4,3 до 9,1 мм β изменяется от 0,2 до 5,5. Полу-

ченные значения KQ не выходят за пределы доверительного

интервала погрешности изменения, это дает основания принять оценочную величину KQ за K1c . В табл. 31 также вклю-

чены данные испытаний ряда порошковых сталей и сплавов. Во всех случаях толщина образца до 3 мм обеспечивала удовлетворительную сходимость. Исследования структуры выполнены по методикам [65, 66, 67].

166

ELIB.PSTU.RU

Таблица 31

Зависимость вязкости разрушения от пористости из толщины образцов из порошковых материалов

167

ELIB.PSTU.RU

Продолжение табл. 31

168

ELIB.PSTU.RU

Окончание табл. 31

Примечание. Из железа марки ПЖ4М2 испытаны образцы размерами 40×18,4×90 мм (П = 13 %). Технология изготовления та

же, что и в примерах 1–5. K1c = 9,5 МН/м3/2. Составы 1–5, 10–47,

52–61 приготовлены на основе технического железа марки ПЖ4М2; составы 6–9, 46–51 на основе железа марки ОСЧ 6–2; составы 62–65 на основе железного порошка марки ПЖ2МЗ.

169

ELIB.PSTU.RU

Результаты, представленные в табл. 31, доказывают инвариантность трещиностойкости по отношению к толщине. Это не означает, что K1c инвариантен к размерам для всех пористых сталей и сплавов и при переходе от одного класса материала к другому влияние размерных соотношений на KQ

необходимо вновь и вновь изучать, но на основе экспериментальных данных эти исследования можно существенно уменьшить. Выбор наряду с техническими порошками особо чистого железа связан с необходимостью свести к минимуму вклад примесей, влияние которых на разрушение продолжало оставаться невыясненным; другие важнейшие факторы: характер разрушения, пористость, концентрационная неоднородность распределения легирующих элементов. Большинство из перечисленных факторов, влияющих на зависимость K1c (П), можно исключить подбором материалов и техноло-

гии изготовления образцов. Приведенные в литературе данные влияния пористости на вязкость разрушения в некоторой степени противоречивы. Так, в работе [80] установлена немонотонная зависимость K1c от П при комнатной темпера-

туре и минус 180 °С. Другие источники [18, 19, 29, 47, 52, 69, 71, 72], напротив, отмечают монотонную зависимость измеряемых параметров от пористости.

Авторы работы [30] не исключают, что появление немонотонной зависимости K1c (П) связано с перераспределени-

ем примесей, так как при высокой пористости примесям энергетически выгодно располагаться на свободной поверхности пор, а по мере уплотнения они переходят в матрицу, концентрируясь по границам зерен, и понижают уровень вязкости разрушения.

Дальнейшими исследованиями этой проблемы было выявлено [73], что более существенным фактором, чем пористость, в порошковых материалах является доля межчастично-

170

ELIB.PSTU.RU