Bündel aus Stahl. Wie entstehen sie?

Das Thema dieses Artikels ist für Habr etwas ungewöhnlich. Sie wurde von ihr aufgefordert, einen einfachen und verständlichen Wunsch zu schreiben, sich daran zu erinnern, dass es in unserem Land zu einer Zeit ein sehr hohes Niveau der Metallwissenschaft gab, insbesondere in ihrem Abschnitt über die Untersuchung der Ursachen für die Zerstörung hochfester Materialien unter Last. Noch bevor ich zu LANIT kam, habe ich mich mit diesem Thema befasst und immer noch nicht das Interesse daran verloren. Das Problem der Materialzerstörung ist ebenfalls nicht weniger relevant geworden, daher mache ich Sie auf die Ursachen für das Auftreten von Delaminierungen in hochfesten Stählen aufmerksam.


Es wurde angenommen, dass die Zerstörung von Materialien, insbesondere von hochfesten Stählen, bei maximaler Belastung fast sofort erfolgt. Zahlreiche Fälle von Zerstörung und die Untersuchung ihrer Ursachen haben jedoch gezeigt, dass sich eine katastrophale Zerstörung entwickeln kann, lange bevor dieses Maximum erreicht ist.

Zum ersten Mal wurden während des Zweiten Weltkriegs massive Fälle solcher Zerstörung registriert. In den Vereinigten Staaten wurden die Seetransporte der Liberty-Serie seriell hergestellt, um die alliierten Streitkräfte zu versorgen, deren Herstellung das weit verbreitete Schweißen einzelner Elemente von Schiffsrümpfen begann (zuvor waren die Rumpfbleche mit Nieten verbunden). Diese Schiffe zeigten also ein derartiges Merkmal, dass buchstäblich nach ein oder zwei Überfahrten ausgedehnte Risse am Rumpf auftraten, so dass ihr weiterer Betrieb ernsthafte Bedenken hervorrief. Es gab sogar Fälle, in denen die Gefäße bei Erregung in zwei Hälften zerbrochen wurden. Da sich jedoch luftdichte Abteile in den Rümpfen befanden, blieben die Hälften über Wasser und schwammen unabhängig weiter (durch den Willen der Winde und Wellen).

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Wie sich später herausstellte, war die Ursache für Risse die mangelnde Aufmerksamkeit für Details wie das Schneiden verschiedener technologischer Löcher in die Rümpfe (Mannlöcher). Solche Öffnungen sollten keine scharfen Ecken enthalten. Scharfe Winkel wie Spannungskonzentratoren im Rumpf, die abwechselnd auftreten, wenn sich der Rumpf oben auf der Welle oder auf den Wellenbergen befindet, tragen zur allmählichen Entwicklung von Ermüdungsrissen bei. Der geschweißte Körper ist im Gegensatz zum genieteten ein kontinuierliches Medium, in dem sich der Riss ungehindert ausbreiten kann, was letztendlich zum Versagen führte.

Heutzutage wurden Beispiele für spontane katastrophale Zerstörungen an Gasleitungen festgestellt, wenn Rohre mit großem Durchmesser (1220 bis 1420 mm) aus hochfesten Stählen, die unter Verwendung der kontrollierten Walztechnologie hergestellt wurden, für ihren Bau verwendet wurden. Das Gas in der Rohrleitung wird unter hohem Druck (75-100 atm) gepumpt.

In einigen Notfällen wurden Rissausbreitung und Rohrbruch bis zu einer sehr großen Länge beobachtet, die mit einer enormen Geschwindigkeit auftraten, fast wie eine Explosion. Es ist klar, dass eine solche Zerstörung katastrophale Folgen hat. Die Ursache für solche Schäden waren die mikroskopischen Risse, die im Stahlrohr auftreten, wenn dessen Abdichtung gestört ist, die sogenannte Spannungskorrosion unter Spannung.

Es scheint, dass ein Druck von 100 atm keine ernsthafte Gefahr darstellt, da er einer Last von nur 10 MPa entspricht und hochwertiger Rohrstahl eine Streckgrenze von über 400 MPa aufweist. Zusätzlich zu den statischen Spannungen aufgrund des Gasdrucks unterscheiden sich die Hauptgaspipelines aufgrund ihres langen Ausmaßes von anderen Metallstrukturen in ihrer enormen Energiekapazität. Sie zeigen die ausgeprägtesten energetischen Großeffekte aufgrund der enormen Zufuhr von elastischer Energie, die im Rohrmetall und im gepumpten Druckgas konzentriert ist durch die Pipeline. Beispielsweise beträgt in einer Rohrleitung mit einem Durchmesser von 1420 mm und einem Druck von 75 atm die spezifische Reserve an elastischer Energie im gepumpten Gas 51 mJ pro Meter der Rohrleitung und im Metall selbst nur 0,6 mJ / m. Zum Vergleich: In einer Rohrleitung mit einem Durchmesser von 1220 mm ist die Zufuhr der elastischen Energie eines Gases bei einem Druck von 55 atm halb so hoch wie die von 26 mJ / m. Somit ist eine Ferngasleitung wie ein einzelnes stark beanspruchtes System und verhält sich wie eine riesige einteilige Struktur, die einem Festigkeitstest unterzogen wird.

Bei längerer statischer Belastung und einer erhöhten Zufuhr von elastischer Energie im Belastungssystem neigen viele, sogar sehr plastische Materialien zu verzögertem Bruch. Diese Tendenz ist auf die allmähliche Lokalisierung der plastischen Verformung in der Nähe eines mikroskopischen Risses und die anschließende Entwicklung eines Bruchs in den am stärksten beanspruchten Materialvolumina zurückzuführen. Dieser Umstand macht das Rohrleitungsmaterial im Hinblick auf das Risiko einer plötzlichen Zerstörung äußerst unvorhersehbar. Übrigens wurde bei der Verlegung der Gasleitungen Nord Stream 2 und Turkish Stream berücksichtigt, dass Gaspipelines mit erhöhtem Durchmesser anfälliger für katastrophale Zerstörungen sind - der Durchmesser der Rohre in diesen Pipelines beträgt 1143 mm.

Sowohl im Ausland als auch in unserem Land wurden zahlreiche Studien durchgeführt und eine theoretische Grundlage entwickelt, die es ermöglicht hat, die Ursachen der oben beschriebenen Schäden zu ermitteln und Empfehlungen zur Verhinderung solcher Phänomene abzugeben. In allen Fällen sind die Ursachen für unkontrollierte spontane Brüche Risskerne, die sehr mikroskopisch klein sein können, sich über einen längeren Zeitraum entwickeln und letztendlich zu einem fast augenblicklichen Bruch führen, wenn sich der Riss mit der Schallgeschwindigkeit in Stahl auszubreiten beginnt.

Im Folgenden werde ich als Beispiel eine solche Studie geben, die zeigt, wie tief es erforderlich war, den Mechanismus der Bildung unkontrollierter Zerstörung zu untersuchen.

Der Fall half bei der Auswahl eines sehr interessanten Forschungsobjekts - eines langen Teils aus mittellegiertem Stahl mit einer Dicke von 80 mm. Mehrere solcher Teile bildeten beim Abschrecken in Wasser nach dem Erhitzen zur Wärmebehandlung Risse - Delaminierung in der Mitte der Dicke des Teils. Es gab auch einen einzigen Fall einer vollständigen Trennung des Teils beim Abschrecken in der Dicke über die gesamte Länge, der von einem ohrenbetäubenden Riss begleitet war, so dass anstelle eines Teils zwei halbe Dicken aus dem Abschrecktank entfernt wurden, was durch den technologischen Prozess nicht vorgesehen war.

Für die Studie wurden Details ausgewählt, bei denen sich Risse auf eine Länge von 700 bis 1.500 mm erstreckten. Es ist anzumerken, dass die Zugfestigkeit dieses Stahls nach dem Abschrecken und Hochtemperieren mindestens 1300 MPa beträgt und im abgeschreckten Zustand die Festigkeit sogar noch höher ist, weshalb die Schichtung von Teilen sowie die Bildung derart ausgedehnter Risse darin zumindest Überraschung verursachten.

In modernen technologischen Prozessen ist die Kühlung von Werkstücken in Wasser nach thermischem oder rollendem Erhitzen sehr weit verbreitet, was im Prinzip zu erheblichen thermischen Spannungen führt. Diese Spannungen liegen jedoch, wie Berechnungen zeigen, immer noch unter der Streckgrenze von Stahl, so dass es in diesem Fall so schien, als ob sie konnte nicht zur Zerstörung des Teils führen.

Quelle

Material- und Forschungsmethodik

Bündel in den Rohlingen wurden nach der letzten Wärmebehandlung festgestellt. Sie befanden sich am unteren Rand des Werkstücks entlang der Länge, die dem axialen Teil des Blechs entsprach. Bündel erstreckten sich bis zu einer Tiefe von einem bis mehreren Zentimetern und konnten in Einzelfällen zu einer vollständigen Schichtung des Werkstücks nach Dicke führen.

Von den drei Teilen, in denen Delaminierungslängen von 780, 1000 und 1500 mm entlang der Unterkante des Teils gefunden wurden, wurden Proben von 250-300 x 600 mm entnommen, die direkt an die Schicht angrenzten (axiale Zone des Blechs), sowie Proben von der Oberkante (im Folgenden - Rand des Blattes), der der Oberfläche des Barrens entsprach.

Schablonen wurden aus Proben unter Verwendung von Schleifschneiden geschnitten, aus denen dann Probenrohlinge unter Verwendung von anodisch-mechanischem Schneiden geschnitten wurden, um die Makro- und Mikrostruktur sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften (in Quer- und Vertikalrichtung relativ zur Walzebene) zu untersuchen. Vertikale Proben zur Bewertung der Zähigkeit und des Spannungsintensitätsfaktors wurden so geschnitten, dass sich die Kerbe in der Walzebene im mittleren Teil des Blechs befand.

Eine detaillierte Untersuchung der mechanischen Eigenschaften dieses Stahls (Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität) an Proben, die aus Bereichen neben dem Riss und in fehlerfreien Zonen geschnitten wurden, ergab keine Abweichungen von den dieser Güte entsprechenden Nennwerten. Um die Tendenz von Stahl zur Delaminierung entlang der Blechdicke zu identifizieren, wurde daher ein Spannungsintensitätskriterium verwendet, das in der Bruchmechanik als K _{1c bezeichnet wird} . Dieses Kriterium hat auf den ersten Blick eine ziemlich seltsame Abmessung kg / mm ^3/2 (MPa / m ^1/2 ). Die physikalische Bedeutung dieses Kriteriums ist die Spannung, bei der ein Bruch durch Trennung in Gegenwart eines Risses einer kritischen Größe im Material auftritt. Die Tests werden so durchgeführt, dass ein Riss in einer speziellen Probe durch Aufbringen zyklischer Lasten wächst und dann allmählich, wenn eine zunehmende Zuglast auf die Probe mit einem Riss ausgeübt wird, das Risswachstum beobachtet wird und zum Zeitpunkt des Bruchs der Spannungswert festgelegt wird.

Die Probe für die exzentrische Zugprüfung ist in der Konfiguration ziemlich kompliziert (für die sie den Slangnamen „Hose“ erhielt) und nicht weniger schwierig herzustellen (Abb. 1). Gemäß GOST 25.506-85, es wird als Typ 3 bezeichnet, haben wir Proben mit einer Dicke von 25 mm verwendet.

Abb. 1. Probe für exzentrische Zugprüfung

Ein Ermüdungsriss wurde auf einen TsDM-10-Pulsator mit einer oberen Last von 2000-3000 und einer unteren Last von 500 kg aufgebracht. Die Pulsationsfrequenz beträgt 750 Zyklen pro Sekunde, die Anzahl der Pulsationen beträgt 3-5 Tausend. Der Ermüdungsriss wurde bei einer oberen Last von 3000 kg kernhaltig gemacht, und sein Wachstum auf eine Länge von 1,5 bis 2 mm wurde bei einer oberen Last von 2000 kg durchgeführt. Zur bequemeren Beobachtung des Risswachstums wurde eine mit Kerosin verdünnte Druckfarbe in die Kerbe vorgetropft, die während des Wachstums in den Riss absorbiert wurde. Die Tests der Proben wurden auf einer DU-19-Maschine (Frankreich) mit einer Aufzeichnung des Kraft-Riss-Öffnungsdiagramms durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde durch eine so einfache Formel geschätzt:

K _1c = [P / (t * b ^1/2 )] * [29,6 * (l / b) ^1/2 - 185,5 * (l / b) ^3/2 + 655,7 * (l / b) ^5/2 - 1017 * (l / b) ^7/2 + 638,9 * (l / b) ^1/2 ], kg / mm 3/2

P - Kraft zur Zerstörung der Probe, kg;
t ist die Dicke der Probe, mm;
b ist die Breite der Probe, mm;
l ist die Länge der Kerbe mit einem Ermüdungsriss, mm.

Makro und Mikrostruktur von Stahl

Die Schichtung in den untersuchten Teilen befindet sich in der Mitte entlang der Blechdicke, breitet sich in verschiedenen Teilen bis in verschiedene Tiefen aus, ihre Flugbahn hat einen abgestuften Charakter. Auf der Oberseite des Bündels sind auf Querschablonen keine Spuren plastischer Verformung festzustellen. Die Makrostruktur aller untersuchten Proben ist durch eine dichte Struktur gekennzeichnet, es gibt keine ausgeprägten Defekte wie Gasblasen, Entmischungsstreifen, Bereiche mit einer rauen dendritischen Struktur.

Es wurden keine merklichen Unterschiede in der Mikrostruktur in verschiedenen Zonen festgestellt.

Das Metall zeichnet sich durch eine spürbare Streifenbildung aus (Abb. 2), die mit der dendritischen Struktur des Ausgangsgussmetalls im Stahlblock verbunden ist und für gewalzte legierte Stähle charakteristisch ist. Streifen unterschiedlicher Ätzbarkeit sind entlang der Walzrichtung verlängert und unterscheiden sich merklich in der Mikrohärte und im Gehalt an Legierungselementen. Die Lichtbänder enthalten eine erhöhte Menge an Molybdän, Nickel, Kupfer, Silizium und Mangan (Bestimmung wurde mittels Röntgenmikroanalyse durchgeführt), HB-Sulfide und Linienoxide sind ebenfalls in ihnen konzentriert, und das Bündel breitet sich auch durch Lichtbänder aus.

Die Rissbahn hat einen abgestuften Charakter (Abb. 3), es gibt keine Bereiche, die auf das Auftreten einer makroplastischen Verformung vor dem Bruch hinweisen, zahlreiche Bereiche und Rillen werden auf der Oberfläche beobachtet, was auf eine Sprödigkeit des Bruchs hinweist.

Abb. 2. Die Lamellenstruktur und die Position des HB. x 100

Abb. 3. Die Art der Flugbahn der Rissablösung. x 1

Verunreinigung mit nichtmetallischen Einschlüssen und der Einfluss von HB auf die Merkmale des Stahlversagens unter Last

Mangansulfide, Kunststoff, entlang der Walzrichtung verlängert, wurden in Stahlteilen gefunden (Abb. 4) sowie komplexe Oxide, die sich entlang der Walzrichtung in Form von Ketten und Linien befanden (Abb. 6).

Abb. 4. Lage der Sulfideinschlüsse. x400

Die HB-Verunreinigung ist typisch für Stahl mit offenem Herd nach der Schmelzmethode. In der zentralen Zone der Folie ist die Dickenverunreinigung mit Kunststoffsulfiden und Linienoxiden etwas höher. Sulfide und Oxide sind selektiv relativ zur Bandenstruktur in Banden, in denen ein erhöhter Gehalt an Ni, Mo, Cu, Si, Mn vorliegt (Fig. 5).

Abb. 5. Die Position der Oxideinschlüsse in der Bandstruktur. x400

Beim viskosen Becherbruch von Quer- und Vertikalaufprallproben werden zahlreiche HBs beobachtet, hauptsächlich Sulfide, Risskerne werden nicht nachgewiesen (Abb. 6, Abb. 7). Die ähnliche Art der Fraktur zeigt an, dass die Zerstörung durch die Ansammlungen von HB ging.

Abb. 7. Die Struktur des Bruchs der Querschockproben. x800

Abb. 8. Die Struktur des Bruchs vertikaler Aufprallproben. x1600

Wir haben die Wirkung von HB auf die Art der plastischen Verformung und des plastischen Bruchs untersucht, indem wir diese Einschlüsse bei hohen Vergrößerungen beobachtet haben.

Bei vertikalen Probekörpern bilden sich an den Stellen von Sulfiden und Oxiden an allen Einschlüssen im Sichtfeld fast gleichzeitig spröde Risse, wenn keine plastische Verformung des Grundmetalls vorliegt (Abb. 9).

Die Spannung, bei der Mikrorisse an Einschlüssen gebildet werden, ist 10-15% niedriger als der Spannungsbeginn der plastischen Verformung des Grundmetalls, bestimmt durch das Auftreten von Gleitspuren. Mikrorisse, die in Sulfiden entstanden sind, lösen Gleitbanden im Grundmetall aus, entlang derer die Rissausbreitung weiter zunimmt (Abb. 9-10).

Abb. 9. Die Entstehung von Rissen in Sulfiden (vertikale Proben, Verformung = 1%). x500

Auf den Linien länglicher Sulfide ist es möglich, das Zusammenführen mehrerer Mikrorisse zu einem zu erleichtern (Abb. 11).

In Bereichen, in denen keine HBs vorhanden sind, wird eine lokale plastische Verformung unter Bildung von Mikrorissen in Gleitbändern nur beobachtet, wenn das Metall seinen Plastizitätsspielraum erschöpft hat.

Abb. 10. Gleitbänder, die durch einen Sulfidriss ausgelöst werden. x 500

Abb. 11. Die Entwicklung von Rissen in der Linie der Sulfide. x 500

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen und plastischen Eigenschaften von Stahl in Längs- und Querrichtung in den untersuchten Zonen der drei untersuchten Teile stimmen mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,95 überein.

Stahl zeichnet sich durch eine signifikante Streuung der Eigenschaften aus, wenn sie auf Quer- und Vertikalproben relativ zur Walzebene verglichen werden (wie sie sagen, haben die Eigenschaften einen signifikanten Anisotropiekoeffizienten). Die plastischen Eigenschaften im axialen Teil des Blechs sind deutlich geringer als am Rand. Bei der Prüfung vertikaler Proben auf Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit spiegeln diese Eigenschaften in gewissem Maße die Tendenz von Stahl zur Bildung von Delaminationen wider. Der berechnete Korrelationskoeffizient zwischen der Delaminierungslänge in Teilen und den Eigenschaften in vertikaler Richtung ist jedoch signifikant niedriger als der tabellarische Koeffizient bei einem Signifikanzniveau von 0,8. Das heißt, diese Abhängigkeit ist nicht signifikant.

Die Ergebnisse der Bestimmung von K _1c nach der Methode der exzentrischen Spannung von 25 mm dicken Querproben mit einer Seitenkerbe und einem Ermüdungsriss (Fig. 12) bestanden den Korrektheitstest nach Kriterien des Verhältnisses des Spannungsintensitätsfaktors zur Streckgrenze von Stahl. Bei einer ausgewählten Probendicke von 25 mm und einer Kerblänge mit einem Riss von 28 bis 30 mm erfüllen die Querproben dieses Kriterium ebenfalls nicht (größere Proben sind erforderlich), und die Ergebnisse ihrer Tests können nur als ungefähre Werte verwendet werden.

Bei vertikalen Proben für exzentrische Spannung sind alle erforderlichen und ausreichenden Testbedingungen erfüllt, und die Ergebnisse sind korrekt, wenn die Dicke der Proben 25 mm beträgt (Abb. 12).

Abb. 12. Das Verhältnis des Spannungsintensitätsfaktors zur Länge der Bündel (Quer- und Vertikalproben für exzentrische Spannung)

Der Parameter K _1c markiert signifikant den Unterschied in der Qualität des Metalls der axialen Zone und der Blechkante innerhalb derselben Schmelze. Die Intervalle für K _1c in der Achse und der Kante des Blattes überlappen sich auch bei einem hohen Konfidenzniveau von 0,95 nicht. Der Maximalwert von K _1c in der axialen Zone ist kleiner als der Minimalwert von K _1c für die Kante des Blattes. Ein derart deutlicher Unterschied in den Eigenschaften konnte unter Verwendung der zuvor beschriebenen Indikatoren für Duktilität und Zähigkeit nicht erzielt werden.

Der Korrelationskoeffizient zwischen der Länge der Schichten auf den Teilen und den Werten von K _1c für die axiale Zone beträgt 0,89, was die Zuverlässigkeit der Beziehung zwischen diesen Werten bestätigt.

Noch überzeugender ist der kombinierte Parameter, der eine Längenabmessung hat und direkt proportional zur Länge des embryonalen Risses ist und sich spontan und spontan bei Zugspannungen unterhalb der Streckgrenze ausbreiten kann (Abb. 13). Der Korrelationskoeffizient zwischen der Länge der Bündel und dem Parameter (K _1c / σ ₂ ) ² beträgt 0,94. Dies ermöglicht es uns, diese Abhängigkeit als lineare Funktion darzustellen. Die Extrapolation dieser Funktion mit einer Länge des Bündels gleich Null ergibt einen kritischen Wert, bei dem bei einem größeren Wert auch die Wahrscheinlichkeit eines Bündels gleich Null ist. Bei einer durchschnittlichen Streckgrenze von 1120 MPa für die axiale Zone entspricht der Wert von K _1c , bei dem die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Delaminierung nahe Null liegt, 101 MPa / m ^1/2 .

Abb. 13. Die Beziehung des verallgemeinerten Indikators zur Länge der Bündel (exzentrische Spannung, vertikale Proben)

Der Grund für das Auftreten von Delaminierungen in Stahlblech ist die mechanische Fasernatur des Metalls aufgrund des Walzens der dendritischen Heterogenität des Metalls und der damit verbundenen Schichtanordnung nichtmetallischer Einschlüsse. Die Rolle nichtmetallischer Einschlüsse und anderer Fremdpartikel wird auf die Spannungskonzentration in der Nähe der Einschlüsse, die Möglichkeit der Rissbildung solcher Partikel, das Aufbrechen der Verbindung zwischen den Einschlüssen und der Stahlbasis und die weitere Ausbreitung des gebildeten Mikrorisses reduziert, die bei Spannungen auftritt, die unter der Streckgrenze liegen. Anschließend breitet sich der Riss auf den einfachsten Wegen in Ansammlungen nichtmetallischer Einschlüsse und der Grenzfläche zwischen Partikel und Stahl aus.

Die Werte des gefundenen Spannungsintensitätskriteriums zeigen, dass bei einem Spannungsniveau von 700-800 MPa (trotz der Streckgrenze von Stahl von nicht weniger als 1050 MPa) der Stahl die Fähigkeit behält, der Rissausbreitung zu widerstehen, wenn die Größe des Risskerns 1,3 mm Tiefe entlang der Länge nicht überschreitet 13 mm, wenn diese Indikatoren überschritten werden, wird Stahl zerstört. Bei gleichem Spannungsniveau, das in Querrichtung relativ zum Walzen auftritt, kann der untersuchte Stahl Sprödbruch widerstehen, wenn die Größe der Kerbe 2,5 mm Tiefe und 25 mm Länge nicht überschreitet.

Das obige Beispiel einer Untersuchung der Rissbeständigkeit zeigt deutlich, dass Stahlversagen bei Vorhandensein mikroskopischer Diskontinuitäten und nichtmetallischer Einschlüsse bei Spannungen unterhalb seiner Streckgrenze auftreten kann, was bei der Berechnung der Festigkeit von Strukturen ohne Berücksichtigung dieses Umstands die Illusion von Materialzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen erzeugen kann.