Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей (стр. 1 )

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ НА КИНЕТИКУ

ЛОКАЛИЗОВАННОГО УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тула 2008

Работа выполнена на кафедре «Физика металлов и материаловедение»

Тульского государственного университета

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор,

доктор технических наук,

профессор

доктор технических наук,

профессор

Ведущая организация: ГУП «Конструкторское бюро

Приборостроения», г. Тула

Защита диссертации состоится ноября 2008 г. в 14.00 часов на

заседании диссертационного совета Д 212.271.03 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» Тула, пр. Ленина, 92,

ТулГУ, 9 учебный корпус, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТулГУ.

Автореферат разослан «_____» ________2008

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время к используемым и вновь создаваемым сталям предъявляются эксплуатационные требования, среди которых выделяется сопротивление усталости в большом диапазоне нагружений, в том числе при высоких амплитудах напряжений и заданной ограниченной долговечности, а также при напряжениях, близких к пределу выносливости сталей со сверхвысокой долговечностью. Обеспечение ресурса по этим показателям является актуальной задачей прикладного материаловедения.

Усталостное разрушение обусловлено процессами развития и накопления циклической пластической деформации, масштабы которой зависят от состава, структурного состояния, степени гетерогенности материала и его запаса пластичности. Проявление циклической пластической деформации можно характеризовать тремя частично перекрывающимися процессами, отличающимися типом и локальностью развития. Это – упрочнение и разупрочнение, определяемые структурным состоянием всего объекта; зарождение трещин в локальной области, контролируемые характером структурного строения в микрообъемах; продвижение трещин в среде с измененными свойствами, отличными от исходных.

Интенсивность данных процессов определяется параметрами циклического нагружения: амплитудой и асимметрией цикла, видом напряженного состояния, градиентом напряжений и др. При этом влияние пластической деформации неоднозначно: она источник накопления поврежденности и роста трещин, с одной стороны, и зона релаксации напряжений, с другой стороны. Несомненным является влияние состава, структурного состояния и степени гетерогенности на развитие циклической макро - и микропластической деформации, а также на развитие трещин, соизмеримых с размерами структурных элементов.

К настоящему времени экспериментально установлено проявление нестабильности процессов усталости, связанных с развитием циклической пластической деформации. Нестабильность формально выражается в форме нарушения монотонности кривой усталости разного рода разрывами и перегибами при испытаниях как гладких образцов, так и образцов с концентраторами напряжений. В этом случае кривая усталости представляется разделенной на участки с отличными зависимостями долговечности до разрушения в функции амплитуды напряжений. По физической сути такая нестабильность связана с изменением механизмов зарождения и распространения усталостных трещин и условий, влияющих на эти процессы. Значительный вклад в исследования стадийности усталостных процессов и влияния циклической пластической деформации на развитие разрушения внесли такие ученые, как , , А. Puškár, , T. Yokobori, М. Klesnil, P. Lukáš, K.J. Miller, Y. Murakami и др. О значительном интересе к отмеченной проблеме свидетельствуют регулярные международные конференции по вопросам сверхвысокой долговечности и разрушения.

В промышленности используется широкий спектр сплавов с различной гетерогенностью структурного состояния. В последнее десятилетие значительный интерес проявляется к разработке высокопрочных азотосодержащих сталей аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, в которых частичная замена легирующих элементов, а также микролегирование ниобием позволяет сократить расход легирующих материалов и нормировать их структурное состояние и, следовательно, усталостные характеристики. Стали в состоянии среднего отпуска после закалки отличаются хорошим сочетанием прочности, пластичности и вязкости, коррозионной стойкости и хорошей обрабатываемостью. Однако сведения о механизмах сопротивления механической усталости таких сталей весьма ограничены. Учитывая, что фиксирование карбонитридных дисперсных включений в твердом растворе осуществляется посредством термической обработки, необходимы исследования влияния структурного состояния при зарождении и развитии усталостных трещин.

Находят также широкое применение высокопрочные, умеренно легированные качественные стали мартенситного класса. Это стали со средним содержанием углерода и легированные хромом, никелем, молибденом и в небольших количествах ванадием и др. В нормализованном состоянии основным упрочняющим фактором умеренно легированных сталей является углерод. Роль легирования в упрочнении значительно проявляется при фазовых перестройках в процессах закалки и отпуска. Повышение прочностных свойств достигается за счет измельчения зерна и увеличения дисперсности, изменения гетерогенности структуры и приводит к различным механизмам микро - и макроразрушения. Использование таких сталей для высоконагруженных изделий требует информации о длительности периода до зарождения и продолжительности распространения усталостных трещин.

Целью настоящей работы является установление влияния структуры конструкционных сталей на масштаб локальной циклической деформации, приводящей к зарождению и развитию усталостных трещин, и путей повышения перегрузочной способности конструкций в условиях ограниченной и сверхвысокой долговечности.

В работе использованы комплексные исследования механических свойств сталей при статических и циклических нагружениях, оптический, фрактографический и магнитный методы анализа структурной поврежденности, критерии предельных состояний механики разрушения. На этой базе рассмотрены прикладные вопросы прогнозирования локализованной усталостной поврежденности и ресурса работы стальных конструкций грузоподъемных машин.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1.  Выявление общих закономерностей влияния состава и структурного состояния сталей ферритно-перлитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов на форму и параметры кривых усталости в широких диапазонах нагружения и долговечности.

2.  Построение кинетических зависимостей размера пластической зоны и роста усталостных трещин в ферритно-перлитных и аустенитно-мартенситных сталях с использованием различных методов их идентификации.

3.  Определение механизмов формирования подповерхностного зарождения разрушения на включениях при напряжениях ниже нормированного предела усталости и сверхвысоком числе циклов.

4.  Построение регрессионных зависимостей скорости роста трещин от значений коэффициентов интенсивности напряжений для высокопрочных сталей и определение показателей их трещиностойкости.

5.  Установление влияния режимов термической обработки на параметры усталостного разрушения и разработка рекомендаций, удовлетворяющих эксплуатационным свойствам долговечности до зарождения трещин и живучести с трещиной высокопрочных сталей.

6.  Разработка и обоснование основных положений диагностики интенсивно нагруженных стальных конструкций грузоподъемных кранов на базе анализа структурного состояния и критериев механики разрушения.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1.  Для сталей с различной структурной неоднородностью, включающих ферритно-перлитные с мягкой матрицей и твердыми составляющими, аустенитно-мартенситные с твердой матрицей и пластичными прослойками, а также мартенситные с жесткими структурами, получены регрессионные кривые усталости в широком диапазоне амплитуд напряжений, устанавливающие зависимости числа циклов до образования трещин и до разрушения от масштабов циклических пластических деформаций и степени гетерогенности структур.

2.  Установлены монотонный характер роста пластической слабодеформированной макрозоны в ферритно-перлитных малоуглеродистых сталях в условиях асимметричных циклов и плосконапряженного состояния, сопровождающийся утяжкой поперечного сечения, и негомогенный характер упрочнения сильнодеформированной микрозоны у вершины продвигающейся трещины.

3.  Механизмом формирования пластической микрозоны в аустенитно-мартенситных сталях является образование ориентированного мартенсита деформации перед вершиной растущей трещины в условиях плоскодеформированного состояния.

4.  Механизмы зарождения и развития трещин в стали аустенитно-мартенситного класса на сверхвысокой базе (> 10 8 циклов) проявляются в двух формах: посредством развития микропластических деформаций на включениях и слиянием пор на мартенситных субграницах.

5.  Получены кинетические зависимости скорости роста трещин в областях 5·10-10…10-8 м/цикл в аустенитно-мартенситных и 10-8…10-4 м/цикл в мартенситных высокопрочных сталях от амплитуд коэффициента интенсивности напряжений для нагружений. Определены показатели живучести высокопрочных сталей с трещиной в зоне многоцикловой усталости. Оба диапазона изменения скорости роста трещин описываются зависимостями одного типа и соответствуют стабильному участку кинетической диаграммы усталостного разрушения.

6.  Предложена обобщенная кривая усталости, на которой выделены критические напряжения, отвечающие сменам механизмов зарождения и развития трещин, определяемым в зависимости от масштаба циклической пластической деформации, структурного и напряженного состояний сталей (ферритно-перлитных, мартенситных и аустенитно-мартенситных).

7.  Установлено, что при средних перегрузках наибольшей долговечностью обладают азотосодержащие аустенитно-мартенситные стали (для стали 08Х14АН4МДБ закалка от 1050 °С с отпуском при 400 °С). Для промышленных изделий, требующих высокую перегрузочную способность, рекомендуется сталь 30ХН2МФА изотермической закалки от 860 °С с отпуском при 300 °С, удовлетворяющая показателям ограниченной долговечности и трещиностойкости.

8.  Разработаны и апробированы методики технического диагностирования интенсивно нагруженных металлоконструкций и расчетные оценки остаточного ресурса конструкций, выполненных из малоуглеродистых и низколегированных сталей, основными предельными состояниями которых являются накопленная усталостная поврежденность и развитие усталостных трещин критической величины.

Основные положения, выносимые на защиту:

- регрессионные зависимости долговечности сталей основных структурных классов от уровня приложенных амплитуд номинальных напряжений с учетом масштабов развития циклических пластических деформаций и их влияния на условия зарождения и роста трещин;

- закономерности развития структурной поврежденности в пластических зонах у надрезов и перед фронтом развивающейся трещины для сталей ферритно-перлитных и аустенитно-мартенситных структур;

- механизмы зарождения разрушения в аустенитно-мартенситной стали с упрочнением дисперсными карбонитридными включениями на сверхвысокой базе испытаний;

- кинетические зависимости роста усталостных трещин в высокопрочных сталях мартенситного и аустенитно-мартенситного классов и показатели долговечности до зарождения трещин и живучести с трещиной высокопрочных сталей;

- выбор составов и режимов термической обработки высокопрочных сталей по показателям долговечности до разрушения, трещиностойкости и перегрузочной способности;

- разработанную методологию оценки предельного состояния и остаточного ресурса интенсивно нагруженных металлоконструкций, выполненных из малоуглеродистых и низколегированных сталей.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием современных методов исследований и оборудования, стандартных и оригинальных методик, согласованностью результатов лабораторных и эксплуатационных испытаний с учетом статистических и компьютерных методов обработки данных, а также согласованность результатов с работами и выводами отечественных и зарубежных авторов.

Практическая значимость работы

Проведенные исследования нашли практическое использование:

- для выбора составов и термической обработки высокопрочных сталей по показателям ограниченной долговечности и трещиностойкости при высоких уровнях перегрузки (ГУП «КБ приборостроения», г. Тула, заключение об использовании от 01.01.2001);

- для выбора режима отпуска закаленной аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ, отвечающего требуемому сопротивлению усталости (ИМЕТ РАН, г. Москва);

- при разработке способа диагностики стальных конструкций по накопленной макропластической деформации локальных участков поверхности (патент РФ №2 G01N21/88, G01B11/30);

- при выполнении экспертных работ и технического диагностирования металлоконструкций грузоподъемных кранов по показателям живучести (НИИ промышленной и экологической безопасности ЮРГТУ, г. Новочеркасск, заключение об использовании от 01.01.2001).

- в учебном процессе для студентов уровней подготовки: бакалавров, специалистов, магистров и аспирантов по курсам дисциплин «Физика прочности и пластичности» «Проблемы качества и материаловедение, экспертиза и причины отказов» (спец. 150702), «Конструкционная прочность» (спец. 190100), для которых подготовлено и издано учебное пособие («Механика разрушения», Тула, ТулГУ, 19с.)

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Х-я Международная конференция “Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах (Тула, 2001); Международная научно-техническая конференция “ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2001” (Санкт-Петербург, 2001); II Всероссийская конференция Разрушение и мониторинг свойств материалов” (Екатеринбург, 2003); 4-я Международная конференция “Прочность и разрушение материалов и конструкций” (Оренбург, 2005); XVI Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург - 2006); III-я Евразийская научно-практическая конференция “Прочность неоднородных структур” (Москва, 2006); I-я Международная конференция “Деформация и разрушение материалов” DFM2006 (Москва, 2006); научно-практический семинар “Техническое регулирование в обеспечении безопасности опасных производств, использующих подъемные сооружения” (Новочеркасск, 2006); IV-я Евразийская научно-практическая конференция “Прочность неоднородных структур” (Москва, 2008).

Результаты работы экспонировались на выставках: Специализированная выставка “Подъемно-транспортная техника и технологии” (Москва, 2003, медаль оргкомитета); VII Международный салон промышленной собственности “АРХИМЕД-2004”(Москва, 2004, диплом оргкомитета); специализированная выставка “Подъемно-транспортная техника и технологии” (Москва, 2006).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 34 печатных работах, включая монографию, патент РФ, 28 статьи в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 4 в сборниках трудов и материалов различных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, приложения и списка цитируемой литературы из 246 наименований. Работа изложена на 254 страницах машинописного текста, содержит 100 рисунков и 18 таблиц.

Работа выполнена в Тульском государственном университете в соответствии с тематическим планом НИР, координируемым Министерством общего и профессионального образования РФ (темы № 57-91 и 35-01) , а также в рамках Договора о содружестве с ИМЕТ РАН им. при финансовой поддержке РФФИ (проекты № -а, № -а).

Автор благодарит сотрудников кафедр ФММ и ПТМиО ТулГУ за товарищескую поддержку, коллектив лаборатории конструкционных сталей и сплавов ИМЕТ РАН им. за внимание к работе и дискуссии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования, показана научная и практическая значимость, перечислены основные результаты, составляющие новизну работы, и положения, выносимые на защиту.

Состояние вопроса влияния структурного фактора

на кинетику усталостного разрушения

Современная концепция усталостного разрушения рассматривает процесс усталости как кинетический и стадийный, имеющий развитие во времени посредством развития нелокализованной и локализованной поврежденности. Стадии, контролируемые различными механизмами, могут частично накладываться или не проявляться, что определяется структурным состоянием сплава и влиянием внешних факторов.

В работе проанализированы особенности усталостной поврежденности в конструкционных сталях различных структурных состояний и классов прочности, отличающихся различной термодинамической устойчивостью и способностью к упрочнению: стабильные структуры (отжиг, нормализация), закалочные структуры (закалка без отпуска, отпуск при 100 и 200 °С), промежуточные структуры (отпуск после закалки при 400, 500, 600 и 700 °С). Развитие усталостной нелокализованной поврежденности обусловлено циклической пластической деформацией, вызывающей упрочнение или разупрочнение на определенной стадии циклического нагружения. В зависимости от структурного состояния сталей эти процессы могут иметь дислокационную, диффузионную, вакансионную природу и др. В результате переменное механическое нагружение вызывает изменение субструктуры и микроструктуры металлов, что отмечено изменением физических и механических свойств от числа циклов, и процесса подготовки локального разрушения.

В соответствии с развитыми в настоящее время подходами развитие разрушения контролируется размером пластической зоны и силовыми или деформационными параметрами механики разрушения в среде с осредненными свойствами. Влияние структурного состояния на скорость роста трещины осуществляется через пластическую зону и процессы циклического деформационного упрочнения или разупрочнения в ней. По приведенным литературным данным пластическая зона может включать несколько зон, отличающихся механическим состоянием. Ключевыми являются вопросы последовательности образования зон, изменение их физико-механические свойства, связь с параметрами циклического нагружения, размерами структурных элементов и влияние каждой из них на кинетику процесса разрушения. Данные вопросы на сегодняшний день остаются открытыми.

Представляется перспективным использовать параметр размера зон пластичности для установления зависимостей живучести от амплитуд нагружения в различных областях кривой усталости, разделенных разрывами и переломами, а различие в пределах каждой области рассматривать как процессы управляемые разными механизмами развития повреждаемости внутри зон. Особый интерес представляет вопрос влияния структурного состояния высокопрочных сталей на разрыв долговечности в области предела усталости, связанный с разрушениями в гигацикловом диапазоне долговечности и теми механизмами. какими это разрушение осуществляется. Эти направления являются недостаточно изученными и поэтому перспективными для научных исследований.

В соответствии с целью исследования и анализом опубликованных в печати работ определялись задачи работы и методы их решения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы и их структурные состояния

Для реализации поставленной цели исследования руководствовались следующими принципами выбора материалов и их структурных состояний: во-первых, это стали, имеющие область промышленного или перспективного использования; во-вторых, это стали с контрастными структурными состояниями, принадлежащими к различным структурным классам, в пределах каждого из которых можно изменять степень гетерогенности и фазовый состав сталей с созданием принципиально отличных структур. В этом случае, при испытаниях возможно получить различные масштабы циклической пластической деформации, различные процессы структурной поврежденности в пластических зонах и изменения их физико-механических свойств, находящих отражение в механизмах разрушения. В качестве объектов исследований выбраны три типа структурных состояний сталей: ферритно-перлитные, мартенситные и аустенитно-мартенситные. Режимы термообработки и характеристики механических свойств сталей представлены в табл. 1-3.

Стали марок 30ХН2МФА и 35ХН2МФА-ш и 50А с производственными режимами термообработки предоставлены ГУП “КБ приборостроения” и АК “Тульский оружейный завод”. Экспериментальная сталь 08Х14АН4МДБ предоставлена лабораторией конструкционных сталей и сплавов им. академика ИМЕТ им. РАН.

Таблица 1

Марки сталей	Термообработка	Механические свойства
, МПа	, МПа	5, %	, %	Твердость HV
Ферритно-перлитные стали
50А	Норм. от 850 °С	746		22	49	218
40ХН*	Норм. от 870 °С	763	413	25	59	230
20ХН*	Норм. от 880 °С	540	332	34	72	170
Ст3 пс5	Норм. от 900 °С	410	265	35	67	150

* по данным [1]

Таблица 2

Марки сталей	Термообработка	Механические свойства
, МПа	, МПа	5, %	, %	Твердость, HV
Мартенситные стали
35ХН2МФА-ш	Зак. от 860 °С в масле, отп. 200 °С в селитре 2 ч; охл. – вода	1843	1556	7,5	57	560
30ХН2МФА	Зак. от 860 °С в селитре, отп. 300 °С в селитре 2 ч; охл. – вода, воздух	1674	1380	7,7	57,5	500

Таблица 3

Марки сталей	Термообработка	Механические свойства
, МПа	, МПа	5, %	, %	Твердость, HV
Аустенито-мартенситные стали
08Х14АН4МДБ	Зак. от 1050 °С в воде	1300	1045	20	64	497
08Х14АН4МДБ	Зак. от 1050 °С в воде, отп. при 400 °С 2 ч	1473	1234	20	61	472
08Х14АН4МДБ	Зак. от 1050 °С в воде, отп. при 500 °С 2 ч	1585	1290	21	64	500
08Х14АН4МДБ	Зак. от 1050°С в воде, отп. при 600°С 2 ч	1254	995	11	40	386

В принятых к исследованию сталях с ферритно-перлитной структурой пластичную матрицу составляют ферритные зерна от 76 % (сталь Ст3) до 38 % (сталь 50А) с 265 МПа. В качестве основной упрочняющей фазы является Fe3C, входящий в состав перлита в виде твердых и хрупких пластинок.