Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей




Скачать 17,37 Kb.
НазваниеВлияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
страница4/5
Дата04.02.2016
Размер17,37 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3   4   5
Живучесть высокопрочных сталей

при циклических нагружениях

Для оценки кинетических параметров разрушения и сравнения по этим данным способности сталей сопротивляться распространению трещин выполнили построение кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) и их анализ.

Развитие трещин в высокопрочных сталях 30ХН2МФА и 35ХН2МФА-ш мартенситной структуры в период живучести наблюдали во время усталостных испытаний методом регистрации податливости. Исключая точки, лежащие на “хвостах“, из общей диаграммы (рис. 6) производили обработку среднего участка КДУР по стандартной методике. Для среднего участка КДУР выполнены аппроксимации, по значениям коэффициентов которых получены выражения в форме кинетических зависимостей скорости роста трещин от коэффициента интенсивности напряжений :

сталь 35ХН2МФА-ш –

сталь 30ХН2МФА – . (5)

Критические значения трещиностойкости сталей:

35ХН2МФА-ш –30 МПа м1/2 и 30ХН2МФА –42 МПа м1/2.





Рис.6. Кинетические зависимости роста трещин при амплитудах

напряжений, МПа: 1410, 1210, 1020, 820, 630 и 530


Развитие трещин в высокопрочной стали 08Х14АН4МДБ аустенитно-мартенситной структуры в период живучести с трещиной наблюдали на образцах с пятью надрезами на шлифах, выполненных перпендикулярно надрезам. Метод обеспечивал надежное наблюдение размеров трещин длиной от 0,05...0,1 мм.

Размеры трещин наносили на диаграмму усталостного разрушения (см. рис. 1, г) в соответствии с величиной номинального напряжения в данном надрезе. По этим же данным строили кинетическую зависимость роста трещин (рис. 7). Кривая 1* на рис. 1, г, отвечающая длине трещины 0,1 мм, принята за границу долговечности, характеризующую зарождение усталостной трещины.

Кинетическая диаграмма усталостного разрушения в нижней области КДУР, построенная по средним значениям скорости роста в диапазоне 5∙10 – 9 … 10 – 10 м/цикли для длин трещин от 50 до 700 мкм в каждом из четырех неразрушенных сечений образца с надрезами, показана на рис.7. Из полученных данных следует, что она отвечает уравнению , используемому для описания кинетики роста длинных усталостных трещин.



Рис. 7. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения стали 08Х14АН4МДБ по данным измерения длины трещин в надрезах


По аппроксимирующим данным кинетическая зависимость скорости роста трещин описывается в виде

. (6)

Коэффициенты в этом уравнении близки по значениям подобным параметрам, характеризующим кинетику длинных трещин на втором участке диаграмм усталостного разрушения многих конструкционных сталей.

Ресурс работы элементов конструкций регламентируется временем до зарождения трещины и ее докритического роста. При использовании высокопрочных конструкционных материалов возрастает роль первой из названных двух стадий разрушения, а во многих случаях она является решающей.

В процессе усталостных испытаний надрезанных образцов из сталей 30ХН2МФА, 35ХН2МФА-Ш, 08Х14АН4МДБ и 50А регистрировали число циклов до разрушения с разделением ограниченной долговечности на периоды зарождения трещины размером 0,1 мм и живучести с трещиной (рис. 8).



Рис.8. Значения относительной долговечности для сталей:

1 – 30ХН2МФА; 2 – 35ХН2МФА-ш; 3 – 08Х14АН4МДБ; 4 – 50А:

- - - до образования трещин размером 0,1 мм;

-------- живучести с трещиной


Стали жестких структур 30ХН2МФА, 35ХН2МФА-ш отличаются высокой перегрузочной способностью, однако, из-за низкого запаса пластичности и высокой чувствительности к концентрации напряжений обладают низкой долговечностью, что определяет их использование для кратковременных циклов высоких амплитуд напряжений. Наилучшей способностью в этом отношении обладают высокопрочные аустенитно-мартенситные стали, имеющие долговечность на два порядка выше. Для сравнения приведена кривая ферритно-перлитной стали со средним содержанием углерода, у которой сопротивление зарождению и распространению трещин ниже, чем у аустенитно-мартенситной стали примерно на один порядок.


Микроструктурная трансформация

и формирование зон предразрушения

Рассмотрено формирование пластических зон в условиях плосконапряженного состояния при асимметричном циклическом нагружении стали Ст3 в переходной зоне многоциклового нагружения (= 140 МПа). В первой четверти цикла нагружения (равноценного статическому нагружению) в вершине надреза образуется пластическая зона без видимых макрополос деформации, наблюдается деформация и шероховатость поверхности в области у контура надреза. Размеры пластической зоны, рассчитанные по критерию интенсивности напряжений, перед вершиной надреза мм с полушириной hP = 1,46 мм и приняты за начальные. Первые устойчивые полосы деформации Чернова – Людерса наблюдали на ранней стадии испытания (100 циклов). При последующем циклическом нагружении происходит расширение области пластической деформации с увеличением количества полос и их размера. С развитием циклической деформации наблюдается поперечная утяжка сечений образца в пределах пластической зоны (рис. 9).



Рис. 9. Линии равных поперечных деформаций у надрезов и профили утяжки поперечного сечения по линии между надрезами; сталь Ст3,

R = 0,3; = 140 МПа после числа циклов: а, - 10000; б – 180000


В диапазоне относительной долговечности 0,02…0,4 максимальное значение утяжки у вершины надреза изменяется от 1,6 до 8,1 %. При этом наибольший градиент поперечной деформации имеет место несколько выше вершины надреза с примерной ориентацией от 45 до 60˚ относительно оси надреза (рис.9). Одновременно с изменением слабодеформированной макрозоны hP1 (рис. 9, 10) наблюдается образование сильнодеформированной и упрочненной микрозоны hP2 (рис. 9, 11).





Рис. 10. Параметры пластической зоны: зависимость ширины hP1 (1), изменения коэрцитивной силы (2) и размера трещины (3) от числа циклов; сталь Ст3, R = 0,3; = 140 МПа


Макрозона текучести области надреза, развивающаяся интенсивно в первый период нагружения, при дальнейшем циклическом нагружении стремится к определенному размеру, определяемому структурным фактором, параметрами цикла и интенсивностью напряженного состояния. Изменение ширины макрозоны (см. рис. 10, кривая 1) может быть описана экспоненциальной зависимостью вида

, (7)

где - максимальная полуширина макрозоны в образце с двумя надрезами; А и n – числовые коэффициенты, соответствующие полуширине и числу циклов образца с одним надрезом при равных условиях испытаний; А= 20 мм,

n = 1,72∙10 4 циклов.

По замерам микротвердости (см. рис. 11) при нагрузке 1,0 Н ( в обе стороны от трещины) установлен размер упрочненной пластической зоны у берегов трещины hP2 = 3,3 мм и перед вершиной трещины rP = 0,8 мм. В самой микрозоне упрочнение имеет негомогенный характер, связанный с анизотропией свойств в отдельных объемах зерен и в разных ферритных зернах и влиянием границ зерен. При исходной микротвердости ферритных зерен HV 150 прирост в упрочненной зоне составил от 30 до 20%. Несколько меньший прирост микротвердости отмечен у вершины надреза.





Рис. 11. Микротвердость зоны у берегов трещины а – 0,5 мм, б – 1,5 мм от вершины надреза, в – перед вершиной трещины; Ст3, R = 0,3; = 140 МПа, N = 180000 циклов


На основании микроскопического наблюдения развития трещины в структуре стали Ст3 предложена модель роста трещины посредством чередования процессов сдвига и отрыва. Усталостная трещина последовательно получает прирост с продвижением микрозоны через макрозону вдоль оси надреза в условиях неоднородной исходной структуры и негомогенного процесса упрочнения.

Интегральным отображением циклической пластической деформации в виде процессов упрочнения, разупрочнения и деструкции является зависимость коэрцитивной силы НС (кривая 2, см. рис. 10) от числа циклов, непрерывный рост которой отмечен в испытании до момента разрушения образца.

При плоскодеформированном состоянии, реализуемом в испытании надрезанных цилиндрических образцов стали 08Х14АН4МДБ, пластическая зона формируется в основном за счет аустенита. Пластическую зону в стали аустенитно-мартенситной структуры идентифицировали методами “структурного окрашивания”, микротвердости и рекристаллизационного отжига. Поднятый потенциал пластической зоны циклическим нагружением стали обусловил релаксационные процессы аккомодационных структурных перестроек с образованием мартенсита деформации в виде мартенситных реек, ориентированных в направлении главных растягивающих напряжений (рис. 12, а, б).




а



б






в



г


Рис. 12. Мартенсит деформации у берегов трещины при напряжении 450 МПа; ×500 (а, б)

и развитие усталостных трещин в микроструктуре стали 08Х14АН4МДБ (в - = 450 МПа,

г - = 200 МПа)


Измерение микротвердости в зоне развития трещины в вершине надреза на продольных шлифах позволили выполнить оценку упрочнения и размера зоны упрочнения. Отмечено два уровня упрочнения разделенные напряжением верхнего перелома кривой усталости: для области малоциклового нагружения прирост микротвердости аустенита составил в среднем 67 %, для многоциклового – до 42 %. Изменение размера зоны пластичности перед вершиной надреза от уровней номинальных напряжений по методу измерения микротвердости (рис. 13, кривая 1) сравнивали со значениями, рассчитанными по критерию Мизеса в исходном нагружении (рис. 13, кривая 2). Прирост размера циклической пластической зоны меняется из области низких амплитуд напряжений к более высоким с увеличением интенсивности, отмеченной двумя участками разного наклона. На графике отмечены критические значения размеров пластических зон по кривым 1 и 2, соответствующих верхнему перелому кривой усталости. Глубина зоны пластической деформации, определенная по методу рекристаллизационного отжига больше размера определяемого методом микротвердости и “структурного окрашивания” примерно на порядок, что, по-видимому, обусловлено наличием свободной поверхности шлифа при отжиге.



Рис.13. Размеры пластических зон в вершине надреза от номинальных амплитуд напряжений: 1 – после усталостных испытаний; 2 – расчетные значения по критерию Мизеса при статическом нагружении


В соответствии с масштабом структурных перестроек (рис. 13) изменяется механизм развития трещин от продвижения посредством пересечения мартенситных реек при высоких амплитудах напряжений (см. рис. 12, в) к механизму развития трещин по субструктурным границам (см. рис. 12, г) при низких амплитудах напряжений.

Фазовые превращения и структурные перестройки в области выше верхнего перелома кривой усталости вызывают снижение долговечности по сравнению со средним участком кривой. На наш взгляд, это связано с охрупчиванием зоны предразрушения за счет уменьшения количества γ-фазы при структурных перестройках.

Структурная поврежденность и разрушения

в стали 08Х14АН4МДБ при сверхвысоком числе циклов

Испытания в гигацикловой области выполнены на образцах с надрезами стали 08Х14АН4МДБ (см. рис. 1, г) с целью проверки возможности зарождения подповерхностного разрушения на фазовых включениях в виде карбонитридов. Зоны зарождения трещин в макроизломе со сверхвысоким числом циклов 1,06∙10 8 до разрушения имеют локальную форму в виде подповерхностных впадин и (рис. 14, а) и слияния микропор на субграницах (рис. 14, б). Для микроизлома характерно наличие большого количества локальных разрушений у дисперсных выделений размером от наибольших 1-4 мкм и более мелких. Крупные выделения имеют размеры примерно на порядок выше, чем характерные размеры карбонитридов для данного режима термообработки. В изломе обнаружены также и весьма крупные включения до 20 мкм (рис. 14, в, г).


а

б

в

г


Рис. 14. Микрорельеф усталостного разрушения стали 08Х14АН4МДБ, испытанного при 150 МПа и долговечности более 108 циклов нагружения


Из представленных фрактограмм следует также, что начальная поврежденность в пределах темных очагов разрушения развивается вдоль реек мартенсита. По границам реек обнаруживаются поры размером, составляющим доли микрона, и микротрещины, раскрытие которых, вероятно, и приводит к формированию очага усталостного разрушения. Размер больших областей, в центре которых часто обнаруживаются включения, изменяется в интервале от 10 мкм до 100 мкм.

Высокая концентрация напряжений у включений, о чем свидетельствует экстраполяция зависимостей коэффициента чувствительности (рис. 5) в область сверхвысокой долговечности, обуславливает образование у включений локальных зон с интенсивностью напряженного состояния, превышающего значения у надреза. При этом достаточно высокие показатели пластичности данного режима термообработки стали способствуют развитию пластических деформаций у включений, микроразрушению и разрыву когерентных связей включений и матрицы, что, по-видимому, объясняет образование больших областей разрушения у включений и их обособление.


Обобщенная кривая усталости

Выполненные исследования усталости в широком диапазоне амплитуд напряжений позволили установить для сталей различных структурных классов, что ограниченная долговечность для участков кривых усталости описываются различными зависимости, т.е. наблюдается разрыв монотонности усталостных кривых в форме перелома или смещения по долговечности участков кривых. На обобщенной кривой усталости (рис. 15, а) выделяются четыре участка, разделенные амплитудами критических номинальных напряжений, при которых происходит смена механизмов усталостного разрушения. Определяющими долговечность до разрушения являются механизмы зарождения трещин и их распространения, контролируемые пластическими зонами.

Предел усталости можно рассматривать как некоторое “критическое” напряжение, обусловливающее смену механизмов при переходе зарождения трещин от поверхностного при многоцикловой усталости к подповерхностному на включениях или субграницах зерен при гигацикловой, для которой стадия зарождения подповерхностных трещин имеет большую продолжительность и выражается разрывом в долговечности.


а

б

в


Рис. 15. Схема обобщенной кривой усталости (а) и схемы механизмов

многоцикловой усталости (б, в)


В области упругих напряжений многоцикловой усталости исходным является образование трещины в локальной пластической области структурного элемента. С ростом и преодолением микротрещиной структурных барьеров и достижению ею физически короткого размера и последующего роста определение пластической зоны описывается в терминах механики разрушения (рис. 15, б). Развитие магистральной трещины происходит от одного очага с эксцентричной зоной долома. Верхней границей упругой области многоцикловой усталости является амплитуда номинального напряжения , при которой выполняется условие достижения максимальным напряжением в вершине надреза предела текучести при статическом растяжении.

Образование пластической зоны по периметру надреза изменяет механизм зарождения усталостных трещин при переходе от номинально упругой области к переходной. Образовавшаяся пластическая зона у вершины надреза способствует выравниванию пиковых локальных напряжений, образованию большего количества очагов зарождения трещин, развивающихся независимо до момента их слияния в магистральную трещину, и в результате увеличению числа циклов до разрушения. Прорастание малых трещин внутри макропластической зоны (рис. 15, в) осуществляется последовательными перемещениями вершины трещины и микрозоны через процессы упрочнения или разупрочнения в ней в зависимости от структурного состояния стали. Напряжение зависит от предела текучести и геометрии надреза, поэтому изменение этих параметров приводит к смещению напряжения нижнего перелома кривой усталости (на рис. 15, а показано стрелками).

Увеличение пластической зоны у надреза с возрастанием амплитуд номинальных напряжений в переходной зоне достигает критической величины при амплитудном напряжении (рис. 15, а), отвечающей переходу к малоцикловой усталости. Этот переход отмечен сменой механизмов разрушения, выявленных на сталях разных структурных классов. Для ферритно-перлитных сталей, в основе которых мягкая матрица из зерен феррита, свойственно циклическое упрочнение и изменение наклона кривой в сторону увеличения долговечности (кривая 1). Для аустенитно-мартенситных сталей, имеющих твердую матрицу, включающую прослойки и малые области аустенита, характерно разупрочнение и изменение наклона кривой в сторону снижения долговечности (кривая 2). Для сталей жестких структур - мартенсит отпуска изменение угла наклона кривой не обнаружено (кривая 3).


Повреждения усталостными трещинами и живучесть

интенсивно нагруженных конструкций

Приведены результаты экспертных и расчетных заключений о разрушении элементов конструкций грузоподъемных кранов в случаях отсутствия достоверных данных о причине разрушения. Анализируя рельефы поверхностей разрушения, сведения о материалах и их структурных состояниях и используя модели механики разрушения, получены данные о характере, последовательности и продолжительности процессов разрушения; данные о разрушающих нагрузках, коэффициентах запаса и др.

В работе исследованы вопросы живучести и структурной поврежденостиподрельсовых балок, наиболее интенсивно нагруженных и повреждаемых элементов мостовых перегружателей, в зависимости от режима работы крана и нагруженности конструкций циклическими нагрузками. Основным диагностируемым дефектом конструкций являются усталостные трещины, возникающие в исходной конструкции и по выполненным ремонтам. Выявлены два основных типа трещин: поперечные трещины в опорной части стенки балки и трещины в продольных поясных сварных швах соединения стенки с верхним поясом балки. Микроскопическими наблюдениями структур области сварного соединения на поперечных шлифах, а также по фрактографиям поверхностей разрушения установлено, что зарождение трещин обоих видов происходит на дефектах сварных швов (непровар, макропоры, макровключения и подрезы на ремонтных швах).

Показано, что поперечные трещины в опорных частях балок, развивающиеся от поясных швов, могут изменять ориентацию в плоскости стенки в связи с изменением параметров напряженного состояния и влиянием остаточных сварочных напряжений (установки ребер жесткости и др.). Изменение направления трещин сопровождается изменением скорости роста и ситуацией у вершины трещины. Результаты замеров скорости роста трещины длиной 620 мм в стенке балки сечением 95015 мм перед выводом крана на ремонт сопоставляли с размерами пластических макрозон перед фронтом трещины, полученными методом фрактографии (рис. 16, а, б).

Усталостная трещина развивается последовательными скачками чередованием остановки фронта пластической зоной и последующими процессами разрушения в этой зоне и продвижения трещины. На данном этапе методами оптической микроскопии наблюдали ветвления трещины размером порядка 1-3 зерна, раскрытие трещины в ферритных зернах и хрупкие преодоления перемычек из перлитных зерен. Неоднородность структурного состояния обусловливает колебания размеров пластических зон, отмеченные данными, приведенными на рис. 16. Данные натурных наблюдений находятся в согласии с результатами, полученными на лабораторных образцах.

а

б



Рис. 16. Зависимость скорости роста трещины и размера макрозоны (а), соотношения размеров макрозон и длин трещин (б); сталь Ст3, значения приведенных параметров цикла = - 0,52 и = 110 МПа


Вторая группа усталостных трещин, развивающихся по поясным сварным швам балок, отличается высокой частотой появления и различием длин, обнаруживаемых при диагностировании. Исследования рельефа поверхности разрушения по сварным швам указывают на складчатый или террасный характер разрушения в виде отдельных трещин, развивающихся от очагов в пределах каждой складки. Рост трещины происходит последовательным объединением складок или террас размером от 3 до 15 мм, в результате чего образуются гребни или рубцы. В работе получены обобщающие кинетические зависимости роста трещин длиной от 30 до 1400 мм (рис. 17, а, б).


а

б


Рис. 17. Изменение длины (а) и скорости роста трещин (б) в поясных сварных швах балочных конструкциях; сталь Ст3, значения приведенных параметров цикла = - 0,47 и = 43 МПа

Установлены зависимости для длин l и скорости роста трещин dl/dN от числа циклов N:

,

, (8)

где и – начальные длина и скорость рост трещины; – начальное число циклов.

Стабильное и устойчивое развитие трещин соответствует всему диапазону скорости роста и среднему “перисовскому” участку кинетической диаграммы усталостного разрушения. Таким образом, скорость роста трещин в поясных сварных соединениях определяется локальным разрушением у концентраторов напряжений на дефектах и объединением дискретных трещин по плоскости непровара. Подобный характер разрушений и закономерности роста трещин наблюдается в подрельсовых балках, выполненных из стали 09Г2С.

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