CC BY
48
УДК 620.178.7
С.В. Ануфриев, асп., (4872) 33-22-88, anufriev.sv@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.Ю. Кондаурова, канд. техн. наук., (4872) 35-05-81 (ТулГУ),
A.С. Пузочкин, магистрант, (4872) 33-22-88 (ТулГУ),
B.А. Гудовщиков, магистрант, (4872) 33-22-88 (ТулГУ)
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫГХ КОЭФФИЦИЕНТАХ АСИММЕТРИИ
Рассмотрены методы исследования пластической зоны в области концентрации напряжений. На основе комплексного подхода к различным методам исследования пластической зоны построена методология оценки кинетики усталостной повреж-денности и разрушения низколегированных сталей.
Ключевые слова: усталость, кинетика, пластическая зона, структура.
Любые процессы разрушения материалов, в том числе в условиях циклического нагружения, начинаются с локализации пластической деформации в районе концентрации напряжений и элем єнах структуры, в большинстве случаев неоднородной по своему составу. Этот процесс приводит к формированию на фоне упругого состояния основной массы металла пластической зоны (ПЗ) и изменения ее геометрии и механических свойств от числа циклов нагружения. Поэтому исследование процессов разрушения металлов неразрывно связано с процессами, происходящими в пределах ПЗ
[1,3].
На данный момент известно, что ПЗ включает в себя участки, реализующие различные механизмы накопления повреждений. В частности, выделяют две зоні: малую сильнодеформированную зону в вершине концентратора напряже ний, характеризующуюся обратимостью в зависимости от асимметрии цикла, и большую менее деформированную зону вокруг малой с характерной необратимостью, вызванной сохранением от первого цикла [1, 4, 5]. Важным отличием этих составляющих ПЗ является осуществление в них различных механизмов упрочнения или разупрочнения материала в зависимости от его свойств и структуры. В раде случаев также выделяют третью зону (зону процесса), представляющую собой малую область в cрльнoдeфoрмирoвaннoй зоне, в которой формируются окончательные стадии разрушения в виде образования микротрещин [4]. Изучение структуры и механизмов развитая ПЗ является основой исследования кинетики разру-шенм материалов, что подтверждает корреляционная близость размеров мало деформированной и сильно деформированной пластических зон значениям Ктах и-ДК соответственно [5].
Современные методы исследования ПЗ являются достаточно точными особенно, когда речь вдет о рассмотрении изменения ее структуры. Однако исследование, основанное на них, является достаточно сложным и в ряде случаев неприемлемым при оценке кинетики развития трещин в конструкциях и деталях маши. Одним из наиболее перспективных методов оценки повреждаемости на сегодняшни момент является метод, основанный на измерении коэрцитивной силы. Однако до с ж пор данный метод использовался лишь для оценки степени структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями при термообработке [6].
Направлене данного исследования основывается на анализе кинетики накопления повреждаемости низколегированных стаей в зависимости от их структурного состояния и характера нагружения, определенного параметрами концентрации напряжений и асимметрии цикла. Работа в данном направлении требует решения таких задач, как обзор методов оценки повреждаемости с точки зрения комплексного обследования и выбор экспериментальной основы методологии.
Аналитическая четь методологии включает комплексный подход к установлению связи параметров кинетики повреждений с диагностическими показателями магнитного контроля изменения свойств стаи на разных стадиях усталостного процесса.
1. Методом оптической микроскопии при малых степенях увеличе-ни (до х10) рассматривается структурная повреждаемость в виде измене-ни рельефа поверхности на макроуровне. При увеличениях до *1000 исследуется повреждаемость в виде образования и развитая полос скольжения в отдельных зернах [7]. На этой бае устанавливаются закономерности развития зон пластической и циклической деформаций, а также зарождения и роста трещин от числа циклов.
2. Методами, основанными на данных микротвёрдости, исследуются изменения механических свойств по всей области пластической зоні и в областях, прилегающих к берегам трещины [1]. Оценивается развитие процессов упрочнения и разупрочнения.
3. Методом магнитного контроля проводится оценка интегральной характеристики изменений структурного состояния пластической зоні после нагружения и неоднородности доменной переориентации во время нагружения [6].
4. По данным измерений устанавливаются обобщающие зависимости ширины распространения ПЗ, механических свойств и доменной перестройки в области концентраторов от долговечности.
Исследование связи магнитных, механических и структурных факторов, сопровождающих образование ПЗ, позволяет оценивать кинетику развития ПЗ по данным измерений коэрцитивной силы как интегрального показателя структурной поврежденности. Постановка исследования в диапазоне факторов нагружения соответствующим условиям работы реальных
конструкций позволяет не только выделить структуру ПЗ, но и определить влияние этих факторов на характер кинетики провреждаемости.
В основе экспериментальной части исследования выбраны две распространенные конструкционные ферритно-перлитные стаи с различной степенью легирования (табл. 1). В первом случае рассматривалась широко применяема низколегированна сталь 09Г2С, имеющая мелкое зерно благодаря дисперсному упрочнению марганцем (химический состав, масс., %: С-0,12; - 0,6; Мп - 1,5; N1 - 0,3; Б - 0,04; Р - 0,035; Сг - 0,3; N - 0,008; Си -
0,3; Аб - 0,08). Во втором случае была выбрана стал нового поколения 10Г2ФБЮ (химический состав, масс., %: С - 0,98; - 0,198; Мп - 1,79; Р-
0,018; Б- 0,006; Сг - 0,031; № - 0,002; N1 - 0,015; Си - 0,022; V - 0,1; А1 -
0,28). Характерной чертой этой стаи является наичие микролегирования кaрбoнртррдooбразyюIцрми ванадием и ниобием, значительно повышающими вязкость и пластичность стаи при высоких прочностных характеристиках. Обе рассматриваемые стаи находились в состоянии поставки (нор-маизация) и имели схожие структуры на ферритно-перлитной основе с наичием карбидов и неметаллических включений по границам зерен. Средний рам ер зерна составлял 35 и 15 мкм для стаи 09Г2С и 10Г2ФБ соответственно. Таким обраом, можно оценить практическую применимость предложенной методологии на примере стаей, близких в своей основе, но с разным уровнем легирования.
Таблица 1
Механические характеристики исследуемых сталей
Марка стали Механические свойства
оВ, МПа а0 2, МПа 5,% ¥,% Твердость НУ
09Г2С 480 330 21 48 164
10Г2ФБЮ 550 400 30 56 188
Измерения микротвердости и коэрцитивной силы сталей в исходном состоянии представлены в табл. 2.
Таблица 2
Исходные значения микротвердости и коэрцитивной силы
Марка стаи Микротвердость при нагрузке 20 г, НУ Коэрцитивная сила, А/см
Феррит Перлит
09Г2С 32 59 4,1
10Г2ФБЮ 74 96 5,5
Испытания сталей поставлены так, чтобы наблюдать процесс накопления повреждаемостей в сочетаниях ряда значений двух параметров: коэффициента концентрации напряжений, определяющего размер и вид ПЗ, и коэффициента асимметрии цикла, характеризующего ее структуру и характер развития. Исхода из этого были разработаны плоские образцы с Ц-образными и У-обраными надрезами для испытаний на циклическое растяжение (рис. 1). Надрезы расположены так, чтобы сохранилась симметричность деформирования, а поля концентраций напряжений не перекрывались. Симметричность распределения напряжений по сечению обраца обеспечивается передачей нагрузки через центрированные отверстия в зонах захвата обраца.
Рис. 1. Схема образца для циклического растяжения:
1, 2- зоны измерения коэрцитивной силы
Схема нагружения реаизует асимметричное циклирование с ра-личными значеними коэффициента асимметрии в пределах от 0,1 до 0,3. При условии фиксирования максимаьного напряжения цикла на определенном уровне (стах=єотґ) наблюдается изменение минимаьных напряжений, а следовательно, и рамаха напряжений (До = отах - стт). Таким образом, достигаются условия, в которых сохраняется рамер необратимой слабодеформированной составляющей ПЗ, определяемый величиной отах, и претерпевает изменения сильно де формирована маа область ПЗ, за-висяща от величины До. После обраовани трещины при такой схеме нагружения контролируемым параметром будет рамах интенсивности напряжений ДК.
В качестве анаитической подготовки эксперимента проводится конечно-элементный анаиз модели обраца с целью оценки рамеров и формы исходной статической ПЗ (рис. 2.), равноценной 1/4 первого цикла
нагружения, т. е. при отах. Данные расчета позволяют определить форму, а также выбрать область и шаг измерений микротвердости для определения глубины! и структуры формирования ПЗ.
■6,0 -4,0 -2,0 0 0,2 0,4 мм -6,0 -4,0 -2,0 0 0,2 0,4 мм
а б
Рис. 2. Изолинии равных интенсивностей напряжений ъ (МПа) в области надрезов образца с выделенной исходной пластической зоной: а - У-образный шдрез, а=5,78; р - и-образный надрез, 0=2,85
По мере накопления циклов производится пошаговое измерение данных коэрцитивной силы1, микротвердости у вершин надрезов и микрорельефа поверхности. На стадиях больших пластических деформаций также измеряется зона образования макролиний скольжения. Сопоставляя эти данные при разных асимметрия цикла можно получить полную картину развития повреждаемости по трем факторам, выделить пластическую и циклическую составляющие ПЗ и оценить влияние факторов нагружения на механизмы: развития ПЗ. Наблюдение роста образовавшейся трещины: позволяет получить кинетическую диаграмму усталостного разрушения.
Исследование ПЗ по данным микротвердости и оптических измерений рельефа поверхности позволяет зафиксировать особенности механического состояния циклической области ПЗ (как следствие циклического упрочнения или разупрочнения) и определить её границы: на поверхности. По данным размера циклической ПЗ определяется размах коэффициента интенсивности напряжений [5].
Определение значений коэрцитивной силы: в локаьной области концентрации напряжений паралельно с измерением механических и оптических характеристик ПЗ позволяет собрать необходимую бау данных для выведения корреляционных связей кинетики развития ПЗ с магнитным
проявлением структурных преобразований в области ее локализации. По результатам анализа полученных сведений строится эмпирическая зависимость изменения значений коэрцитивной силы от кинетики равития по-врежденности в локаьной области для данной стаи.
Практическа реаизация предложенной методологии проводится на сталях с раличной структурной морфологией, чтобы оценить влияние состояния феррито-перлитной структуры на механизмы повреждаемости и характер равития ПЗ.
Рассмотренна методологи иллюстрирует возможность использования магнитного метода диагностирования для оценки кинетики накопления повреждений с позиций структурных преобраований в области ПЗ в широком диапаоне условий нагружения.
Список литературы
1. Херцберг Р.В. Деформация и механика рарушения конструкционных материаов / пер. с англ. М. : Металлургия, 1989. 575 с.
2. Ботвина Л.Р. Кинетика рарушения конструкционных материалов. М. : Наука, 1989 . 230 с.
3. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии физики и механики рарушения М. : ФИЗМАТ ЛИТ, 2006. 328 с.
4. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М. : Наука, 2003. 254 с.
5. Клевцов Г.В. Пластические зоны и диагностика разрушения мталлических материалов. М. : МИСИС, 1999. 112 с.
6. Михеев М.П., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и нерарушающего контроля. М. : Наука, 1993. 252с.
7. Дронов В.С., Селиверстов Г.В. Кинетика равития усталостной повреждаемости в малоуглеродистой стаи // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемнотранспортные машины и оборудование. Вып. 7. Тула. 2006. Вып.7. С. 207212.
S. Anufriev, E. Kondaurova, A. Puzochkin, V. Gudovschikov
Methodology of researching fatigue damageability kinetic of low-alloy steel at various asymmetry parameters
Methods of researching of yield region into stress concentration zone are consi-dered.Methodology offatigue damageability kinetic and damage of low-alloy steel measuring is based on integrated approach to various methods of yield region researching.
Получено 07.04.09
