CC BY
52
МА ТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 620.178.3
В.С. Дронов, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-22-88, dronov.vs@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ),
М.Ю. Репков, магистрант, (4872) 33-22-88, mihan-90.90@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СТУПЕНЧАТЫХ НАГРУЖЕНИЯХ И НАКОПЛЕННАЯ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ ФЕРРИТНО-ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ
Рассмотрено влияние развития микропластической деформации на разных этапах ступенчатого циклического нагружения на накопленную поврежденность. При испытаниях гладких образцов интегральную характеристику микропластичности для разных амплитуд напряжений отражает зависимость прогиба образца в функции числа циклов со стадиями циклической микротекучести, деформационного упрочнения и старения.
Ключевые слова: сталь, усталость, ступенчатые нагружения, поврежденность.
Принцип суммирования относительной поврежденности при усталостных испытаниях с чередованием амплитуд различной величины, известный как закон линейного накопления повреждений Пальмгрена - Майнера, предполагает одинаковую скорость накопления поврежденности для всех амплитуд напряжений в пределах кривой усталости
к n
Du = У—=1, (1)
п h n, ' w
где n, - число наработанных циклов при ,-й амплитуде напряжения, N, -
число циклов до разрушения при этой же амплитуде, к - количество уровней амплитуд напряжений [1-5].
По результатам исследований сопоставление суммы относительной поврежденности в формуле (1) составляет не единицу, а некоторую величину а, значительно отличающуюся от единицы. Представление результатов многообразцовых испытаний в виде статистических распределений сумм относительных долговечностей снижает диапазон значений а для разных сплавов в пределах 0,5 < a < 2 [3]. При этом эксперименты на образцах показывают, что переход с высокой амплитуды на низкую приводит к условию а < 1, а переход с низкой амплитуды на высокую наоборот -а > 1. Таким образом, накопленная относительная поврежденность является функцией, зависящей от амплитуд напряжений.
В работах [7-9] исследования выполнены на сталях с различной структурой и способностью к упрочнению или разупрочнению. Склонность металлических материалов к циклическому упрочнению или разупрочнению условно определяется отношением предела прочности к условному пределу текучести. Известно, что все материалы с ов / о0 2 < 1,2
разупрочняются при циклическом деформировании, тогда как материалы, для которых ов /с0 2 = 1,4 и выше, циклически упрочняются. В диапазоне
1,2 < ов / о0 2 < 1,4 может происходить либо упрочнение, либо разупрочнение. Циклическое деформационное упрочнение обычно наблюдается у пластичных металлических материалов, а разупрочнение - у материалов в высокопрочном состоянии, которое может быть достигнуто в результате предварительного деформационного упрочнения, дисперсионного упрочнения, а также в результате различных видов химико-термической обработки.
Изменение скорости усталостного повреждения может изменяться не только со сменой амплитуд нагружения, но и в связи с нестационарностью переходного процесса, а также вследствие изменения физико-механических свойств в эти периоды
Таким образом, величина накопленной относительной поврежденно-сти является функцией
D
' п
— ,а, m V N \
(2)
где mf - некоторая величина, зависящая от свойств материала, например,
коэффициента циклического упрочнения.
Вопросы кинетики циклического упрочнения и разупрочнения особенно важны при рассмотрении усталостного повреждения, связанного с величиной микропластической деформации. При каждой перемене знака напряжения происходит изменение свойств части внутреннего объема материала, которые отражаются в форме и размерах петли упругопластиче-ского гистерезиса и изменения пластической деформации
за цикл. Для упрочняющегося материала кривая циклического деформирования расположена выше диаграммы статического деформирования, а для разупрочняющегося - ниже.
В условиях ступенчатого чередования высоких и низких амплитуд, продолжительности ступени и т.д. определяющим, по-видимому, является степень развития процессов упрочнения - разупрочнения.
Целью настоящей работы является изучение влияние ступенчатого нагружения на стадии подготовки разрушения на долговечность и накопленную поврежденность среднеуглеродистой ферритно-перлитной стали.
Материалом для исследования была выбрана среднеуглеродистая ферритно-перлитная сталь 50 (0,48 % С; 0,68 % Мп; 0,19 % Si; 0,012 % Р; 0,02 % S) с характеристиками механических свойств ат = 380 МПа, ав = 630 МПа, 510 = 23 %, у = 52 %. Испытания проводили на серийной машине НУ в условиях знакопеременного чистого изгиба с вращением цилиндрических гладких образцов при частоте нагружения 50 Гц.
Для исследования характера развития циклической микропластической деформации по объему рабочей части образца и способности сопротивляться циклическим нагрузкам в процессе нагружения вплоть до момента разрушения производилась непрерывная запись изменения прогиба, характеризующего податливость образца. Этот способ позволяет получить непрерывную картину накопления микропластических деформаций в объеме рабочей части образца.
На рис.1 представлены результаты усталостных испытаний образцов стали 50 в нормализованном состоянии при постоянной амплитуде напряжений. Предел усталости на базе 5 10 6 циклов составил о-1 = 275 МПа.
Для наклонной части кривой усталости о= о™ Ыа = С получено корреляционное уравнение вида ^ = 9,878 — 0,147оi и величина показателя степени в уравнении т = 7,3.
Рис. 1. Кривая усталости ферритно-перлитной стали 50
245
При испытаниях с постоянной амплитудой напряжения в области ограниченной долговечности были получены зависимости прироста динамического прогиба образцов от их статических значений, соответствующих N = 0 циклов (рис. 2). Для дальнейших исследований были приняты коэффициенты перегрузки k = о о-1: 1,1; 1,2; 1,25; 1,3 и 1,35. В качестве
базового, испытания относительно которого варьировались амплитуды напряжений, принята величина перегрузи & = 1,3 (о = 360 МПа).
"Г, мм
1 / 2 / „
/ «--^^
/
0 Ю 20 30 40 М-1Г3, цикл.
Рис. 2. Зависимость динамической составляющей прогиба образца от числа циклов для коэффициентов перегрузки: 1 - k = 1,3 (а = 360 МПа); 2 - 1,2 (а = 330 МПа); 3 - 1,1 (а = 300 МПа)
На всех кривых динамического прогиба можно выделить три участка. Первый участок переходного неустановившегося процесса. Второй участок постоянной установившейся деформации с монотонным медленным приростом прогиба. Третий участок, отмеченный резким возрастанием прогиба, соответствует ускоренному росту трещины и долому образца.
На первом участке деформации (см. рис. 2) наблюдается период пластического микродеформирования. Он обусловлен явлением циклической микротекучести поверхностных слоев образца, чему способствует неоднородное напряженное состояние, и, как следствие, снижение жесткости. Этот период протекает до определенного максимального значения прогиба, при котором плотность дислокаций становиться значительной (рис.3, кривая 2). При высоких перегрузках увеличение прогиба протекает интенсивнее, так как плотность дислокаций при больших напряжениях увеличивается быстрее, также этому способствует нагрев образца. Этот процесс также объясняется тем, что в первый период начинают отрываться уже имеющиеся в металле дислокации и генерируются новые, что приводит к снижению предела текучести. Это уменьшение более выражено при больших перегрузках в виде резкого скачка прогиба на диаграмме. На следующем этапе начинается процесс циклического деформационного упроч-
нения и динамического деформационного старения (увеличение макротвердости от 12 до 20 %). На этой стадии уже наблюдается исчезновение площадки текучести и большое разнообразие формирующихся дислокационных структур. Процесс упрочнения обусловлен очень большой плотностью дислокаций, которые уже не могут свободно перемещаться по плоскостям скольжения. Параллельно протекает процесс старения. Примесные атомы начинают закреплять свободные дислокации, что также препятствует их дальнейшему движению, именно поэтому на этом этапе мы наблюдаем замедление роста прогиба образца.
Рис. 3. Изменение общей накопленной деформации(1) и плотности дислокаций(2) в зависимости от числа циклов нагружения в армко-железе, а = 215 МПа [9]
При ступенчатом нагружении испытания проводились по двум основным схемам нагружения. Первая схема предусматривала нагружение возрастающими ступенями до базовой перегрузки; вторая - начальное на-гружение нагрузкой, большей, чем рассматриваемая перегрузка, или равной ей. В конце первого или второго периода деформации нагрузка снималась, и после пятиминутного отдыха образец испытывали при заданной перегрузке (а = 360 МПа). Результаты приведены в виде кривых деформации «прогиб -число циклов» на рис. 4, а данные о продолжительности ступеней с суммарной накопленной поврежденностью - в таблице.
Общей закономерностью всех рассмотренных схем нагружения (рис. 4) является стремление прогиба к значению, свойственному основному базовому нагружению (в нашем случае / = 3,35мм при а = 360 МПа), независимо от истории деформирования на первой ступени. Таким образом, адаптированный к основному напряжению испытания, интегральный объем микропластических деформаций является постоянной величиной. Однако, последовательность и доля вклада процессов упрочнения и разупрочнения в локальных объемах различная, что отражается на величине накопленного
Число циклов N
повреждения (см. табл.).
Рис. 4. Зависимость прогиба от числа циклов при ступенчатом нагружении: а и б - нагружение с возрастающими ступенями; в, г и д - с разгрузкой из области упрочнения (в и д), из области
циклической текучести (г), отдыхом 5 мин и переходом на низкую ступень (цифры у кривых - амплитуда напряжений)
Величины числа циклов ступеней т и накопленной поврежденности (1)
Кол. циклов Схема нагружения (рис. 4)
а б в г д
П1 20000 20000 13000 3500 10000
П2 20000 43000 35000 59000 42000
«3 36000 - - - -
у « 1,32 1,20 1,21 1,47 1,49
При циклической нагрузке с возрастающими ступенями (рис. 4, а, б)
248
последующее увеличение нагрузки сопровождается дополнительным развитием микротекучести по двум схемам: с монотонным переходом к упрочнению (см. рис. 4, а) и более интенсивным в зависимости от уровня амплитуды второй ступени. В рассмотренных сравнениях определяющим суммарную поврежденность (см. табл.) является фактор длительности числа циклов со ступенями ниже базовой нагрузки.
В испытаниях с полной разгрузкой и первой ступенью выше базовой нагрузки характер процессов упрочнения - разупрочнения меняется в зависимости от области разгрузки по кривой изменения прогиба (рис. 4, в, г, д). Разгрузка из области циклического упрочнения с отдыхом (см. рис. 4, в, д) сопровождается статическим структурным достариванием [10], а последующее нагружение связано с разупрочнением структур, созданных в период циклического нагружения на первой ступени и отдыха. Продолжительность этого процесса зависит от уровня амплитуды первой ступени. Разгрузка из области циклической микротекучести (см. рис. 4, г) и переход на низкую ступень масштабировано повторяет процессы, свойственные базовой кривой прогиба, что является следствием наличия свободных дислокаций и способности их перемещения по плоскостям скольжения. В отличие от первой схемы ступенчатых испытаний во второй схеме определяющим накопленную поврежденность является фактор значительного деформационного упрочнения и старения в поверхностных слоях образцов.
Наличие температурного градиента по длине цилиндрического образца при циклических нагружениях с перегрузками создает условия наличия двух характерных напрягаемых объемов с разной степенью упрочнения - в средней части до 20 %, у головок до 12 %. Поэтому эффект упрочнении более выражен в объеме средней части образца, а эффект усталостного повреждении смещается к объемам у головок, где и происходит разрушение. В связи с этим продолжение исследований следует выполнять на образцах с фиксированным объемом напрягаемой части образца.
Список литературы
1. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.
2. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ. Предсказание. Предотвращение / пер.с англ.; под ред. Э.И. Григолюка. М.: Мир, 1984. 624 с.
3. Серенсен С.В. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488с.
4. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчет деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник. М.: Машиностроение, 1985. 224с.
5. Сосновский Л., Щербаков С. Концепции поврежденности мате-
риалов // Вестник ТНТУ. 2011. Спецвыпуск. Ч. 1. С. 14-23.
6. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. М.: Металургия, 1989. 575с.
7. Гурьев А.В., Маловечко Г.В. Исследование механизма начальной стадии пластической деформации поликристаллического сплава // Металловедение и прочность материалов. Волгоград, 1968. С. 5-10.
8. Орлов Л.Г., Большаков В.И. Электронно-микроскопическое исследование дислокационной структуры внутренних и поверхностных слоев деформированных монокристаллов кремнистого железа // Физика твердого тела. 1970.Т. 12. № 3. С. 745-751.
9. Иванова В.С., Горицкий В.М., Орлов Л.Г., Терентьев В.Ф. Формирование дислокационной структуры в армко-железе на пределе усталости // Физика металлов и металловедение.1972. Т.34. Вып. 3. С.436-463.
10. Харитонов Н.И., Никольский Н.Н., Дронов В.С. Исследование кинетики накопления микропластических деформаций при циклическом нагружении среднеуглеродистой стали // Проблемы прочности, 1972. № 9. С. 14-17.
V.S. Dronov, M.Y. Repkov
TRANSIENT PROCESS DURING LOADING SEQUENCE AND DAMAGE ACCUMULATION OF THE MEDIUM-CARBON FERRITIC PEARLITIC STEEL
This paper presents a study of the influence of microplastic deformation in different stages of cyclic loading sequence on damage accumulation. The integral characteristics of microplasticity for different stress amplitudes are reflected by the dependence on the model sag function to number of cycles with stages of cyclic microfluidity, strained consolidation and ageing.
Key words: steel, fatigue, loads in stages, damage.
Получено 20.07.12
