CC BY
35
УДК 669.539.382.2
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ ПРИ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАНИИ
© О.В. ( оспин, Э.В. Козлов, Ю.Ф. Иванов, В.В. Целлермаер, В.Е. Громов, С.В. Коновалов
Sosnin O.V., Kozlov E.V., Ivanov Yu.F., Tscllcmiacr V.V., Gromov V.E., Konovalov S.V. The physical nature of fatigue strength increase of fcrrite-pcrlite steel by clectrostimulatiuon. The changes of the stmcture-phase states and dislocation substructure in fcrritc-pcrlitc steel 60GS2 (0,6 % С, I % Mn, 2 % Si) during the fatigue loading under the electric current impulse action allowed to establish the physical nature of fatigue strength increase.
В настоящей статье представлены результаты сравнительного анализа структурных и фазовых превращений, протекающих при усталостных испытаниях в условиях промежуточного электростимулнровання стали 60ГС2, химический состав которой приведен в табл. I. Параметры циклического нагружения и режимы элек-тростимулировання приведены в табл. 2.
Использование импульсного электрического тока на стадии, когда начинаются необратимые изменения в материале, позволяет повысить на 15-30 % усталостную прочность сталей [1, 2]. Цель настоящей работы -выявление закономерностей и механизмов повышения усталостной долговечности стали, подвергнутой воздействию электрическим током на промежуточной (критической) стадии усталостного нагружения.
Методика испытаний, вид образцов, методы анализа структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры не отличались от описанных в [ I, 2].
Таблица I
Химический состав исследуемой стали (вес.%), остальное железо
Марка стали С Мп Si S
60ГС2 0,62 0,86 1,5 0,01
Таблица 2
Параметры циклического нагружения и режимы электрического стимулирования стали
Марка Р, / Г. iVrl04 лчо4 ЫУ\0Л /и /.
стали МПа Гц К Гц кЛ
60IC2 15 10 300 7,1 5 10.9 70 8
Примечание: Р - напряжение циклической нагрузки, /- частота нагружения. Г- температура испытания, У, - число циклов разрушения не стимулированного материала, Ыг - число циклов нагружения перед электростимулировани-ем. Л/) - число циклов разрушения стимулированного материала, /І - частота и I - амплитуда силы электрического тока при стимулировании стали.
1. Эволюция зоренного ансамбля сгалн 60ГС2 при усталостных испытаниях. В исходном состоянии сталь 60ГС2 является поликристаллическим агрегатом (Д..р = 18,9 ± 2,9 мкм), размер кристаллитов (зерен) которого существенным образом определяется ликва-ционной неоднородностью материала. По границам зерен наблюдаются сравнительно крупные частицы вторых фаз.
В результате усталостных испытаний средний размер зерен существенно уменьшается (табл. 3), однородность зеренной структуры увеличивается.
Вдоль границ зерен формируются протяженные зоны, в которых отсутствует контраст травления перлитной структуры. С увеличением числа циклов усталостного нагружения данный контраст усиливается. Частицы второй фазы, расположенные по границам зерен, несколько укрупняются, формируя протяженные прослойки. Как правило, в объеме материала, содержащем данные частицы, наблюдается микроразрушение угольной реплики. Данный факт может указывать на присутствие в таких местах микротрещин, образующихся при усталостных испытаниях стали, и свидетельствовать об определяющей роли частиц второй фазы в разрушении материала. В отдельных случаях (особенно в зоне усталостного разрушения стали) мик-ронесплошности угольной реплики наблюдаются и в объеме зерен. Следовательно, можно предположить, что в первую очередь изменения структуры стали, связанные с усталостным нагружением, протекают в приграничных областях. Это сопровождается разрушением перлитных колоний, развитием процессов рекристаллизации, формированием микропор и микрогрещин и, в конечном счете, образованием магистральной трещины, раскрытие которой приводит к разрушению образца.
Электпостнмулнрование стали на промежуточной (критической) стадии усталостного нагружения привело к дальнейшему измельчению зеренной структуры (табл. 4) и освобождению границ зерен от частиц второй фазы. В большинстве случаев методами электронной микроскопии угольных реплик выделений, расположенных на границах зерен, выявить не удается.
Последующее усталостное нагружение электростн-мулнпованиого образца вплоть до разрушения приво-
Таблица 3
Эволюция параметров зеренной структуры стали при усталостных испытаниях в нормальных условиях
Состояние стали Д мкм а, мкм
Исходное 18,9 2,9
/V, = 5104 8,28 1,7
АЛ = 7,1 • 104 (разрушен) 10,4 2,1
Таблица 4
Эволюция параметров зеренной структуры стали при усталостных испытаниях в условиях электростимулирования
Состояние стали Д мкм а, мкм
Исходное 18,9 2,9
N. = 5104 8,28 1,7
м + Э.С. 7.6 2
/V) = 10,9-104 (разрушен) 16,4 2,9
дит к существенному увеличению среднего размера зерен (табл. 4). Причиной этому является растворение при электростимулировании частиц вторых фаз, расположенных на границах зерен, которые являются одним из самых эффективных барьеров, сдерживающих перемещение границ зерен. Последнее, в свою очередь, позволяет релаксировать напряжения в стыках границ зерен и у других концентраторов (частицы вторых фаз), увеличивая ресурс работоспособности электро-стимулированной стали в полтора раза.
В слое, примыкающем к поверхности разрушения образцов (обычного и электростнмулированного), формируется некоторое количество микротрещин, различимых методами металлографии. Трещины, как правило, располагались параллельно поверхности разрушения и распространялись вдоль границ зерен. Электростимулирование стали на промежуточном этапе циклических испытаний способствует существенному увеличению длины докритической трещины и снижению плотности трещин, повышая тем самым ресурс работоспособности материала. Данные результаты еще раз подчеркивают, что повышение работоспособности стали при электростимулировании обусловлено релаксацией концентраторов напряжений вследствие растворения частиц, расположенных по границам зерен, и изменения состояния межфазных границ матрица / частица второй фазы.
2. Сравнительный анализ поверхности разрушения стали 60ГС2. Поверхность разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям, имеет сложное строение и состоит из зоны усталостного роста трещины, зоны долома и разделяющего их слоя ускоренного роста трещины. Разрушение материала в зоне усталостного роста трещины осуществляется в основном по вязкому механизму; в зоне долома выявляются участки хрупкого скола, количество которых увеличивается по мере удаления от зоны усталостного
роста трещины.
Величина шага усталостной трещины в электро-стимулированном образце заметно меньше (~ в 2 раза),
чем в исходном. Следовательно, электростимулиро-ванный материал обладает заметно более высокой сопротивляемостью распространению усталостной трещины.
В электростимулированном образце структура зоны ускоренного роста трещины заметно более дисперсная. Последнее свидетельствует о том, что скорость разрушения материала в данном случае ниже, чем в исходном образце. Следовательно, электростимулирование стали на промежуточной стадии усталостного нагружения, приводя к снижению скорости роста усталостной трещины в промежуточной зоне, способствует, во-первых, увеличению ресурса работоспособности материала и, во-вторых, повышению безопасности эксплуатации данного материала в изделии.
Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что электростимулирование в условиях усталостного нагружения оказывает пластифицирующее действие на структуру стали 60ГС2, что выражается в релаксации концентраторов напряжения, увеличении критической длины трещины, снижении скорости роста усталостной трещины в промежуточной зоне, уменьшении шага усталостного роста трещины и повышении коэффициента безопасности.
Фрактографический анализ поверхности разрушения стали 60ГС2 выявил существенные различия в протекании процесса усталостного разрушения по толщине образца. Данное обстоятельство привело к необходимости проведения анализа эволюции струк-турно-фазового состояния материала в зависимости от расстояния до поверхности нагружения, а именно, в зоне усталостного роста трещины и в зоне долома.
3. Эволюция структуры и фазового состава зоны усталостного роста трещины стали 60ГС2. На промежуточной стадии усталостного нагружения, как показали исследования, выполненные методами дифракционной электронной микроскопии тонких фольг, в стали формируется явно выраженная градиентная структура. Вблизи плоскости максимального нагружения деформация стали приводит к полному разрушению карбидной фазы. В отдельных случаях на границах зерен обнаружены микротрещины. В объеме стали, расположенном на расстоянии ~ 7 мм от плоскости максимального нагружения, частицы цементита сохраняются; усталостное нагружение стали приводит к перерезанию пластин скользящими дислокациями, а также формированию вокруг них сетчатой дислокационной субструктуры.
В разрушенном материале толщина слоя полного растворения перлитных колоний составляет - 7 мм. В объеме материала, прилегающем к поверхности разрушения, углерод расположен на дефектах кристаллической структуры стали (дислокации, субграницы и границы), в микропорах и микротрещинах, в объеме материала, расположенном на расстоянии - 7 мм от поверхности разрушения, наблюдается повторное выделение (в объеме зерен и на их границах) частиц второй фазы (карбида железа состава РедС и Ре7С3, а также графита).
Электростимулирование стали, подвергнутой промежуточному усталостному нагружению, приводит к повторному выделению частиц карбидной фазы в объеме материала, расположенном на расстоянии - 2 мм
от плоскости максимального нагружения. Фиксируется образование зерен двух типов: зерна структурно свободного феррита, по границам которых располагаются частицы цементита, и зерна глобулярного перлита. Формирующаяся при этом двухфазная структура весьма неоднородна как в отношении морфологии частиц цементита, так и их средних размеров. Последнее, очевидно, определяется структурно-фазовым состоянием зерен, заданным, в конечном счете, исходной обработкой.
Разрушение стали при усталостных испытаниях в условиях промежуточного электростнмулировання не приводит к растворению карбидной фазы. Следовательно, феррито-карбидная структура, формирующаяся в стали после электростимулирования на промежуточной стадии усталостного нагружения, оказывается более устойчивой к деформированию стали по сравнению со структурой исходной стали, способствуя повышению трещиностойкости материала.
4. Эволюции структуры и фазового состава зоны лолома стали 60ГС2. На промежуточной стадии усталостного нагружения в материале фиксируется ферри-то-нерлитная структура, морфологически подобная структуре исходного состояния. Усталостное нагружение привело к повышению скалярной плотности дислокаций, что способствовало эволюции дислокационной субструктуры от хаоса и сеток в исходном состоянии к клубково-сстчатой, а в отдельных случаях - к незавершенной ячеистой в нагруженных образцах. Усталостное нагружение приводит к частичному разрушению пластин цементита. Выявлены два механизма разрушения - растворение и срезание пластин. Усталостное нагружение стали сопровождается формированием в материале дальнодействующих полей напряжений. Источниками полей напряжений являются стыки границ зерен феррита, границы раздела ферритного и перлитного зерен, карбидные частицы, расположенные на границах зерен феррита.
Усталостное разрушение стали сопровождается существенной эволюцией структурно-фазового состояния материала в зоне долома: увеличивается скалярная плотность дислокаций, измельчаются и растворяются пластинки цементита перлитных колоний, ре-лаксируют дальнодействующие поля напряжений, что выражается в снижении линейной плотности изгнбных экстинкционных контуров и уменьшении количества мест их зарождения (уменьшении числа концентраторов напряжений).
Электростимулированне оказывает многофакторное воздействие на структуру стали, способствующее как повышению ее прочностных характеристик, так и пластификации. А именно, сопровождается увеличением скалярной плотности дислокаций, растворением исходных частиц цементита и повторным выделением частиц вторичного цементита, релаксацией дальнодействующих полей напряжений в ферритных зернах и формированием полей напряжений в частицах глобулярного цементита. При дальнейших усталостных испытаниях материала последние могут быть источниками микротрешин, способствующих разрушению образца.
Усталостное разрушение стали, подвергнутой на промежуточном этапе электростимулнрованию, сопро-
вождается некоторой эволюцией дислокационной субструктуры, заключающейся в ее упорядочении (фиксируется ячеисто-сетчатая дислокационная субструктура), и изменением морфологии карбидной фазы (растворение пластин цементита перлитных колоний и выделение новых наноразмерных частиц цементита) зоны долома.
Электростимулированне стали на промежуточном этапе нагружения привело к изменению природы усталостного поведения материала. Если в обычном образце усталостное нагружение сопровождается устойчивым ростом скалярной плотности дислокаций по мерс увеличения числа циклов воздействия, то в электро-стимулированном - релаксацией дефектной подсистемы, сопровождающейся снижением величины скалярной плотности дислокаций.
Электростимулированне стали на промежуточном этапе усталостного нагружения приводит к несколько иной перестройке дислокационной субструктуры фер-ритной составляющей стали, наиболее отчетливо проявляющейся при анализе зерен свободного феррита. А именно, с увеличением числа циклов усталостного нагружения структура дислокационного хаоса, являющаяся преобладающей в исходном состоянии стали, замещается сетчатой и, далее, ячеистой субструктурой. На стадии разрушения в слое образца толщиной ~ 2,5 мм, прилегающем к зоне разрушения, фиксируется ячеисто-сетчатая дислокационная субструктура. При этом преобладающей субструктурой является сетчатая. Сопоставляя данные результаты с результатами, полученными при исследовании дислокационной субструктуры нестимулированного образца, можно отметить, что электростимулированне приводит к подавлению процесса формирования упорядоченных дислокационных субструктур. Это отражается в том, что в зоне разрушения электростимулированного образца объемная доля ячеистой субструктуры в ~ 2 раза меньше, по сравнению с нестимулированным состоянием.
В завершенных дислокационных субструктурах, как правило, присутствуют границы раздела (в нашем случае это границы ячеек). По ним могут образовываться и распространяться зародышевые микротрещины. В сетчатой субструктуре таких границ раздела нет. Поэтому вероятность зарождения и распространения (т. к. нет каналов распространения) мнкротрещин в ней и, соответственно, в электростимулированном образце в целом, близка к нулю. Следовательно подавление формирования дислокационных ячеек является одним из факторов повышения ресурса работоспособности стали при электростимулировании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соснин О.В.. Громов В.Е.. Козлов Э.В и Ор Электростмулированная малоцикловая усталость. М.: Недра комм. ЛТД, 2000.207 с.
2. Соснин О.В. Эволюция структурно-фазового состояния аустеиит-
ных сталей при усталости. Новосибирск: Наука, 2002. 211с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке в форме гранта № 'Г02-05.8-2673 МО РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук.
