Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей




Скачать 17,37 Kb.
НазваниеВлияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
страница3/5
Дата04.02.2016
Размер17,37 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3   4   5
Влияние структуры на поврежденность и усталостное разрушение

сталей на ферритной основе

В углеродистых и низколегированных сталях на ферритной основе доля перлита является сдерживающим фактором совместных пластических деформаций ансамбля ферритных зерен. С увеличением количества перлита возрастает локальность и степень неоднородности пластических деформаций, которые получают более интенсивное развитие при циклических нагружениях, чем при статических. В результате в сталях со средним содержанием углерода по сравнению с малоуглеродистыми сталями прирост предела текучести больше, чем предела выносливости, что расширяет область номинально упругого циклического нагружения среднеуглеродистых сталей.

Кривая усталости стали 50А (рис. 1, а, кривая 1) по данным испытаний и результатов статистической обработки результатов представлена в форме трех участков, разделенных на область низких упругих амплитуд напряжений от предела усталости до нижнего перелома кривой , область средних упругих амплитуд между нижним и верхним переломами и область высоких амплитуд > .

Аналитические зависимости для каждого участка кривых (рис. 1, а) представляли в виде , где j – номер участка кривой усталости; m и С – константы материала и внешних условий испытания, вычисляемые через параметры линии регрессии в логарифмических координатах.

Различие кривых усталости 1 и 2 (рис. 1, а) обнаруживается при амплитудах напряжений выше , когда проявляется влияние температуры разогрева металла цилиндрических образцов (кривая 2), по сравнению с испытаниями в условиях теплоотвода корсетных образцов (кривая 1). Наибольший эффект



этого влияния выявлен на уровне амплитуд напряжений, равных пределу текучести стали при растяжении в виде разрыва кривой усталости со смещением высокоамплитудной области в сторону снижения долговечности. Отражением этого эффекта являются особенности развития циклической микропластической деформации (рис. 2).







Рис. 2. Изменение протяженности площадки текучести при растяжении (а) и внутреннего трения (б) от числа циклов; сталь 50, чистый изгиб, D = 8 мм


На начальной стадии циклического нагружения наблюдаются процессы разупрочнения в феррите в виде циклической текучести, сопровождающиеся снижением предела текучести и модуля упругости, уменьшением протяженности площадки текучести и возрастанием декремента колебаний. С развитием циклической текучести увеличивается роль локальных структурных процессов деформационного упрочнения и динамического деформационного старения, интенсивность которых зависит от температурного фактора при испытании с разной частотой нагружения (рис. 2). В условиях изотермического нагружения при 20 С циклическое разупрочнение монотонно сменяется упрочнением. В условиях термоактивируемой деформации процессы циклической текучести и упрочения получают наибольшее развитие, что отмечается характером изменения внутреннего трения. Максимуму декремента отвечает преобладание процессов упрочения (рис.2, б), а минимуму – окончание этой стадии (прирост твердости HV 18 %). Появление второго меньшего по величине максимума отвечает зарождению локальных повреждений в виде макротрещин и последующее снижение максимума частичному их объединению в магистральную трещину.

На кривой усталости надрезанных образцов (см. рис. 1, кривая 3) выделяются три области амплитуд, разделенные переломами при напряжениях = 170 МПа и = 360 МПа. При номинальном напряжении максимальное значение напряжения в вершине надреза достигает предела текучести , что означает образование локальной пластической зоны в начале испытания. Возрастания амплитуд напряжений сопровождается расширением пластической зоны у надреза вплоть до реализации условий малоциклового разрушения отмеченной тенденцией к увеличению долговечности при > .

По результатам усталостных испытаний сталей Ст3 и 20ХН выявлены области нестабильности на кривых усталости гладких образцов при амплитудах напряжений в области текучести этих сталей и отсутствие нижнего перелома в образцах с надрезами. Испытания гладких образцов стали Ст3 нами обработаны по двум областям амплитуд выше и ниже предела текучести. В результате раздельной обработки данных обнаружили разрыв кривой примерно на уровне предела текучести (рис. 1, б), который не явно выражен аппроксимацией единой зависимостью [1].

На кривой усталости надрезанных образцов стали Ст3 амплитуда номинального напряжения, при котором максимальное значение напряжения в вершине надреза достигает предела текучести , составляет 141 МПа, практически совпадая с пределом усталости 138 МПа, т.е. напряжение нижнего перелома кривой совпадает с пределом усталости, исключая, таким образом, номинально упругую область усталости.

В стали 20ХН “мнимое” напряжение нижнего перелома при той же геометрии надреза составляет 185 МПа и находится на 10 % ниже предела усталости, т.е. для стали 20ХН с повышенными характеристиками прочностных свойств по сравнению со сталью Ст3 значение , отвечающее границе упругой области при 206 МПа, выше.


Влияние структуры на поврежденность и усталостное разрушение

высокопрочных сталей

Кривые усталости корсетных образцов сталей 30ХН2МФА и 35ХН2МФА-ш жестких структур мартенсит отпуска являются монотонными кривыми во всем диапазоне амплитуд напряжений многоцикловой усталости и описываются одной регрессионной зависимостью. На рис. 1, в такая кривая усталости приведена для стали 30ХН2МФА (кривая 1). Кривая усталости надрезанных образцов (см. рис. 1, в, кривая 2) представлена двумя участками с нижним переломом кривой соответствующим условию достижения максимальными напряжениями в надрезе величины условного предела текучести. Верхний перелом кривой для данного структурного состояния стали 30ХН2МФА не обнаружен. Кривая образования трещин размером 0,1 мм (см. рис. 1, в, кривая 3) характеризует низкую долговечность стали на стадии зарождения.

Ограниченная долговечность стали 35ХН2МФА-ш, по сравнению со сталью 30ХН2МФА, несмотря на увеличенное количество упрочняющей фазы и повышенную чистоту химсостава по примесям, имеет примерно тот же интервал числа циклов до разрушения. Отмечается прирост предела усталости этой стали для гладких образцов на 12,3% – с надрезом на 10,6%.

Высокопрочные азотосодержащие аустенитно-мартенситные стали в зависимости от состава, технологии производства и режимов термической обработки могут существенно изменять фазовый состав, структуру и механические свойства. В условиях действия циклических нагрузок определяющим долговечность до зарождения и распространения трещин является структурное состояние стали и косвенное ее отражение как сочетание характеристик прочности и пластичности.

На образцах стали 08Х14АН4МДБ после закалки от 1050 °С и отпуска 500 °С с пятью острыми надрезами радиусом в вершине = 0,09 мм, =5,82, были проведены испытания в широких диапазонах напряжений и долговечности (рис. 1, г, кривая 1). Для образцов с надрезами радиусами = 0,153; 0,344; 0,861 мм выполнены расчеты пределов усталости и проведены оценочные испытания (кривые 2, 3, 4).

Кривая усталости образцов с надрезами 1 имеет три области амплитуд, разделенные нижним и верхним переломами кривой, и аналогично ферритно-перлитной стали 50А (рис. 1, а) включает номинально упругую, переходную и малоцикловую области. Отличительными особенностями стали 08Х14АН4МДБ являются увеличение ограниченной долговечности во всем диапазоне напряжений и изменение наклона кривой малоцикловой области в сторону снижения числа циклов до разрушения, которое обусловлено иными механизмами развития повреждений.

Зависимости пределов выносливости от остроты надреза в его вершине позволили установить, что с уменьшением теоретического коэффициента концентрации напряжений предел выносливости материала повышается соответственно степенной зависимости

, (1)

где А – числовой коэффициент; р - показатель, зависящий от градиента напряжений и чувствительности материала к надрезу.

Изучено влияние температур отпуска при 400, 500 и 600 °С на ограниченную долговечность стали 08Х14АН4МДБ для среднеамлитудной области кривой усталости. Наибольшая долговечность (N = 1,37·106 циклов) соответствует температуре отпуска 400 оС; несколько ниже долговечность закаленной стали без отпуска (N = 1,14·106 циклов). Эти значения в два и более раз превышают долговечность стали после закалки и отпуска при 500 оС. Однако повышение температуры отпуска до 600 оС снижало долговечность в 2,4 раза, составляющую в данном случае N = 2,4·105 циклов.

Изменения характеристик сопротивления усталости и статической прочности сопоставляли в зависимости от режимов отпуска и структур стали при этих режимах. В качестве характеристик циклической прочности использовали два параметра – долговечность до разрушения, нормированную на число циклов до разрушения при температуре отпуска 400 оС, принятую за 100 % , и оценка трещиностойкости по площади зоны развития трещины до критического размера в изломе (рис. 3).



Рис. 3. Зависимости механических свойств стали 08Х14АН4МДБ от температуры отпуска: 1 – предел прочности; 2 – предел текучести; 3 – твердость; 4 – относительное удлинение; 5 – относительное сужение; 6 – площадь зоны усталостной трещины в изломе; 7 – относительная долговечность образцов с надрезом


Условию сопротивления статическим нагрузкам с достижением высоких уровней напряжений отвечает структура с дисперсными выделениями карбонитридов, полученная в результате отпуска при температуре 500 С. Наибольшая долговечность, наблюдаемая при температуре отпуска 400 °С, соответствует оптимальной субструктуре стали, а именно, имеющей высокую плотность дислокаций, стабилизированную сегрегациями атомов азота и углерода.


Оценка корреляционной связи параметров

выносливости сталей и их структурного состояния


Установленную корреляционную зависимость пределов выносливости от теоретических коэффициентов концентрации напряжений для стали 08Х14АН4МДБ проверяли на сталях различных структурных состояний (табл. 5). Значения коэффициента А с точностью до 1 % совпадают с пределами выносливости гладких образцов. Показатель степени р может отражать влияние нескольких факторов, таких, как состав и структурное состояние стали, размеры образца и градиент напряжений в вершине надреза.


Таблица 5

Значения коэффициента А и показателя р в уравнении

Марка стали

Результаты аппроксимаций

А

р

R

Ст3

207,76

0,7588

0,9974

20ХН

311,81

0,7350

0,9994

40ХН

353,38

0,8618

0,9982

08Х14АН4МДБ

505,50

0,6002

0,9979


Для выявления чувствительности сталей разных составов и структурных состояний к концентрации напряжений на уровне пределов выносливости строили зависимости эффективных коэффициентов концентрации напряжений Кσ от нормированных на протяженность надреза относительных градиентов напряжений в вершине надреза (рис. 4).



Рис. 4. Зависимости эффективных коэффициентов концентрации напряжений от значений нормированных относительных градиентов для сталей: O – Ст3; ▲ – 20ХН; ♦ - 40ХН; ● – 08Х14АН4МДБ; ▼ – 30ХН2МФА; ■ – 35ХН2МФА-ш


На рис. 4 выделяются три группы кривых для сталей с различной жесткостью структур. Для низкопрочных сталей Ст3 и 20ХН ферритно-перлитной структуры с показателями пластичности δ5 = 35 и 34 % соответствует кривая 1; выше располагаются данные для сталей средней прочности феррито-перлитной структуры 40ХН и высокопрочной аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ с показателями пластичности δ5 = 25 и 21% (кривая 2). Высокопрочные стали со структурами низкоотпущенного мартенсита 30ХН2МФА и 35ХН2МФА-ш малой пластичности δ5 < 8 % примерно соответствуют кривой 3. Результаты статистической обработки этих данных аппроксимированы зависимостью вида (2) и представлены в табл. 6.

(2)

Таблица 6

Значения коэффициентов А, В и показателя степени с в формуле(2)


№№ кривой

Результаты аппроксимаций

А

В

с

R

1

0,6420

2,0802

0,4390

0,9987

2

0,8240

2,5864

0,5744

0,9874


При выборе материалов для изделий, работающих в зоне ограниченной долговечности, информативной для сравнения могут являться зависимости изменения эффективных коэффициентов и чувствительности к концентрации напряжений в функции числа циклов до разрушения. В основе построения такой зависимости должно быть соотношение ограниченных пределов выносливости при равных значениях долговечности

, (3)

где выражения для ограниченных пределов выносливости и следуют из степенной формы уравнений кривых усталости вида гладких образцов и с надрезами.

Выражения для эффективных коэффициентов , а также для коэффициентов чувствительности к концентрации напряжений (4) обобщены для всех участков кривых усталости, имеющих переломы кривых, в виде

(4)

где и – напряжения нижней границы участка кривых усталости гладкого и надрезанного образцов соответственно, нормированные на предел выносливости гладкого образца; и – относительные долговечности гладкого и надрезанного образцов, нормированные на число циклов, соответствующие перелому кривых на пределах выносливости; – коэффициент живучести надрезанного образца вычисляется по формуле , где m и – показатели степени участков кривых усталости гладких образцов и с надрезом; и - нижняя и верхняя границы участков.

Для всех испытанных сталей общей закономерностью (рис. 5) является рост чувствительности к концентрации напряжений с увеличением числа циклов до разрушения, т.е. со снижением уровня приложенного амплитудного напряжения от максимальных значений до нормированного предела выносливости.



Рис. 5. Зависимости коэффициентов чувствительности к концентрации напряжений для ограниченных пределов выносливости от числа циклов до разрушения сталей: 1 – 30ХН2МФА; 2– 50А; 3 – 40ХН; 4 – Ст3; 5 – 08Х14АН4МДБ


Самые высокие значения коэффициента чувствительности имеют стали структуры мартенсит отпуска и ферритно-перлитные стали с высоким содержанием пластинчатого перлита, для которых во всем диапазоне нагружения и числа циклов до разрушения сохраняется высокая чувствительность к концентрации напряжений. Наименьшую чувствительность имеют стали аустенитно-мартенситных структур.


1   2   3   4   5

Похожие:

Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconВлияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
Д 212. 271. 03 при гоу впо «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, Тула, пр. Ленина, 92
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconЗакономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек
Составление уравнения и выявление закономерностей связи предельной деформации стали (в пределах от 0 до 10%) с внутренними факторами...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconВестник Брянского государственного технического университета. 2008. №1(17)
Приведена методика определения величин, входящих в уравнения статистической теории подобия усталостного разрушения, с помощью поляризационно-оптического...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconПрименение гидропрессования для повышения свойств конструкционных сталей
Особенно актуальна проблема увеличения долговечности деталей машин и конструкций при эксплуатации в условиях Севера, при низких температурах...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей icon«Технология конструкционных материалов»
Курс технологии конструкционных материалов включает в себя сведения получении металлов, сплавов, неметаллических и полимерных материалов,...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconСписок проектов фундаментальных исследований «Арктика», принятых к финансированию в 2013 году
Определение температурных условий применения перспективных азотсодержащих сталей с высоким уровнем механических свойств, износостойкости...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconИспользование ширины полупика напряжения в критерии разрушения
При неоднородном напряженном состоянии будем использовать не классическое условие прочности, где – первое главное напряжение (рассматриваемое...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconМетодические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине
Выполнение контрольной работы по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» имеет целью закрепление и...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconИсследовательская работа. Авторы работы
...
Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей iconРешением очередной сессии
Оценка позитивных и негативных сторон состояния Кызылординской области, их влияние на социально-экономическое и общественно-политическое...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница