Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Деградация механических свойств и структуры сталей при эксплуатации 11
1.1. Деградация механических свойств и структура котельных сталей 11
1.2.Эволюция физико-механических параметров сварных соединений при эксплуатации 16
1.3. Деградация свойств материалов и конструкций 18
1.4. Деградация свойств железобетонных конструкций и арматуры 23
1.5. Временная зависимость прочности твердых тел 25
1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследований 26
Глава 2. Материалы и методики исследования 29
2.1. Материалы исследования 29
2.2. Методы исследования 31
2.3. Методика исследования стали путем использования просвечивающей дифракционной электронной микроскопии тонких фольг 34
Глава 3. Изменение механических свойств, структуры и поверхности разрушения арматуры при длительной эксплуатации 39
3.1. Изменение механических свойств арматуры 39
3.2. Металлографические исследования структурно-фазового состояния арматуры 40
3.3. Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии 42
3.4. Временная зависимость прочности материала 49
Основные выводы по главе 51
Глава 4. Эволюция фазового состава и дефектной субструктуры арматуры в процессе длительной эксплуатации 52
4.1. Структурно-фазовое состояние горячекатаной стали: арматура текущего производства 52
4.2. Эволюция дефектной субструктуры зерен феррита горячекатаной стали 58
4.2.1. Дислокационная субструктура (ДСС) зерен феррита 58
4.2.2. Изгиб-кручение кристаллической решетки зерен феррита 62
4.3. Эволюция состояния зерен перлита горячекатаной стали 66
4.3.1. Эволюция дислокационной субструктуры 66
А3.2. Кривизна-кручение кристаллической решетки и поля напряжений 67
4.3.3. Разрушение перлита и механизмы его реализации 68
4.3.4. «Псевдоперлит» 74
4.4. Микротрещины приповерхностного слоя горячекатаной стали 77
4.5. Включения второй фазы, формирующиеся при эксплуатации горячекатаной арматуры 84
4.5.1. Фазовый анализ стали, выполненный методами экстрактных угольных реплик 84
4.5.2. Фазовый анализ стали, выполненный методом тонких фольг 90
4.6. Закономерности и корреляции эволюции дефектной субструктуры и фазового состава горячекатаной стали в процессе длительной эксплуатации 95
4.6.1. Эволюция субструктуры зерен феррита 95
4.6.2. Эволюция субструктуры зерен перлита 98
4.6.3. Эволюция процесса трещинообразования в арматурной стали 100
4.7. Структурно-фазовое состояние термоупрочненной арматуры после длительной эксплуатации 101
4.7.1. Структура стали в центральной области стержня 101
4.7.2. Структура стали в поверхностной области стержня после 3 лет эксплуатации 104
4.7.3. Структура стали в поверхностном слое стержня после 20 лет эксплуатации 109
4.7.4. Структура стали в приповерхностном слое стержня после 20
лет эксплуатации 112
4.7.5. Сопоставление результатов исследования эволюции структурно-фазового состояния горячекатаной и термоупрочненной арматуры в процессе длительной эксплуатации стали 116
4.8. Включения второй фазы, формирующиеся при эксплуатации термоупрочненной арматуры 121
4.8.1. Фазовый (химический) состав включений 121
4.8.2. Морфология включений вторых фаз 122
4.8.3. Средние размеры и дефектная субструктура включений 123
4.8.4. Сопоставление результатов, полученные при электронно-микроскопических микродифракционных исследованиях процесса образования окисной фазы в горячекатаной и термоупрочненной арматуре в процессе эксплуатации 125
Основные выводы по главе 126
Основные выводы 130
Список литературы
- Деградация свойств материалов и конструкций
- Методика исследования стали путем использования просвечивающей дифракционной электронной микроскопии тонких фольг
- Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии
- Изгиб-кручение кристаллической решетки зерен феррита
Введение к работе
В настоящие время современный технический прогресс требует создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Если раньше конструкционные материалы использовались с большим запасом прочности, то сейчас все более актуальной ставится задача обеспечения надёжной и безопасной службы материала в предельных условиях. При этом надежность, которая является одной из составляющих качества и характеризует способность изделий выполнять заданные функции в течении всего срока с сохранением эксплуатационных свойств, является необходимым критерием работоспособности оборудования. Исходя из этого методы и средства ее оценки играют важную роль. Одним из путей повышения надёжности оборудования является изучение свойств материалов с позиции физического материаловедения, позволяющей предсказать изменение свойств при эксплуатации. Современные критерии разрушения и надёжности непосредственно связаны с оценкой времени работы оборудования до отказа, определяя ресурса работоспособности. Данный подход может быть реализован при установлении степени поражённности структуры метала в исходном состоянии, определением скорости накопления дефектов в процессе эксплуатации и созданием систем диагностики, позволяющих надежно регистрировать это накопление.
Сложности экономического, научного и производственного характера, связанные с необходимостью продления ресурса безопасности эксплуатации большого числа действующих - высокорисковых объектов (атомная и тепловая энергетика, транспортный комплекс, нефтегазохимия, авиация, ракетно-космические аппараты, мощная горнодобывающая техника, уникальные сооружения), а также вновь проектируемых с ресурсами до 60 - 100 лет, поставили на повестку дня необходимость комплексных исследований деградации материалов и конструкций. Эти исследования должны затрагивать концептуальную деградацию (с образованием микро- и макродефектов и трещин). В деградаци-онных процессах имеют место изменения структурных состояний, старение
(естественное, искусственное, деформационное, динамическое), образование и развитие механических повреждений в поверхностных слоях и в объеме, физико-химические повреждения (радиационные, коррозионные, эрозионные) и т.д. [1-3].
Арматурный прокат является важнейшим элементом железобетонных конструкций. Непременным условием структурно - фазового состояния, формируемого при производстве арматурного стержня, является длительная стабильность нормируемых стандартами характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости, свариваемости и сцепляемости с бетоном [4]. Однако в материалах каркаса фундаментных блоков зданий и сооружений с течением времени накапливаются повреждения, которые ведут к деградации структуры и свойств [5,6].
Недостаточное внимание к вопросам долговечности, и в частности, к проблемам её нормирования может привести к тому, что в народном хозяйстве будет происходить непрерывное накопление конструкций и сооружений, на ремонт которых будут расходоваться средства, соизмеримые с затратами на новое строительство.
В этой связи выявление изменений механических характеристик, фазового состава и дефектной субструктуры арматуры в процессе работы в качестве каркасов зданий и сооружений является актуальным, научно и практически значимым.
Актуальность. Необходимость продления ресурса безопасности эксплуатации действующих высокорисковых объектов поставили на повестку дня необходимость комплексных исследований деградации материалов и конструкций. Неприемлемым условием структурно-фазовых состояний, формируемых при производстве арматурного проката, который представляет собой основной элемент конструкций, является длительная стабильность нормируемых стандартами характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Од-
нако, в процессе длительной эксплуатации в материале могут накапливаться и развиваться дефекты, приводящие к деградации свойств и разрушению с катастрофическими последствиями. Установление механизмов изменения структурно-фазовых состояний арматуры при длительной эксплуатации несомненно актуально, так как позволяет управлять этими процессами, предотвращать разрушение конструкций, более обоснованно подходить к проблеме прогнозирования долговечности в процессе проектирования, строительства и эксплуатации конструкций и сооружений.
Цель работы: исследование физической природы и закономерностей деградации механических свойств и структурно-фазовых состояний арматуры из стали 35ГС при длительной эксплуатации в каркасе фундаментов промышленных зданий и сооружений. Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
Исследования деградации механических свойств и микроструктуры арматуры из стали 35ГС после различных сроков эксплуатации.
Электронно-микроскопический анализ структуры и фазового состава горячекатаной арматуры в исходном состоянии и их эволюция при длительной до 50 лет эксплуатации.
Установление типов и закономерностей изменения параметров дислокационных субструктур в стали 35ГС при длительной эксплуатации.
Фрактографический анализ поверхности разрушения арматуры методами сканирующей электронной микроскопии.
Выявление основных механизмов деградации свойств и структуры низкоуглеродистой стали после длительной эксплуатации.
Научная новизна заключается в том, что 1. Впервые исследовано изменение механических свойств и структуры горячекатаной арматуры из стали 35ГС в процессе длительной до 50 лет эксплуатации в фундаментах промышленных зданий и сооружений.
Впервые методами современного материаловедения (и в первую очередь растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведены количественные исследования поверхности разрушения, дислокационной субструктуры, фазового состава арматуры с разным сроком эксплуатации.
Установлена физическая природа деградации механических свойств и структурно-фазовых состояний экономнолегированной стали при длительной эксплуатации.
Практическая значимость. Совокупность экспериментальных результатов и их анализ позволил:
Установить гарантированные сроки безопасного использования горячекатаной арматуры из стали 35ГС в фундаментных блоках промышленных зданий и сооружений на основе достигнутого понимание физической природы деградации структурно-фазовых состояний и механических свойств.
Сформировать банк экспериментальных данных о закономерностях изменения свойств и структурно-фазовых состояний низколегированной стали при длительной эксплуатации.
Целенаправленно оценивать вклад эволюции дислокационной субструктуры в изменении свойств стали при длительной эксплуатации.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в проведении механических испытаний арматуры, в получении данных оптических, электронно-микроскопических и других исследований, в обработке полученных результатов, формулировании выводов.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач с использованных современных широко апробированных методов и методик исследования, применением статистических методов обработки экспериментальных результатов, сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими авторами.
Настоящая работа проводилась в соответствии федеральной целевой программой «Интеграция» на 2002-2004г.; грантами министерства образования и науки РФ по фундаментальным проблемам металлургии на 2002-2005г. темами ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» и «Сибирский государственный индустриальный университет».
Основные положения, выносимые на защиту.
Количественные закономерности деградации механических свойств арматуры из стали 35ГСпри длительной эксплуатации до 50 лет в качестве каркаса фундаментных блоков зданий и сооружений.
Комплекс экспериментальных результатов исследования поверхности разрушения стали с разным сроком эксплуатации и установление типов разрушения.
Структурные и фазовые превращения, протекающие в стали, и количественные закономерности эволюции параметров структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры и её типов в процессе длительной эксплуатации.
Результаты анализа фазового состава, морфологии и гранулометрии включений оксидной и оксикарбидной фаз в горячекатаной арматуре и эволюции их параметров в процессе эксплуатации.
5. Физическая природа деградации механических свойств и структурно-
фазовых состояний стальной арматуры в процессе её эксплуатации в фунда
ментных блоках промышленных зданий и сооружений.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: I—II Международной школе «Физическое материаловедение», Тольятти 2006; XV, XVI Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург 2005, 2006; VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Воронеж 2005; 44 Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Киев 2005; XIII Республиканской научной конференции аспиран-
тов, Гродно 2005; XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара 2006; 4 Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка2006; Международной конференции «Прочность неоднородных структур», Москва 2006; Берн-штейновских чтениях по термомеханической обработке, Москва 2006;Х1 Международной школе - семинара «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» Барнаул 2006; 45 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Белгород 2006;Международной конференции «Деформация и разрушение металлов», Москва, 2006.
Публикации Материалы диссертации опубликованы более чем в 20 печатных работах, в том числе 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список основных из них приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы из 118 наименований, содержит 143 страницы машинного текста, включая 12 таблиц и 76 рисунков.
Деградация свойств материалов и конструкций
Сварные соединения являются непременными элементами большинства конструкций. Структурно-фазовое состояние металла, формирующееся в процессе сварки и определяющееся её режимами и способами, влияет на физико-механические характеристики изделий. Его изменение при длительной эксплуатации может привести к неблагоприятным последствиям. В такой ситуации важной становится проблема контроля состояния сварных соединений, В сложных крупногабаритных промышленных сооружениях (например, кожухи доменных печей и т.п.) к сварным швам предъявляются повышенные требования, выполнить которые зачастую удаётся лишь при условии глубоких знаний структурно-фазового состояния сварного шва, а именно: морфологии а-фазы и состояния её дефектной субструктуры; морфологии, размеров и объёмной доли частиц карбидной фазы; изменения данных характеристик материала по мере удаления от центра шва. Эти сведения позволяют не только оценить прочностные свойства, но и дают возможность прогнозировать поведение шва в процессе его эксплуатации при различных температурно-силовых условиях.
В работах [29-33] представлены результаты исследования механических свойств и структуры сварных соединений, выполненных различными способами с различными сроками эксплуатации (табл. 1.3). Сварной шов был перпендикулярен оси растяжения и находился в середине рабочей стали образ. Из таблицы отчетливо видно, что различные сварные швы при растяжении ведут себя неодинаково. Наиболее высокие показатели пластичности у материалов с режимами сварки 1, 3 и 6. Анализ диаграмм а-є показывает, что эти швы обнаруживают максимальную однородную деформацию. Вообще, кривые нагружения всех образцов не имеют площадки текучести, которая обычна для стали 09Г2С. Нечто подобное зубу текучести выявляется только у образцов соединения №4.
На параболической части кривых 2 и 4 присутствуют скачки, которые могут быть связаны с активизацией внутренних несплошностей. У образцов всех типов сварных швов наблюдалось нормальное шейкообразование. Излом был вязким, волокнистым. Только у образцов соединений №2и №4 шейка фактически не формировалась, а в изломах обнаружены полосы - непровары с внутренним окислением. При расчете средних механических характеристик таблицы 2эти данные не учитывались.
Неудачными являются швы, выполненные ручной горизонтальной сваркой, как электрошлаковой (проба №2), так и без флюса (проба №4) (см. табл.№1.3). Помимо низкой пластичности в наплавленном металле этих швов обнаруживаются раковины размерами до 1,5 мм. При ручной вертикальной электродуговой сварке без флюса №3 хотя сам шов качественный, но разрушение происходит по основному металлу, и занижены все прочностные свойства. Наиболее надежное сварное соединение было получено путем автоматической вертикальной электрошлаковой сварки №1. По своим свойствам оно близко к эталонному №6. При этом деформируется и разрушается в основном наплавленный металл. Такое соединение успешно эксплуатировалось в течение 16 лет. Причиной предпочтительного разрушения по основному металлу, по-видимому, является структура. Более равновесная и крупнозернистая у основного металла она легче деформируется и быстрее доходит до разрушения. Наиболее мелкозернистые зоны термического влияния оказываются самыми прочными и потому практически не деформируются. Наплавленный металл занимает промежуточное состояние.
В последнее время на страницах отечественной научной периодики появились обзоры по деградации свойств материалов и конструкций [34-36] и методам их оценки [37-38].
Деградация свойств, а в итоге снижение (по сравнению с прогнозируемыми) сроков службы сооружений возникает в случае, когда создатели конструкций не учитывают, возможно, из-за несовершенства нормативных подходов отрицательного действия технологии изготовления конструкций, ряда факторов эксплуатации, а также действия каких-либо нераспознанных деструктивных процессов.
Отметим, что, когда мы говорим о деградации свойств, следует оценивать главным образом не прочностные характеристики, а сопротивление разрушению различной природы, снижающееся во времени [34].
Методика исследования стали путем использования просвечивающей дифракционной электронной микроскопии тонких фольг
Исследования тонких фольг из стали проводили на приборе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ. Рабочее увеличение в колонне электронного микроскопа составляло 8000 - 80000 крат. Окончательное увеличение достигалось с помощью фотопечати. Для идентификации фаз, присутствующих в материале, применялся дифракционный анализ с использованием темнопольной методики и последующим индицированием микроэлектронограмм [81]. Изображения тонкой структуры материала (светлопольные изображения) были использованы для классификации морфологических признаков структуры; определения размеров, объемной доли и мест локализации вторичных фаз и выделений; измерения скалярной р и избыточной р± плотности дислокаций; амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки х- Применяли следующие методики количественной обработки результатов исследования.
Определение объемной доли дислокационной субструктуры (Ру). В связи с тем, что размер структурного элемента в формирующемся типе дислокационных субструктур (ДСС) в стали больше или соизмерим с толщиной фольги, то с их изображениями в фольге можно работать как со случайными сечениями в шлифе [82]. Поэтому в работе использовался метод определения объемной доли по случайным сечениям, основанный на измерении доли площади фольги Ps, занятой определенным типом ДСС, т.е. был использован планиметрический метод. Согласно этому методу, измерялись площади изображений каждого из типов ДСС на плоскости наблюдения. Затем величины таких площадей суммировались. Полученная сумма делилась на величину площади изучаемого участка плоскости наблюдения.
В случае изотропной структуры Ру можно определить на одном представительном случайном сечении кристалла. Для неоднородной структуры представительную выборку необходимо осуществлять по нескольким различно ориентированным сечениям.
Подобным же образом проводили определение объемных долей различных морфологических составляющих структуры стали - зерен феррита, колоний и зерен перлита, объемов материала с бейнитной и мартенситной структурами.
Определение скалярной плотности дислокаций. Скалярная плотность дислокаций измерялась методом секущих с поправкой на невидимость дислокаций [83]. В качестве испытательной линии использовалась прямоугольная сетка. Тогда скалярную плотность дислокаций на микрофотографиях, полученных при электронно-микроскопическом исследовании, можно определить по формуле: где М - увеличение микрофотографии, Пі и п2 - число пересечений дислокациями горизонтальных и вертикальных линий, 1\ и /2, соответственно, -суммарная длина горизонтальных и вертикальных линий.
Скалярная плотность дислокаций определялась отдельно для каждого типа ДСС. Средняя величина скалярной плотности дислокаций рассчитывалась с учетом объемной доли каждого из типов присутствующих ДСС по следующей формуле: где pi - скалярная плотность дислокаций в определенном типе ДСС, Ру, -объемная доля материала, занятого этим типом ДСС.
Определение избыточной плотности дислокаций и амплитуды кривизны -кручения кристаллической решетки. Избыточная плотность дислокаций р± = р+ - р. (р+ и р. - плотность соответственно положительно и отрицательно заряженных дислокаций) измерялась локально по градиенту разориентировки [84]: где b - вектор Бюргерса дислокаций, дц /д! - градиент кривизны фольги или кривизна-кручение кристаллической решетки %. Величина % = д(р/д! определялась путем смещения контура экстинкции (А/) при контролируемом угле наклона фольги (Аф) в колонне микроскопа с помощью гониометра. При этом желательно, чтобы вектор действующего отражения g был перпендикулярен оси наклона гониометра (ОНГ). В противном случае требуется пересчет, т.к. плоскость действующего отражения уже не будет содержать ось наклона гониометра. Необходимо отметить, что участок фольги, на котором проводится измерение, не должен содержать на пути перемещения контура границ раздела или разориентировки, т.е. изгиб фольги должен быть непрерывным. Специальными опытами установлено, что ширина контура в величинах разориентировок для сталей составляет 1 [85]. Это означает, что при повороте гониометра на величину Аф « 1 изгибный экстинкционный контур смещается на расстояние, равное своей ширине, т.е. А/ « / (при этом должно выполняться условие g 1 ОНГ). Эта величина (Аф « 1) в сочетании с шириной контура / позволяет определить градиент разориентировки:
Определение параметров ДСС. Каждый из типов ДСС характеризуется рядом параметров. Для изучения эволюции фрагментированной и ячеистой ДСС использовались такие параметры, как размер фрагментов и ячеек. Величина фрагментов измерялась в двух, взаимно перпендикулярных, направлениях (длина и ширина). Величина размера ячеек определялась методом случайных секущих [86] как путем их измерения в разных плоскостях фольги, так и путем их усреднения по всем имеющимся плоскостям.
Определение средних размеров частиц карбидных фаз, расстояний между ними и их объемной доли. В исследуемой стали присутствуют карбиды, имеющие форму, близкую к сферической, и вытянутую пластинчатую форму. Все типы карбидов могут располагаться как внутри, так и по различным границам. Поэтому измерение расстояний между частицами и их объемные доли для карбидов, находящихся в теле структурных составляющих и на их границах, проводилось по-разному.
У частиц карбидов, имеющих сферическую форму, измерялся диаметр d, у пластинчатых - длина и диаметр d частиц. Размеры частиц определяли по микрофотографиям, полученным с фольг, путем их непосредственного замера [87]
Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии
Как отмечалось выше, исследование поверхности разрушение проводили на образцах арматуры, срок эксплуатации которой изменялся от 3 до 50 лет. Визуальный анализ прутков арматуры, извлеченных из элементов фундамента, выявил наличие определенного слоя окалины, толщина и сплошность которого увеличиваются с ростом срока эксплуатации арматуры. Следовательно, очаги разрушения арматуры, не зависимо от способа производства (горячекатаная или термоупрочненная арматура) будут находиться на свободной поверхности стержня; в качестве концентраторов напряжения будут выступать хрупкие частицы окисной фазы, формирующие некоторый поверхностный слой, а также располагающиеся на границах зерен феррита и перлита. Действительно, проведенные исследования поверхности разрушения, наиболее детальным образом выполненные на горячекатаной арматуре, подтвердили это общепринятое положение [89-91].
На рис.3.4 приведено изображение поверхности разрушения арматуры, срок эксплуатации которой составлял 50 лет (рис.3.4а, в) и 35 лет (рис.3.4б, г). Отчетливо видны два слоя - поверхностный, сформированный, по всей видимости, окисной фазой, и основной. Вдоль границы раздела данных слоев наблюдаются микро- и макронесплошности, размеры которых иногда достигают десятки микрометров (рис. 3.4в). Прослойка окисной фазы не всегда является монолитной. В процессе очистки от остатков бетона она разрушается, при этом отдельные частицы окисной фазы могут выступать с поверхности арматурного стержня (рис.3.4г).
Как правило, граница раздела данных слоев становится источником микротрещин, приводящих, при определенной внешней нагрузке, к разрушению прутка (рис. 3.5а). Трещины, особенно в приповерхностном слое, распространяются вдоль границ раздела кристаллитов (зерен феррита и перлита), ослабленных включениями второй фазы, которые отчетливо выявляются на фрактограммах разрушения материала в виде небольших частиц разнообразной формы и размеров, расположенных по берегам раскрывшейся трещины (рис. 3.56). Как будет показано ниже методами дифракционной
Изучение рельефа поверхности излома позволяет указать на место нахождения очага разрушения. Существует достаточно большое количество способов определения очага разрушения материала, одним из которых является следующий. При всех видах быстрого разрушения, как правило, на поверхности изломов образуются рубцы, которые указывают направление роста трещины. В случае образцов цилиндрической формы на поверхности разрушения формируются радиально расположенные рубцы, так называемый «шевронный узор» [82, 83]. Вершины V-образных шевронных узоров направлены в сторону, противоположную направлению распространения трещины. Следовательно, вершины элементов узора указывают то направление, в котором можно найти очаг разрушения. На рис.3.6 приведены фрактограммы поверхности разрушения стержня с ярко выраженным шевронным узором. Анализ картин разрушения, приведенных на данном рисунке показывает, что очаг разрушения находится на свободной поверхности арматурного стержня и связан с формированием на ней окисной пленки.
Исследования, выполненные в настоящей работе [92-96], дают основание утверждать, что разрушение в арматурном прутке относится к разрушению «смешанного типа», т.е. осуществляется под действием нескольких механизмов. Последнее свидетельствует о том, что факторы, которые определяют тот или иной действующий механизм, такие как напряженное состояние, микроструктура, окружающая среда, благоприятствуют реализации разрушения с участием ряда механизмов. А именно, в области очага разрушения реализуется межзеренный механизм (рис. 3.7), сопровождающийся формированием мелкофасетчатого излома (рис. 3.8). Из анализа приведенных на рис.3.7 фрактограмм отчетливо видно, что межзеренный механизм разрушения реализуется только на части излома образца, примыкающей к поверхности арматурного стержня, Причиной его инициирования является формирование окисной пленки, а также проникновение кислорода в объем материала с образованием частиц окисной фазы по границам зерен. По мере удаления от очага разрушения фасетки в изломе постепенно сменяются ямками. За пределами зоны проникновения коррозии наблюдается ямочное разрушение по механизму слияния микропор (рис.3.9).
Изгиб-кручение кристаллической решетки зерен феррита
Второй структурной составляющей исследуемой стали, как уже отмечалось выше, являются зерна перлита в основном пластинчатой морфологии (рис.4.5а-в). В исходном состоянии (сталь текущего производства) в пластинах феррита зерен перлита наблюдается преимущественно хаотическая ДСС. Скалярная плотность дислокаций невелика
Эксплуатация стали сопровождается множественным изменением структуры зерен перлита. Прежде всего это относится к эволюции ДСС ферритных пластин. В результате проведенных электронно-микроскопических исследований было установлено, что с увеличением времени эксплуатации субструктура дислокационной хаоса (рис.4.10а) замещается сетчатой субструктурой (рис.4.106). Одновременно с этим в пластинах феррита начинают накапливаться разориентации, что приводит к формированию субструктуры «шахматного» («лестничного» [94]) типа (рис. 4.10в). Одной из причин формирования данного типа субструктуры может быть поляризация дислокационного ансамбля. После 35 лет эксплуатации в пластинах феррита выявлено формирование малоугловых границ, располагающихся под углом 45-55 градусов к продольной оси пластин (рис.4.10г). Это позволяет говорить об образовании в пластинах феррита своеобразной ячеисто-сетчатой ДСС. Одновременно с эволюцией ДСС, эксплуатация стали сопровождается ростом скалярной плотности дислокаций, величина которой изменяется от р -1,3-1010 см 2 в исходном состоянии до 4,3-1010 см"2 после 50 лет эксплуатации. Перечисленные факты указывают на поступательный характер развития характерный для эволюции дислокационной субструктуры поликристаллических материалов при пластической деформации [99, 101, 103].
В зернах перлита, как и в ферритных зернах, уже в исходном состоянии наблюдаются изгибные экстинкционные контуры, указывая на присутствие кривизны-кручения кристаллической решетки материала. Контуры единичны, простираются от одной границы зерна перлита до другой (рис.4.3б). Средние поперечные размеры контуров, как было отмечено выше, и, следовательно, значения кривизны-кручения кристаллической решетки феррита и амплитуды дальнодействующих полей напряжений близки к соответствующим значениям параметров структуры зерен феррита. Эксплуатация стали сопровождается увеличением линейной плотности изгибных экстинкционных контуров, особенно существенным после 50 лет (примерно в 5 раз), ростом величины кривизны-кручения кристаллической решетки и амплитуды дальнодействующих полей напряжений зерен перлита. Сопутствующим элементом данного процесса является усложнение формы контуров. Отмечается появление петлеобразных контуров, формирующихся в стыках границ зерен перлита или перлита и феррита (рис.4.11). Последнее указывает на несовместный характер деформации зерен перлита и феррита, вследствие чего в материале возникают и накапливаются по мере увеличения срока эксплуатации упруго-пластические напряжения, могущие приводить (и приводящие, как будет показано в разделе 4.4) к формированию микротрещин.
Эксплуатация стали сопровождается разрушением пластин цементита. В многочисленных исследованиях, посвященных анализу разрушения перлитной структуры при различных способах нагружения стали, к настоящему времени выявлено несколько механизмов протекания данного процесса [99, 103, 104]. Наиболее часто обсуждаются следующие. Во-первых, растворение пластин цементита вследствие взаимодействия последних с движущимися дислокациями. Данный процесс становится возможным по той причине, что энергия взаимодействия атомов углерода с атомами железа в кристаллической решетке карбида ниже энергии взаимодействия атомов углерода с дислокациями. Во-вторых, разрушение перлита вследствие разрезание пластин цементита на отдельные фрагменты и перемещение их в объеме зерна с возможным последующим растворением. Реализация второго механизма становится возможной в силу существования когерентной связи решеток цементита и феррита, наблюдаемой вдоль избранных направлений и плоскостей, о чем свидетельствуют определенные ориентационные соотношения, наблюдающиеся между решетками цементита и феррита в перлите [105].
Исследования, выполненные в рамках настоящей работы, также указывают на разрушение структуры пластинчатого перлита в процессе эксплуатации арматуры. Выявляются два механизма протекания данного процесса, подобные рассмотренным выше. А именно - опутывание пластин дислокациями с последующим растворением карбидной частицы за счет ухода атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации и разрушение перлита вследствие разрезание пластин цементита на отдельные фрагменты и перемещение их в объеме зерна. На рис.4.12 и рис.4.13 приведены характерные электронно-микроскопические изображения структуры зерен перлита, разрушение пластин цементита в которых осуществляется по механизму растворения. На начальной стадии разрушения наблюдается опутывание пластин цементита дислокациями (рис.4.12а). Пластины цементита при этом сохраняют свою форму и сплошность, что отчетливо просматривается на светлопольном (рис.4.12а) и темнопольном (рис.4.12б) изображениях.
