Bundel dalam baja. Bagaimana mereka terbentuk

Topik artikel ini agak tidak biasa untuk Habr. Saya diminta olehnya untuk menulis keinginan yang sederhana dan dapat dimengerti untuk mengingat bahwa pada suatu waktu di negara kami ada tingkat ilmu logam yang sangat tinggi, khususnya bagiannya pada studi tentang penyebab kerusakan bahan berkekuatan tinggi yang sedang diangkut. Bahkan sebelum saya sampai ke LANIT, saya terlibat dalam penelitian tentang topik ini dan masih belum kehilangan minat di dalamnya. Masalah kehancuran bahan juga tidak menjadi kurang relevan, oleh karena itu saya membawa perhatian Anda pada posting tentang penyebab munculnya delaminasi pada baja berkekuatan tinggi.


Diyakini bahwa kerusakan material, khususnya baja berkekuatan tinggi, terjadi hampir secara instan pada beban maksimum. Namun, banyak kasus kehancuran dan studi tentang penyebabnya menunjukkan bahwa kehancuran besar dapat berkembang jauh sebelum jumlah maksimum ini tercapai.

Untuk pertama kalinya, kasus-kasus besar kerusakan seperti itu dicatat selama Perang Dunia Kedua. Di Amerika Serikat, angkutan laut seri Liberty diproduksi secara seri untuk memasok pasukan Sekutu, yang pembuatannya mulai banyak digunakan oleh pengelasan elemen individu lambung kapal (sebelumnya lembaran lambung dihubungkan dengan memukau). Jadi, kapal-kapal ini menunjukkan fitur sedemikian rupa sehingga secara harfiah setelah satu atau dua penyeberangan laut, retakan panjang muncul di lambung kapal, sehingga operasi lebih lanjut mereka menimbulkan kekhawatiran serius. Bahkan ada kasus-kasus ketika kapal pecah menjadi dua ketika mereka bersemangat. Tetapi karena ada kompartemen kedap udara di lambung kapal, bagiannya tetap mengapung dan terus berenang secara mandiri (dengan kehendak angin dan ombak).

Sumber

Ternyata kemudian, penyebab retak adalah kurangnya perhatian pada detail seperti memotong berbagai lubang teknologi di lambung (lubang got). Bukaan seperti itu seharusnya tidak mengandung sudut tajam. Sudut yang tajam, seperti konsentrator stres di lambung, yang terjadi secara bergantian ketika lambung berada di puncak gelombang atau di puncak dua gelombang, berkontribusi pada pengembangan bertahap dari retak kelelahan. Tubuh yang dilas, tidak seperti yang terpaku, adalah media kontinu di mana retakan dapat merambat tanpa hambatan, yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan.

Saat ini, contoh-contoh kehancuran katastropik spontan dicatat pada pipa gas, ketika pipa berdiameter besar (1220-1420 mm) terbuat dari baja berkekuatan tinggi yang dibuat menggunakan teknologi rolling yang dikontrol digunakan untuk konstruksi mereka. Gas dalam pipa dipompa di bawah tekanan tinggi (75-100 atm).

Dalam beberapa kasus darurat, perambatan retak dan perpecahan pipa hingga sangat panjang diamati, yang terjadi pada kecepatan yang luar biasa, hampir seperti ledakan. Jelaslah bahwa kehancuran seperti itu memerlukan konsekuensi bencana. Penyebab kerusakan seperti itu adalah retakan mikroskopis yang terjadi pada pipa baja ketika lapisan kedap airnya terganggu, yang disebut korosi tegangan di bawah tekanan.

Kelihatannya tekanan 100 atm tidak menimbulkan bahaya serius, karena itu sesuai dengan beban hanya 10 MPa, dan baja pipa berkualitas tinggi memiliki kekuatan luluh di atas 400 MPa. Tetapi selain tekanan statis akibat tekanan gas, pipa gas utama berbeda dari struktur logam lainnya dalam kapasitas energinya yang sangat besar karena sifatnya yang lama, mereka memanifestasikan efek skala besar yang paling nyata dari sifat energik karena cadangan besar energi elastis yang terkonsentrasi di pipa logam dan gas terkompresi yang dipompa. melalui pipa. Misalnya, dalam pipa dengan diameter 1420 mm pada tekanan 75 atm, cadangan spesifik energi elastis dalam gas yang dipompa adalah 51 mJ per meter pipa, dan dalam logam itu sendiri hanya 0,6 mJ / m. Sebagai perbandingan, dalam pipa dengan diameter 1220 mm, pasokan energi elastis gas pada tekanan 55 atm adalah setengah dari 26 mJ / m. Jadi, pipa gas jarak jauh seperti sistem tunggal yang sangat tertekan dan berperilaku seperti struktur satu bagian raksasa, yang menjalani uji kekuatan.

Dengan pemuatan statis yang berkepanjangan dan peningkatan pasokan energi elastis dalam sistem pemuatan, banyak, bahkan material yang sangat plastis menjadi rentan terhadap fraktur yang tertunda. Kecenderungan ini disebabkan oleh lokalisasi bertahap deformasi plastis dekat celah mikroskopis dan perkembangan fraktur berikutnya dalam volume material yang paling ditekankan. Keadaan ini membuat bahan pipa sangat tidak dapat diprediksi sehubungan dengan risiko kerusakan mendadak. Ngomong-ngomong, fakta bahwa pipa gas dengan diameter lebih besar lebih rentan terhadap kerusakan besar diperhitungkan saat meletakkan pipa gas Nord Stream 2 dan Turkish Stream - diameter pipa di pipa ini adalah 1143 mm.

Baik di luar negeri maupun di negara kita, banyak penelitian telah dilakukan, landasan teori telah dikembangkan, yang memungkinkan untuk menentukan penyebab kerusakan yang dijelaskan di atas dan memberikan rekomendasi untuk pencegahan fenomena tersebut. Dalam semua kasus, pencetus fraktur spontan yang tidak terkendali adalah crack nuclei, yang bisa sangat mikroskopis, berkembang untuk waktu yang cukup lama, dan akhirnya menyebabkan fraktur yang hampir seketika, ketika retakan mulai merambat dalam baja dengan kecepatan suara di dalamnya.

Di bawah ini, sebagai contoh, saya akan memberikan salah satu dari studi tersebut, yang menunjukkan seberapa dalam diperlukan untuk mempelajari mekanisme pembentukan kehancuran yang tidak terkendali.

Kasing membantu untuk memilih objek yang sangat menarik untuk penelitian - bagian panjang yang terbuat dari baja paduan sedang dengan ketebalan 80 mm. Beberapa bagian seperti itu, ketika didinginkan dalam air setelah pemanasan untuk perlakuan panas, membentuk retakan - delaminasi di tengah ketebalan bagian tersebut. Ada juga satu kasus pemisahan lengkap bagian ketika pendinginan dalam ketebalan di seluruh panjang, yang disertai dengan retak memekakkan telinga, sehingga bukannya satu bagian, dua setengah ketebalan dihapus dari tangki pendinginan, yang tidak disediakan oleh proses teknologi.

Untuk penelitian ini, perincian dipilih di mana retakan memanjang hingga panjang 700 hingga 1.500 mm. Perlu dicatat bahwa kekuatan tarik baja ini setelah pendinginan dan temper tinggi setidaknya 1300 MPa, dan dalam keadaan padam, kekuatannya bahkan lebih tinggi, oleh karena itu, delaminasi bagian-bagian, serta pembentukan retakan yang diperpanjang di dalamnya, setidaknya menyebabkan kejutan.

Dalam proses teknologi modern, pendinginan benda kerja dalam air setelah pemanasan termal atau bergulir sangat banyak digunakan, yang pada prinsipnya mengarah ke tekanan termal yang signifikan, tetapi tekanan ini, seperti yang diperlihatkan perhitungan, masih di bawah kekuatan luluh baja, jadi dalam hal ini tampaknya mereka tidak dapat menyebabkan kehancuran bagian itu.

Sumber

Bahan dan metodologi penelitian

Bundel dalam blanko terdeteksi setelah perlakuan panas akhir. Mereka terletak di tepi bawah benda kerja sepanjang yang sesuai dengan bagian aksial dari lembaran logam. Bundel diperluas hingga kedalaman satu hingga beberapa sentimeter, dan dalam kasus yang terisolasi, bundel dapat menyebabkan stratifikasi lengkap benda kerja berdasarkan ketebalan.

Dari tiga bagian di mana panjang delaminasi 780, 1000 dan 1500 mm ditemukan di sepanjang tepi bagian bawah, sampel 250-300x600 mm diambil, yang berbatasan langsung dengan lapisan (zona aksial lembaran), serta sampel dari tepi atas (selanjutnya - tepi lembaran), yang sesuai dengan luas permukaan ingot.

Template dipotong dari sampel menggunakan pemotongan abrasif, dari mana sampel kosong kemudian dipotong menggunakan pemotongan anodik-mekanik untuk mempelajari makro dan mikro, sifat fisik dan mekanik (dalam arah melintang dan vertikal relatif terhadap bidang rolling). Sampel vertikal untuk mengevaluasi faktor ketangguhan dan intensitas tegangan dipotong sehingga takik terletak di bidang penggulungan di bagian tengah lembaran.

Sebuah studi rinci tentang sifat mekanik baja ini (kekuatan, ketangguhan, keuletan) pada sampel yang dipotong dari area yang berdekatan dengan retak dan di zona bebas cacat tidak mengungkapkan penyimpangan dari nilai nominal yang sesuai dengan grade ini. Oleh karena itu, untuk mengidentifikasi kecenderungan baja untuk delaminasi sepanjang ketebalan lembaran, kriteria intensitas tegangan digunakan, dinyatakan dalam mekanika fraktur sebagai K _1c . Kriteria ini memiliki dimensi yang agak aneh, sekilas, kg / mm ^3/2 (MPa / m ^1/2 ). Arti fisik dari kriteria ini adalah tekanan di mana fraktur terjadi oleh pemisahan, di hadapan celah ukuran kritis dalam materi. Pengujian dilakukan sedemikian rupa sehingga retakan ditumbuhkan dalam spesimen khusus dengan menerapkan beban siklik, dan kemudian secara bertahap, menerapkan peningkatan beban tarik pada spesimen dengan retakan, pertumbuhan retak diamati, dan pada saat patah, nilai tegangan ditetapkan.

Sampel untuk pengujian tarik eksentrik agak rumit dalam konfigurasi (untuk yang menerima nama slang "celana"), dan tidak kurang sulit untuk diproduksi (Gbr. 1). Menurut GOST 25.506-85, ini disebut sebagai tipe 3, kami menggunakan sampel dengan ketebalan 25 mm.

Fig. 1. Sampel untuk pengujian tarik eksentrik

Retakan fatik diterapkan pada pulsator TsDM-10 dengan beban atas 2000-3000 dan beban lebih rendah 500 kg. Frekuensi denyut adalah 750 siklus per detik, jumlah denyut adalah 3-5 ribu. Retak fatik berinti pada beban atas 3000 kg, dan pertumbuhannya hingga panjang 1,5-2 mm dilakukan pada beban atas 2000 kg. Untuk pengamatan yang lebih mudah terhadap pertumbuhan retakan, tinta cetak yang diencerkan dengan minyak tanah telah dimasukkan sebelumnya ke dalam takikan, yang diserap ke dalam retakan selama pertumbuhannya. Pengujian sampel dilakukan pada mesin DU-19 (Prancis) dengan catatan diagram pembukaan gaya - retak. Ketangguhan patah tulang diperkirakan dengan rumus sederhana seperti ini:

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 - force untuk penghancuran sampel, kg;
t adalah ketebalan sampel, mm;
b adalah lebar sampel, mm;
l adalah panjang takik dengan celah kelelahan, mm.

Makro dan struktur mikro baja

Stratifikasi di bagian yang diselidiki terletak di tengah sepanjang ketebalan lembaran, menyebar di bagian yang berbeda ke kedalaman yang berbeda, lintasannya memiliki karakter stepped. Tidak ada jejak deformasi plastik yang terdeteksi di bagian atas bundel pada template melintang. Struktur makro dari semua sampel yang diteliti ditandai oleh struktur yang padat, tidak ada cacat jelas seperti gelembung gas, strip segregasi, area dengan struktur dendritik kasar.

Tidak ada perbedaan mencolok dalam struktur mikro di zona berbeda yang dicatat.

Logam dicirikan oleh pita yang terlihat (Gbr. 2), yang dikaitkan dengan struktur dendritik logam cor awal dalam ingot baja dan merupakan karakteristik baja paduan gulung. Strip dari berbagai etchability memanjang sepanjang arah rolling dan terasa berbeda dalam kekerasan mikro dan dalam konten elemen paduan. Pita cahaya mengandung peningkatan jumlah molibdenum, nikel, tembaga, silikon, dan mangan (penentuan dilakukan dengan menggunakan analisis sinar-X), HB sulfida dan oksida garis juga terkonsentrasi di dalamnya, dan bundel juga merambat melalui pita cahaya.

Lintasan retak memiliki karakter loncatan (Gbr. 3), tidak ada area yang menunjukkan terjadinya deformasi makroplastik sebelum rekahan, banyak area dan alur yang diamati pada permukaan, menunjukkan sifat patah yang rapuh.

Fig. 2. Struktur lamellar dan lokasi HB. x 100

Fig. 3. Sifat lintasan crack-delaminasi. x 1

Kontaminasi dengan inklusi non-logam dan pengaruh HB pada fitur kegagalan baja di bawah beban

Sulfida mangan, plastik, memanjang di sepanjang arah penggulungan, ditemukan di bagian baja (Gbr. 4), serta oksida kompleks yang terletak di sepanjang arah penggulungan dalam bentuk rantai dan garis (Gbr. 6).

Fig. 4. Lokasi inklusi sulfida. x400

Kontaminasi HB adalah tipikal untuk baja perapian terbuka dari metode peleburan. Di zona tengah lembaran, kontaminasi ketebalan dengan plastik sulfida dan garis oksida sedikit lebih tinggi. Sulfida dan oksida secara selektif relatif terhadap struktur berpita, dalam pita di mana terdapat peningkatan kandungan Ni, Mo, Cu, Si, Mn (Gambar 5).

Fig. 5. Lokasi inklusi oksida dalam struktur pita. x400

Dalam fraktur cangkir viskos spesimen dampak transversal dan vertikal, banyak HBs diamati, terutama sulfida, inti retak tidak terdeteksi (Gambar 6, Gambar. 7). Sifat yang sama dari fraktur menunjukkan bahwa kehancuran melewati akumulasi HB.

Fig. 7. Struktur fraktur sampel kejut transversal. x800

Fig. 8. Struktur fraktur sampel dampak vertikal. x1600

Kami mempelajari efek HB pada sifat deformasi plastis dan fraktur dengan mengamati inklusi ini pada perbesaran tinggi.

Pada spesimen vertikal, retakan getas terbentuk di lokasi sulfida dan oksida yang terjadi hampir secara bersamaan pada semua inklusi di bidang pandang tanpa adanya deformasi plastis logam dasar (Gbr. 9).

Tegangan di mana microcracks dibentuk pada inklusi adalah 10-15% lebih rendah dari onset stres deformasi plastik dari logam dasar, ditentukan oleh munculnya tanda slip. Microcracks yang muncul dalam sulfida memulai slip band pada logam dasar, yang selanjutnya akan meningkatkan perambatan retak (Gambar 9-10).

Fig. 9. Asal retak di sulfida (sampel vertikal, deformasi = 1%). x500

Pada garis sulfida memanjang, dimungkinkan untuk memfasilitasi penggabungan beberapa microcracks menjadi satu (Gbr. 11).

Di daerah di mana tidak ada HBs hadir, deformasi plastis lokal dengan pembentukan microcracks di slip band diamati hanya ketika logam telah kehabisan batas plastisitasnya.

Fig. 10. Slip band diawali oleh retakan sulfida x 500

Fig. 11. Perkembangan retakan di garis sulfida. x 500

Sifat mekanik

Sifat mekanik dan plastik baja dalam arah longitudinal dan melintang di zona yang diteliti dari tiga bagian yang diselidiki bertepatan dengan probabilitas 0,95.

Baja dicirikan oleh dispersi sifat yang signifikan ketika membandingkannya pada sampel melintang dan vertikal relatif terhadap bidang gelinding (seperti yang mereka katakan, sifat-sifat tersebut memiliki koefisien anisotropi yang signifikan). Sifat plastik di bagian aksial lembaran terlihat jauh lebih rendah daripada di tepi. Ketika menguji sampel vertikal untuk kekuatan, daktilitas dan ketangguhan, sifat-sifat ini mencerminkan sampai batas tertentu kecenderungan baja untuk membentuk delaminasi, namun demikian, koefisien korelasi yang dihitung antara panjang delaminasi pada bagian-bagian dan sifat-sifat dalam arah vertikal secara signifikan lebih rendah daripada koefisien tabular pada tingkat signifikansi 0,8, artinya, ketergantungan ini tidak signifikan.

Hasil penentuan K _1c dengan metode tegangan eksentrik sampel transversal setebal 25 mm dengan lekukan samping dan retak fatik (Gbr. 12) lulus uji kebenaran dengan kriteria rasio faktor intensitas tegangan terhadap kekuatan luluh baja. Dengan ketebalan sampel yang dipilih 25 mm dan panjang takik dengan celah 28-30 mm, sampel melintang juga tidak memenuhi kriteria ini (sampel yang lebih besar diperlukan) dan hasil pengujian mereka hanya dapat digunakan sebagai perkiraan.

Untuk sampel vertikal untuk tegangan eksentrik, semua kondisi pengujian yang diperlukan dan memadai dipenuhi, dan hasilnya benar ketika ketebalan sampel adalah 25 mm (Gbr. 12).

Fig. 12. Hubungan faktor intensitas tegangan dengan panjang bundel (sampel transversal dan vertikal untuk tegangan eksentrik)

Parameter K _1c secara signifikan menandai perbedaan dalam kualitas logam zona aksial dan tepi lembaran dalam lelehan yang sama. Interval untuk K _1c di sumbu dan tepi lembaran tidak tumpang tindih bahkan dengan tingkat kepercayaan tinggi 0,95, nilai maksimum K _1c di zona aksial kurang dari nilai minimum K _1c untuk tepi lembaran.Perbedaan sifat yang jelas tidak dapat diperoleh dengan menggunakan indikator daktilitas dan ketangguhan yang dijelaskan sebelumnya.

Koefisien korelasi antara panjang stratifikasi pada bagian-bagian dan nilai-nilai K _1c untuk zona aksial adalah 0,89, yang menegaskan keandalan hubungan antara nilai-nilai ini.

Yang lebih meyakinkan adalah parameter gabungan, yang memiliki dimensi panjang dan berbanding lurus dengan panjang retak embrionik, yang mampu melakukan perambatan spontan dan spontan pada tingkat tekanan tarik di bawah kekuatan luluh (Gbr. 13). Koefisien korelasi antara panjang bundel dan parameter (K _1c / σ ₂ ) ²sama dengan 0,94. Ini memungkinkan kita untuk mewakili ketergantungan ini sebagai fungsi linier. Ekstrapolasi fungsi ini dengan panjang bundel sama dengan nol memberikan nilai kritis di mana, dengan nilai yang lebih besar, probabilitas bundel juga sama dengan nol. Dengan tegangan leleh rata-rata 1120 MPa untuk zona aksial, nilai K _1c , di mana kemungkinan munculnya delaminasi mendekati nol, setara dengan 101 MPa / m ^1/2 .

Fig. 13. Hubungan indikator umum dengan panjang delaminasi (tegangan eksentrik, sampel vertikal)

Penyebab delaminasi pada baja lembaran adalah sifat berserat mekanis dari logam karena penggulungan ketidakhomogenan dendritik logam, dan susunan berlapis terkait inklusi non-logam. Peran inklusi non-logam dan partikel asing lainnya dikurangi menjadi konsentrasi tegangan dekat inklusi, kemungkinan retaknya partikel tersebut, putusnya hubungan antara inklusi dan dasar baja, dan penyebaran lebih lanjut dari pembentukan mikro yang terbentuk, yang terjadi pada tekanan lebih rendah daripada kekuatan luluh. Selanjutnya, retakan merambat di sepanjang jalur termudah dalam akumulasi inklusi non-logam dan antarmuka baja berbasis partikel.

Nilai-nilai kriteria intensitas tegangan yang ditemukan menunjukkan bahwa pada tingkat tegangan 700-800 MPa (terlepas dari kekuatan luluh baja tidak kurang dari 1050 MPa), baja mempertahankan kemampuan untuk menahan perambatan retak jika ukuran inti retak tidak melebihi 1,3 mm pada kedalaman sepanjang panjangnya. 13 mm, ketika indikator ini terlampaui, baja dihancurkan. Pada tingkat yang sama tegangan yang timbul dalam arah melintang relatif terhadap penggulungan, baja yang dipelajari mampu menahan patah getas jika ukuran takik tidak melebihi kedalaman 2,5 mm dan panjang 25 mm.

Contoh studi ketahanan retakan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa kegagalan baja dengan adanya diskontinuitas mikroskopis dan inklusi non logam dapat terjadi pada tekanan di bawah kekuatan luluh, yang, ketika menghitung kekuatan struktur tanpa memperhitungkan keadaan ini, dapat menciptakan ilusi keandalan material di bawah kondisi operasi.