CC BY
14
УДК 539.374, 539.42
Формирование зон пластической деформации в закаленной и отпущенной конструкционной стали в процессе динамических испытаний. Особенности структуры
12 2 1 М.Ю. Симонов ' , О.Б. Наймарк , Ю.Н. Симонов ,
12 Г.С. Шайманов , Д.Р. Ледон
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, 614990, Россия 2 Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, 614013, Россия
В работе методом систематических измерений микротвердости проведена оценка формы и размеров зон пластической деформации, сформированных в процессе динамических испытаний под поверхностью разрушения закаленной и отпущенной стали 25. Установлено, что по мере снижения температуры отпуска стали наблюдается уменьшение размеров зоны пластической деформации в стартовой области роста динамической трещины, а ее форма становится более плоской. Методом конечных элементов проведено численное моделирование полей напряжений и деформаций на фронте трещины в процессе динамического нагружения стали 25, подвергнутой высокому отпуску. Результаты моделирования показали многостадийный характер развития полей напряжений и деформаций в процессе испытаний на динамическую трещиностойкость. Результаты экспериментальных исследований распределения микротвердости в зоне пластической деформации под поверхностью разрушения и характер распределения деформаций в процессе распространения динамической трещины показывают хорошее качественное соответствие с результатами моделирования. В стартовой области зоны пластической деформации и области силового воздействия молота копра, в подповерхностных объемах материала разрушенного образца методами электронной микроскопии наблюдали полосовую структуру адиабатического сдвига, по границам полосовых элементов структуры наблюдали треки композиционного контраста, что свидетельствует о протекании процессов массопереноса углерода. Проведены совмещенные исследования структуры и поверхности разрушения в области силового воздействия. Показано, что рост динамической трещины происходит преимущественно по границам элементов структур, инициирующих адиабатический сдвиг, образуя при этом на поверхности разрушения характерные линии в виде бороздок.
Ключевые слова: адиабатический сдвиг, микротвердость, зона пластической деформации, поверхность разрушения, треки композиционного контраста, массоперенос, численное моделирование
DOI 10.55652/1683-805X_2022_25_1_78
Structural features of plastic deformation zones formed in quenched and tempered structural steel during dynamic testing
M.Yu. Simonov1,2, O.B. Naimark2, Yu.N. Simonov1, G.S. Shaimanov1, and D R. Ledon2
1 Perm National Research Polytechnic University, Perm, 614990, Russia 2 Institute of Continuous Media Mechanics UrB RAS, Perm, 614013, Russia
Systematic microhardness measurements were performed to assess the shape and size of plastic deformation zones formed under the fracture surface in quenched and tempered steel 25 during dynamic testing. It was found that as the tempering temperature of the steel decreases, the size of the plastic deformation zone in the region of dynamic crack initiation decreases, and the shape of the dynamic crack flattens out. The stress and strain fields at the crack front in highly tempered steel 25 under dynamic loading were modeled by finite element simulations. The simulation results revealed a multistage development of stress and strain fields in tests for dynamic crack resistance. The experimental results on mi-crohardness distribution in the plastic deformation zone under the fracture surface and strain distributions during dynamic crack propagation showed good qualitative agreement with the simulation results. Electron microscopic examination of the starting region of the plastic deformation zone and the hammer impact region revealed adiabatic shear bands in the subsurface of the fractured specimen. Composition contrast lines were observed along the band boundaries, indicating the mass transfer of carbon. Simultaneous studies of the structure and fracture surface in the impact region showed that the dynamic crack propagates mainly along the boundaries of structural elements that induce adiabatic shear, resulting in the formation of characteristic grooved lines on the fracture surface.
Keywords: adiabatic shear, microhardness, plastic deformation zone, fracture surface, composition contrast lines, mass transfer, numerical simulation
© Симонов М.Ю., Наймарк О.Б., Симонов Ю.Н., Шайманов Г.С., Ледон Д.Р., 2022
1. Введение
Вне зависимости от вида нагружения, приводящего к разрушению металлов, поля напряжений перед фронтом развивающейся трещины [111] приводят к пластическому деформированию материала при достижении предела текучести, о чем свидетельствуют результаты рентгенострук-турных исследований поверхности разрушения и подповерхностных объемов материала [12, 13]. Размер и форма областей деформированного материала (зон пластической деформации) могут сильно различаться в зависимости от условий разрушения и определяются свойствами металла в зоне вершины трещины. Однако, несмотря на несомненный прогресс методических возможностей в механике разрушения, оценка параметров зоны пластической деформации в материале является сложной задачей, в связи с чем многие авторы проводят оценку формы и размеров зон пластической деформации с применением математических моделей [14, 15]. Экспериментальная оценка зон пластической деформации, сформированных после различных видов нагружения, является методически сложной [16-21].
В работах [11, 22-24] предложена методика определения формы и размеров зон пластической деформации путем измерения микротвердости материала под поверхностью разрушения конструкционных сталей. Разработанная методика позволяет представить результаты измерений в виде карты распределения микротвердости в зоне пластической деформации под поверхностью разрушения, отражающей механизмы диссипации энергии разрушения материала в зоне вершины развивающейся трещины. Построение карт распределения микротвердости позволило обнаружить под поверхностью разрушения, в плоскости микрошлифа, области материала с неравновесной структурой, формирование которой может вносить вклад в термодинамику процесса разрушения.
Целью данной работы является исследование структуры закаленной и отпущенной в широком интервале температуры стали 25, расчет и анализ эволюции полей напряжений и деформаций в процессе динамического разрушения, а также проведение сопоставительного анализа результатов расчета и экспериментальных данных, полученных путем систематического измерения микротвердости под поверхностью разрушения.
2. Материалы и методики
Исследовали листовую сталь 25, выплавленную на ПАО «Камасталь» (Пермь) следующего химического состава (мас. %): 0.24 C, 0.59 Mn, 0.26 Si, 0.12 Cr, 0.14 Ni, 0.004 Ti, 0.008 Al, 0.01 P, 0.008 S, 0.01 As. Сталь подвергали закалке с 875 °С в воду по одной заготовке 11 х 12^55 мм3 и отпуску в течение 2 ч при 200, 400, 500 и 650 °С.
Характеристики прочности и пластичности определяли на коротких цилиндрических образцах 3 типа с начальным диаметром 5 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73 на универсальной гидравлической машине для статических испытаний Instron-SATEC 300 LX. Обработку результатов и построение диаграмм проводили с помощью программного продукта Bluehill. Количество образцов на один режим отпуска — 5 шт.
Динамические испытания образцов 15 типа по ГОСТ 9454-78 проводили на маятниковом копре КМ-30. Далее исследовали фрагменты разрушенных образцов с различной относительной длиной усталостной трещины X = 0.25-0.75 (X = Hb, где l — суммарная длина основного надреза и трещины; b — ширина образца). Исходные усталостные трещины различной длины наносили с помощью вибрационной машины Дроздовского.
Определение динамической трещиностойкос-ти (параметра КСТ*) проводили по авторской методике [25-27]. Подробное обсуждение методических особенностей и результатов дано в [28].
Металлографический анализ проводили на шлифах, изготовленных на продольных и поперечных сечениях ударных образцов. Для травления использовали 4%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Структуру исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI PHENOM G2 ProX при ускоряющем напряжении 15 кВ и увеличениях ><2000-15 000 и сканирующего электронного микроскопа FEI Quanta 200 при ускоряющем напряжении 25 кВ и увеличениях >2000-20000.
Оценку размеров зон пластической деформации rZro и ^zro, сформированных при ударном испытании образцов стали 25, проводили в области старта динамической трещины (стартовая область зоны пластической деформации) методом систематического измерения микротвердости материала под поверхностью разрушения [11]. Измерение микротвердости после различных режимов отпуска проводили на автоматизиро-
ванном микротвердомере DuraScan-70 фирмы EMCO-TEST при нагрузке 25 г и увеличениях х400 и ><1000 с дополнительным цифровым увеличением. Количество отпечатков в дорожке варьировали от 20 до 125 в зависимости от сопротивления пластической деформации исследуемого материала. Так, для отпуска 200 и 400 °С шаг между отпечатками составлял 35 и 40 мкм соответственно, а для 500 и 650 °С расстояние между отпечатками составляло 45 мкм. Шаг между дорожками измерения микротвердости в области старта трещины однократного нагружения составлял —100—110 мкм. На расстоянии 1.4 мм от старта трещины и более шаг между дорожками варьировали от 150 до 300 мкм. Отступ от поверхности разрушения составлял не менее 35 мкм. Статистическую обработку полученного массива данных в стартовой области зоны пластической деформации проводили с помощью программно-вычислительного комплекса MathCad 7.0 Pro. Множество экспериментальных данных, полученных в стартовой области зоны пластической деформации на расстоянии 0.8-1.1 мм от старта динамической трещины, аппроксимировали функцией полинома 5-й степени.
Данные, полученные методом систематического измерения микротвердости под поверхностью разрушения, были использованы для построения контура зон пластической деформации. Построение контура как всей зоны пластической деформации, так и только ее стартовой области проводили в программе КОМПАС-3D V9 в координатах X-Y, где X (мм) — расстояние от вершины усталостной трещины, Y (мм) — расстояние от поверхности разрушения, путем соединения точек на плоскости XY с уровнем твердости матричного материала, наиболее приближенных к поверхности разрушения. Построение в таких координатах позволяет оценить не только размер зоны пластической деформации, но и ее форму. Подробно методические особенности построения зоны пластической деформации описаны в [23].
Для построения карты распределения микротвердости в зоне пластической деформации под поверхностью разрушения высокоотпущенной стали 25 использовали программный пакет Surfer фирмы Golden Software, предназначенный для моделирования и анализа поверхностей различной топографии. Построение карт проводили в два последовательных этапа. На первом этапе с помощью математического аппарата программно-
го обеспечения генерировали сетку будущей карты на основе массива данных о расположении каждого отпечатка микротвердости под поверхностью разрушения. Генерацию сетки осуществляли методом kriging. На втором этапе построения производили визуализацию распределения микротвердости с помощью нанесения изолиний и цветового градиента на построенную сетку.
Численное моделирование процесса динамического нагружения стали 25 проводили методом конечных элементов в пакете Abaqus с последующим преобразованием уровня остаточных напряжений в микротвердость.
3. Результаты и их обсуждение
Проведенный металлографический анализ свидетельствует о том, что структура стали 25 после закалки с 875 °С и последующего отпуска при 200 °С представляет собой реечный мартенсит (рис. 1, а). После отпуска при 400 °С субструктура мартенсита в целом сохраняется (рис. 1, б). В [29] установлено, что при температуре отпуска 400 °С в стали 25 протекают процессы, приводящие к снижению плотности дислокаций и распаду пересыщенного твердого раствора с образованием це-ментитных карбидов. Исследование структуры после проведения отпуска при 500 °С свидетельствует о том, что субструктура мартенсита частично сохраняется (рис. 1, в).
При данной температуре отпуска в стали 25 начинают протекать процессы полигонизации, первичной рекристаллизации и дальнейшего распада твердого раствора с выделением карбидных частиц. Данную структуру можно охарактеризовать как высокоотпущенный мартенсит с выраженной субструктурой реек а-фазы. После высокого отпуска при 650 °С (рис. 1, г) структура исследуемой стали представляет собой объемы, в которых активно протекала собирательная рекристаллизация, вследствие чего образовались фер-ритные полиэдры размерами 8-10 мкм.
Таким образом, результаты проведенного металлографического анализа подтверждают традиционные закономерности структурообразования в процессе распада мартенсита, полученного при закалке.
На рис. 2 представлены результаты анализа распределения микротвердости в области старта динамической трещины зоны пластической деформации стали 25 после закалки и отпуска в широком интервале температур [23]. Очевидно, раз-
Рис. 1. Структура стали 25 после различных температур отпуска: 200 (а), 400 (б), 500 (в), 650 °С (г). Сканирующая электронная микроскопия, *15 000. Поперечное сечение
мер зоны пластической деформации в стартовой области уменьшается по мере снижения температуры отпуска.
Представление результатов систематического измерения микротвердости в координатах «расстояние от вершины усталостной трещины - рас-
350
300"
250"
200"
150-
375
350
\а_
гЕ)рг
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Расстояние от поверхности разрушения /, мм
О
Он -
и •
5 2
, ч-о о ^-Г^Нд о
О и О" О СР^ р-у |-и0
гЕ)Рг
.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Расстояние от поверхности разрушения /, мм
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Расстояние от поверхности разрушения /, мм
550-
350-
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Расстояние от поверхности разрушения /, мм
Рис. 2. Изменение микротвердости в стартовой области стали 25 после закалки и при различных температурах отпуска: 650 (а), 500 (б), 400 (в), 200 °С (г); □ — микротвердость деформированного материала; о — микротвердость в области недеформированного материала (цветной в онлайн-версии)
Рис. 3. Контур зоны пластической деформации в стартовой области образцов стали 25 после отпуска при различных температурах: 650 (а), 500 (б), 400 (в), 200 °С (г)
стояние от поверхности излома» (рис. 3) позволяет оценить форму зон пластической деформации под поверхностью разрушения стали 25.
Проведение отпуска при 500 °С, по сравнению с отпуском при 650 °С, приводит к некоторому смещению деформированных объемов материала в зоне пластической деформации к вершине усталостной трещины, за счет чего зона приобретает более заостренную форму (рис. 3, б). Также необ-
ходимо отметить, что с понижением температуры отпуска до 400 и 200 °С зона пластической деформации в стартовой области становится все более плоской (рис. 3, в, г), при этом наблюдается смещение области деформированного материала в сторону вершины усталостной трещины.
Сравнивая параметры деформированного материала в стартовой области зоны пластической деформации, очевидно, что наибольшая область
Таблица 1. Характеристики прочности, надежности и параметры зон пластической деформации стали 25 в стартовой области движения динамической трещины
Т °С ^ отп? ^ Структура ав, МПа МПа 5, % V, % КСТ, МДж/м2 КСТ*, МДж/м2 SzpD, мм2 , мм
200 Мн 1340 960 11 46 0.21 0,17 0.30 0.25-0.30
400 Мс 1120 810 18 52 0.85 0.48 0.41 0.70-0.75
500 Мв 875 680 23 54 1.19 0.82 0.81 1.30-1.40
650 Мв 670 560 27 68 2.19 1.30 0.90 2.05-2.10
Мн — низкоотпущенный мартенсит; Мс — среднеотпущенный мартенсит с признаками распада мартенситной а-фазы; Мв — высокоотпущенный мартенсит с различными стадиями распада мартенситной а-фазы.
деформированного материала была получена при динамическом нагружении образцов после закалки и отпуска при 650 °С, а наименьшая — после закалки и отпуска при 200 °С. Площадь деформированного материала зоны пластической деформации в случае отпуска при 650 °С в 3раза больше, чем при 200 °С, и постепенно уменьшается с 0.9 до 0.3 мм2 по мере снижения температуры отпуска от 650 до 200 °С.
Результаты анализа размера зон пластической деформации Г*ро (рис. 2) показали аналогичную тенденцию. Так, после отпуска при 650 °С Г*РО составляет 2.05-2.10 мм (рис. 2, а), а после отпуска при 200 °С Г*РО находится в пределах 0.250.30 мм (рис. 2, г). Другими словами, при разрушении образцов со структурой высокоотпущен-ного мартенсита энергия удара молота копра была рассеяна в наибольший объем материала, при этом динамическая трещиностойкость КСТ*, ударная вязкость КСТ и параметры пластичности имели максимальные значения [28] (табл. 1).
Исходя из результатов анализа параметров зон пластической деформации в стартовой области движения динамической трещины, становится очевидным, что значительная часть информации, связанная с формированием зон пластической деформации и уровнем динамической трещино-стойкости, может находиться за пределами стартовой области.
В рамках работы провели численное моделирование процесса динамического нагружения, соответствующее экспериментальной постановке на-гружения образцов типа 15 (ГОСТ 9454-78) на маятниковом копре КМ-30 из стали 25 в наиболее высоковязком состоянии (закалка и отпуск при 650 °С). Задача рассмотрена в плоской (2Б) постановке. Геометрия и краевые условия схематично изображены на рис. 4.
Расчеты проводили методом конечных элементов в программном пакете ЛЬадш с использованием стандартной упругопластической модели. Опоры жестко закреплены, что соответствует эксперименту. Удар имитировался следующим образом: в начальный момент боек молота копра плотно прилегал к образцу и вдоль всего его объема задавали скорость соударения, известную из эксперимента. Для расчетов (рис. 5) использовали экспериментально определенные (табл. 1) и справочные величины: р = 7820 кг/м3, Е = 198 ГПа, О = 77 ГПа, а = 55 Вт/(м • К), с = 461 кДж/(кг • К).
Рис. 4. Схема нагружения образца. Геометрия задачи
и краевые условия (цветной в онлайн-версии)
Единственным подгоночным параметром модели является величина деформации разрушения.
Результаты расчетов показывают, что в начальные моменты времени после удара молота копра в образце формируются два движущихся навстречу друг другу фронта напряжений — при вершине стартующей динамической трещины и в месте удара (рис. 5, а). В процессе роста трещины, по мере нагружения, поля напряжений сталкиваются примерно на середине исходного живого сечения (рис. 5, б), происходит их наложение и взаимодействие (рис. 5, в) и затем они частично затухают (рис. 5, г). Последующие моменты процесса разрушения сопровождаются продвижением динамической трещины и постепенным уменьшением полей напряжений (рис. 5, д, е). Таким образом, форма зоны пластической деформации с ее окончательными размерами в значительной части оказывается сформированной после частичного затухания движущихся навстречу друг другу полей напряжений.
На рис. 6 изображено распределение остаточных напряжений вблизи поверхности разрушения после однократного нагружения. Из результатов расчетов видно, что остаточные напряжения под поверхностью разрушения распределены неравномерно. В центральной части карты распределения напряжений (рис. 6) наблюдали протяженную область пониженных значений напряжений, сформированной в результате взаимодействия полей напряжений, развивающихся в процессе разрушения. В области силового воздействия молота копра (на рис. 6 показано стрелкой) наблюдается область максимальных остаточных напряжений, сформированная концентрированными потоками подводимой при нагружении энергии.
Результаты экспериментального определения зоны пластической деформации методом систематических измерений микротвердости под по-
III и
О 335 670 МПа
Рис. 5. Результаты расчета полей напряжений в образце высокоотпущенной стали 25, соответствующие 2.5 • 10-5 (а), 5 • 10-5 (б), 7.5 • 10-5 (в), 1 • 10-4 (г), 3 • 10-4 (д), 5 • 10-4 с (е) от момента нагружения (цветной в онлайн-версии)
Рис. 6. Карта распределения напряжений вблизи поверхности разрушения после динамического нагружения. Стрелкой указано место удара молота копра (цветной в онлайн-версии)
Рис. 7. Карта распределения микротвердости в зоне пластической деформации под поверхностью разрушения стали 25 после закалки и отпуска при 650 °С, испытанной на динамическую трещиностойкость. Относительная длина трещины X ~ 0.4 (цветной в он-лайн-версии)
верхностью разрушения в области старта динамической трещины и далее в направлении ее распространения, вплоть до выбега к разделу двух сред «материал образца - окружающая среда», показаны на рис. 7.
Из рис. 7 следует, что рост динамической трещины сопровождается немонотонным изменением размеров зоны пластической деформации: распространение трещины однократного нагружения в стартовой области и далее в центральной, примерно до середины первоначального живого сечения образца, на расстояние 3.4-3.6 мм от места ее старта сопровождается увеличением размера зоны пластической деформации, затем наблюдается постепенное уменьшение ее размера.
Уменьшение микротвердости в зоне пластической деформации от максимальных значений по мере удаления от поверхности разрушения до уровня микротвердости матричного материала происходит также немонотонно. На карте распределения микротвердости в центральной части зоны пластической деформации присутствует достаточно протяженная область материала с пониженной микротвердостью, а в области силового воздействия молота копра — область с максимальными показателями микротвердости материала. Расположение и форма этих областей хорошо согласуются с формой и размерами соответствующих областей на рис. 6, а, форма самой зоны пластической деформации качественно соответствует форме полей напряжений, полученной расчетным путем.
Для детального сравнения расчетных и экспериментальных результатов был произведен перерасчет остаточных напряжений в микротвердость согласно линейному соотношению [30] h = o/on + h0, где h — микротвердость; а — интенсивность тензора напряжений; ап и h0 — константы.
На рис. 8 изображены результаты сопоставления изменения расчетных и экспериментальных значений микротвердости в направлении удаления от поверхности разрушения, соответствующие секущим X\, X2, X3 на рис. 6 и 7. Видно хорошее качественное соответствие.
Таким образом, в настоящей работе совокупность экспериментов на одноосное растяжение, ударную вязкость и динамическую трещиностой-кость позволяет определить все необходимые параметры для удовлетворительного моделирования деформационного поведения и разрушения исследуемых материалов при динамических нагрузках.
Как было показано экспериментально и расчетами методом конечных элементов, под воздействием удара молота в материале образца реализуется концентрированная массивная пластическая деформация, формируются напряжения и протекают процессы, которые вносят свой уникальный вклад в образование зоны пластической деформации в области силового воздействия молота копра.
Структурные исследования в стартовой области зоны пластической деформации и области силового воздействия молота копра (рис. 9) свидетельствуют о том, что во время рассеяния подводимой извне энергии в этих областях протекают процессы, связанные с локализацией пластической деформации и образованием макропластичес-кого течения материала [24]. В объемах материала, в которых наблюдали пластическое течение, происходит эволюция структуры высокоотпу-
Рис. 8. Распределение микротвердости под поверхностью разрушения в расчете и эксперименте. Секущая Х1 (рис. 6, 7) (а), секущая Х2 (рис. 6, 7) (б), секущая Х3 (в) (рис. 6, 7)
Рис. 9. Сечение излома образца, испытанного на динамическую трещиностойкость (X ~ 0.4) с нанесенным контуром зоны пластической деформации (а), и структура участков 1, 2 зоны пластической деформации в стали 25 (б-д) после закалки и высокого отпуска при 650 °С: участок 1 стартовой области (б); участок 2 в области силового воздействия (в, г); 3 — граница между зоной пластической деформации и основным металлом; >200 (а), >15 000 (б, в), >30000 (г, д)
щенного мартенсита в полосовую структуру адиабатического сдвига [31-37] (рис. 9, б-д). В элементах полосовой структуры адиабатического сдвига, максимально приближенных к поверхности разрушения, наблюдали процессы холодной динамической полигонизации, которая заключается во фрагментации и образовании субструктуры внутри вытянутых элементов структуры (рис. 9, в). По границам субструктурных элементов полосовой структуры адиабатического сдвига в области силового воздействия молота копра вы-
деляются дисперсные карбидные частицы (показаны стрелками на рис. 9, д), аналогично наблюдаемым в работе [38]. Эффект холодной динамической полигонизации наиболее ярко выражен именно в области силового воздействия молота копра, тогда как в стартовой области формирования зоны пластической деформации наблюдали лишь отдельные признаки наличия субструктуры внутри полосовых элементов структуры адиабатического сдвига (показаны стрелками на рис. 9, г).
Рис. 10. Структура под поверхностью разрушения, образца с двумя боковыми У-образными надрезами стали 25 после закалки отпуска при 650 °С: а — стрелками показаны треки композиционного контраста, по которым выделяются дисперсные карбидные частицы, х8000; б — стрелками показаны линии в виде бороздок на поверхности разрушения в этом же участке в области силового воздействия молота копра, х5000
В области силового воздействия, по границам структуры адиабатического сдвига, наблюдали треки композиционного контраста [38, 39] (светлые линии, показаны стрелками на рис. 10, а).
Это косвенно свидетельствует о протекании процессов массопереноса углерода по границам полосовых элементов структуры в данных структурных объемах во время динамических испытаний вследствие реализации атом-вакансионных механизмов перемещения углерода по телу полосовых элементов структуры и свободному меж-кристаллитному пространству между структурными элементами адиабатического сдвига [4043]. Одновременное исследование как структуры, так и поверхности разрушения в области силового воздействия молота копра свидетельствует о том, что трещина распространялась в наибольшей степени по границам структуры адиабатического сдвига, образуя при этом на поверхности разрушения характерные линии в виде бороздок (показаны стрелками на рис. 10, б).
4. Выводы
По результатам систематического измерения микротвердости в стартовой области динамической трещины для стали 25 построены контуры зон пластической деформации. Установлено, что повышение динамической трещиностойкости сопровождается увеличением размеров зон Г*РО в стартовой области. Показано, что по мере увеличения сопротивления пластической деформации, происходящего при снижении температуры отпуска, наблюдается заострение и уплощение формы зоны пластической деформации в стартовой области, смещение области деформированного материала
зоны пластической деформации к вершине исходной усталостной трещины.
Подробное изучение структуры под поверхностью разрушения с помощью SEM свидетельствует о том, что в стартовой области роста динамической трещины и в области силового воздействия молота копра происходит трансфигурация структуры высокоотпущенного мартенсита в полосовую структуру адиабатического сдвига. Показано, что в структуре адиабатического сдвига, максимально приближенной к поверхности разрушения, протекали процессы холодной динамической полигонизации. Показано, что в структуре адиабатического сдвига присутствуют треки композиционного контраста. Одним из возможных механизмов формирования полосовой структуры адиабатического сдвига являются процессы динамической рекристаллизации и полигонизации, а инициирование структурной релаксации обусловлено накоплением критического значения запасенной энергии в материале.
Установлено, что совокупность экспериментов на одноосное нагружение и ударную вязкость позволяет определить все необходимые параметры для удовлетворительного моделирования деформационного поведения и разрушения исследуемых материалов при динамических нагрузках. Данный результат может быть полезен в ситуациях, не допускающих прямого экспериментального исследования, например оценки на прочность реальных конструкций или их элементов.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы деятельности научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование».
Литература
1. Withers P.J., Lopez-Crespo P., MostafaviM., Steuwer A., Kelleher J.F., Buslaps T. 2D mapping of plane stress crack-tip fields following an overload // Fratt. Integr. Strut. - 2015. - V. 33. - P. 151-158. - https://doi.org/ 10.3221/IGF-ESIS.33.19
2. Lopez-Crespo P., Patterson E.A., Shterenlikht A., Withers P.J., Yates J.R. Study of a crack at a fastener hole by image correlation // Exp. Mech. - 2009. - V. 49. -P. 551-559. - https://doi.org/10.1007/s11340-008-9161-1
3. Lopez-Crespo P., Withers P.J., Yusof F., Dai H., Steuwer A., Kelleher J.F., Buslaps T. Overload effects on fatigue crack-tip fields under plane stress conditions: Surface and bulk analysis // Fatig. Fract. Eng. Mater. Struct. - 2013. - V. 36. - P. 75-84. - https://doi.org/10. 1111/j.1460-2695.2012.01670.x
4. Qu P., Toda H., Zhang H., Sakaguchi Y., Qian L., Kobaya-shi M., Uesugi K. Local crack driving force analysis of a fatigue crack by a microstructural tracking method // Scripta Mater. - 2009. - V. 61. - P. 489-492. - https:// doorg/10.1016/j. scriptamat.2009.05.004
5. Withers P.J. Fracture mechanics by three-dimensional crack-tip synchrotron X-ray microscopy // Philos. Trans. A. - 2015. - V. 373. - No. 2036. - Article 20130157. -https://doi.org/10.1098/rsta.2013.0157
6. Шанявский А.А. Модели зарождения и развития усталостного разрушения под поверхностью металлов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2012. - № 179. -С. 32-44.
7. Шанявский А.А. Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезоскопическом масштабном уровне. I. Процессы пластической деформации в вершине трещины // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. -№ 1. - C. 73-80. - https://doi.org/10.24411/1683-805X-2001-00054
8. Плехов О.А., Чудинов В.В., Леонтьев В.А., Наймарк О.Б. Исследование особенностей диссипации и накопления энергии в субмикрокристаллическом титане при квазистатическом и динамическом нагруже-нии // Выч. механика сплошных сред. - 2008. - Т. 1. -№ 4. - С. 69-77.
9. Чаусов Н.Г., Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И. и др. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2009. - Т. 75. - № 6. - С. 52-59.
10. Klevtsov G.V., Klevtsova N.A., Frolova O.A. Metals fracture micromechanism and plastic zones formation at the crack tip // Eur. J. Nat. History. - 2007. - No. 4. -P. 142-147.
11. Симонов М.Ю., Георгиев М.Н., Симонов Ю.Н., Шай-манов Г.С. Оценка размеров зоны пластической деформации высоковязких материалов после динамических испытаний методом систематического измерения микротвердости // МиТОМ. - 2012. - № 11. -С. 40-45.
12. Orowan E. Notch brittleness and the strength of metals // Trans. Inst. Eng. Shipbuilders Scotl. - 1945. - V. 89. -P. 165-215.
13. Клевцов Г.В., Швец Г.Б. Рентгенографический анализ как метод исследования изломов. - Л.: Машиностроение, 1986. - Вып. 35. - С. 3-11.
14. Irvin G.R. Analysis of stresses near a crack to the crack extension force // J. Appl. Mech. - 1957. - V. 24. -No. 3. - P. 361-364.
15. Банников М.В., Федорова А.Ю., Терехина А.И., Плехов О.А. Экспериментальное исследование фрактальных закономерностей роста усталостной трещины и диссипации энергии в ее вершине // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2013. - № 2. - С. 21-36.
16. Клевцов Г.В. Закономерности образования пластических зон у вершины трещины при различных видах нагружения и рентгеновская фрактодиагностика разрушения // Вестник Оренбург. гос. универ. - 2006. -Т. 50. - № 1. - С. 81-88.
17. Plekhov O., Fedorova A., Kostina A., Panteleev I. Theoretical and experimental study of strain localization and energy dissipation at fatigue crack tip // Proc. Mater. Sci. - 2014. - No. 3. - P. 1020-1025. - https://doi.org/ 10.1016/j.mspro.2014.06.166
18. Buffiere J.-Y., Ferrie E., Proudhon H., Ludwig W. Three dimensional visualisation of fatigue cracks in metals using high resolution synchrotron X-ray microtomography // Mater. Sci. Tech. - 2006. - V. 22. - No. 9. - P. 10191024. - https://doi.org/10.1179/174328406X114135
19. HerbigM., King A., Reischig P., Proudhon H., Laurid-sen E.M., Marrow J., Buffiere J.-Y., Ludwig W. 3-D growth of a short fatigue crack within a polycrystalline microstructure studied using combined diffraction and phase-contrast X-ray tomography // Acta Mater. -2011. - V. 59. - P. 590-601. - https://doi.org/10.1016/j. actamat.2010.09.063
20. Ludwig W., Schmidt S., Lauridsen E.M., Poulsen H.F. X-ray diffraction contrast tomography: A novel technique for three-dimensional grain mapping of polycrystals. I. Direct beam case // J. Appl. Crystall. - 2008. - V. 1. - P. 302309. - https://doi.org/10.1107/S0021889808001684
21. Li H., Toda H., Uesugi K., Takeuchi A., Suzuki Y., Koba-yashi M. Application of diffraction-amalgamated grain boundary tracking to fatigue crack propagation behavior in high strength aluminum alloy // Mater. Trans. - 2015. -V. 56. - No. 3. - P. 424-428. - https://doi.org/10.2320/ matertrans.M2014340
22. Пат. 2516391 РФ, МПК G 01 n 3/28. Способ определения зоны пластической деформации под изломом в образце / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов, Г.С. Шайма-нов, Л.Е. Макарова. № 2012153101/28, заявл. 07.12.2012, опубл. 20.05.2014 // Бюл. - 2014. - № 14. - С. 15.
23. Симонов М.Ю., Шайманов Г.С., Симонов Ю.Н. Формирование зон пластической деформации в закаленной и отпущенной стали 09Г2С во время динамических испытаний // МиТОМ. - 2015. - № 12. - С. 44-50.
24. Симонов М.Ю., Георгиев М.Н., Шайманов Г.С., Симонов Ю.Н., Запорожан Р.С. Сравнительный анализ зон пластической деформации, динамической трещи-ностойкости, структуры и микромеханизмов роста трещины сталей 09Г2С, 25 и 40 в высоковязком состоянии // МиТОМ. - 2016. - № 2. - С. 39-48.
25. Пат. 2485476 РФ, МПК G 01 N 3/30. Способ оценки ударной вязкости высоковязких листовых конструкционных сталей / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов, Д.О. Панов, А.В. Касаткин, Д.П. Подузов. № 2012100595/28, заявл. 10.01.2012, опубл. 20.06.2013 // Изобретения. Полезные модели. 2013. - № 17. - С. 14.
26. Георгиев М.Н., Симонов Ю.Н., Симонов М.Ю. Влияние длины трещины и боковых надрезов на реализацию условий плоской деформации при ударном на-гружении // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - Т. 76. - № 9. - С. 56-58.
27. Симонов М.Ю., Симонов Ю.Н., Ханов А.М., Шайма-нов Г.С. Структура, динамическая трещиностойкость и механизмы разрушения закаленных и отпущенных конструкционных сталей // МиТОМ. - 2012. -№ 11. - С. 32-39.
28. Георгиев М.Н., Симонов М.Ю., Симонов Ю.Н. Оценка работы разрушения ударных образцов с боковыми надрезами // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - Т. 78. - № 9. - С. 56-61.
29. Георгиев М.Н., Симонов Ю. Н., Межова Н.Я., Минаев В.Н. Структурные аспекты циклической трещино-стойкости закаленных и отпущенных сталей // ФХММ. - 1985. - Т. 21. - № 5. - С. 48-53.
30. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1971.
31. Wright T.W. The Physics and Mathematics of Adiabatic Shear Bands. - Cambridge: University Press, 2002.
32. БеликоваА.Ф., Буравова С.Н., ГордополовЮ.А. Локализация деформации и связь ее с деформированным состоянием материала // ЖТФ. - 2013. - Т. 83. -№ 2. - С. 153-155.
33. Froustey С., Наймарк О.Б., Пантелеев И.А., Била-ловД.А., Петрова А.Н., Ляпунова Е.А. Многомасштабные механизмы структурной релаксации и разрушения в условиях адиабатического сдвига // Физ. мезомех. - 2017. - Т. 20. - № 1. - С. 33-44. - https:// doi.org/10.24411/1683-805X-2017-00014
34. Данилов В.И., Орлова Д.В., Зуев Л.Б., Болотина И.О. О локализации пластической деформации на стадии предразрушения и возможности прогнозирования
места и времени вязкого разрыва // ЖТФ. - 2011. -Т. 81. - № 2. - С. 51-57.
35. Беликова А.Ф., Буравова С.Н., Петров Е.В. Локализация деформации при динамических нагрузках // ЖТФ. - 2013. - Т. 83. - № 8. - С. 68-75.
36. Ляпунова Е.А., Петрова А.Н., Бродова И.Г., Наймарк О.Б., Соковиков М.А., Чудинов В.В., Уваров С.В. Исследование закономерностей локализации пластической деформации и формирования многомасштабных дефектных структур в процессе динамического нагружения алюминиевого сплава 6061 // Физ. мезо-мех. - 2012. - Т. 15. - № 2. - С. 61-67. - https://doi. org/10.24411/1683-805X-2012-00045
37. Rittel D., Landau P., Venkert A. Dynamic recrystalliza-tion as a potential cause for adiabatic shear failure // Phys. Rev. Lett. - 2008. - V. 101. - No. 165501. - P. 1-4. -https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.165501
38. Симонов М.Ю. Структурные аспекты зон пластической деформации. Ч. II. Эффект массопереноса // МиТОМ. - 2019. - Т. 772. - № 10. - С. 54-63.
39. Симонов М.Ю., Шайманов Г.С., Перцев А.С., Юрчен-ко А.Н., Симонов Ю.Н. Динамическая трещиностой-кость и структура трубной заготовки из стали 09Г2С после деформационно-термической обработки // МиТОМ. - 2017. - Т. 744. - № 6. - С. 64-71.
40. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Шля-пин А.Д., Авраамов Ю.С., Кошкин В.И. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. II. Явление взаимного проникания частиц разнородных твердых тел без нарушения сплошности под воздействием концентрированных потоков энергии // Физ. мезомех. - 2006. -Т. 9. - № 4. - C. 5-13. - https://doi.org10.24411/1683-805X-2006-00042
41. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. Атом-вакансионные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. - 1982. - Т. 24. - № 12. -С. 5-28.
42. Панин В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. - 1987. -Т. 30. - № 1. - С. 3-8.
43. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон Ю.А. Сильновозбужденные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - № 1. - С. 9-33.
Поступила в редакцию 15.09.2021 г., после доработки 29.10.2021 г., принята к публикации 18.11.2021 г.
Сведения об авторах
Симонов Михаил Юрьевич, к.т.н., зав. лаб. ПНИПУ, ИМСС УрО РАН, simonov@pstu.ru Наймарк Олег Борисович, д.ф.-м.н., проф., зав. лаб. ИМСС УрО РАН, naimark@icmm.ru Симонов Юрий Николаевич, д.т.н., проф., зав. каф. ПНИПУ, simonov@pstu.ru Шайманов Григорий Сергеевич, инж. ПНИПУ, shamanD3@gmail.com Ледон Дмитрий Рудольфович, к.ф.-м.н., вед. инж. ИМСС УрО РАН, ledon@icmm.ru
