Оценка факторов, влияющих на микромеханизм замедленного разрушения стали с помощью метода конечных элементов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.37:669.017

ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА МИКРОМЕХАНИЗМ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛИ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

© А.А. Шиховцов, В.М. Мишин

Ключевые слова: мартенситная сталь; замедленное разрушение; остаточные микронапряжения; сегрегации примесей; метод конечных элементов.

Количественно определено и разделено влияние остаточных микронапряжений и сегрегаций примеси фосфора на изменение пороговых локальных напряжений при замедленном разрушении мартенситной стали.

Замедленное хрупкое разрушение (ЗХР) высокопрочных сталей и стальных деталей является наиболее опасным видом хрупкого разрушения. Особая опасность этого вида хрупкого разрушения связана с тем, что при разрушении деталей отсутствуют признаки пластической деформации. При замедленном хрупком разрушении зарождение и развитие микротрещины происходит по границам зерен стали, содержащей мартенсит [1]. Физическая природа замедленного хрупкого разрушения изучена в ряде работ [1, 2, 4]. Известно, что остаточные внутренние микронапряжения в местах выхода кристаллов мартенсита на границы исходных аустенитных зерен являются физической причиной замедленного разрушения, а сегрегации охрупчиваю-щих примесей - фосфора, сурьмы и др. - являются сопутствующими охрупчивающими факторами [3]. С помощью метода конечных элементов - метода математического моделирования напряженно-деформированного состояния в зоне зарождения микротрещины -существует возможность оценки влияния основных факторов, влияющих на микромеханизм зарождения трещины при замедленном разрушении - остаточных микронапряжений и сегрегаций охрупчивающих примесей на границах зерен закаленной на мартенсит стали.

Целью работы является количественная оценка влияния остаточных микронапряжений и сегрегаций примеси фосфора с разделением их вклада на уровень порогового локального напряжения при замедленном разрушении стали.

В качестве объекта исследования использовали сталь 18Х2Н4ВА, выплавленную в открытой индукционной печи, с добавлением различных количеств примеси фосфора. Использовали термообработку 950 °С, выдержка в печи 35 мин., закалка в воду. Образцы перед термообработкой для защиты от обезуглероживания поверхности помещали в кварцевые ампулы и откачивали воздух. С целью получения состояний стали с различными уровнями остаточных внутренних микронапряжений образцы после термообработки выдерживали на воздухе при нормальных условиях различное время (30 мин., 50 и 100 ч), после чего проводили испытания на замедленное хрупкое разрушение.

Применяли образцы 55x10x10 мм с острым надрезом, наносимым фрезой, глубиной 2,00 мм, радиусом закругления 0,25 мм и углом раскрытия 45°. Испытания

на активное и замедленное разрушение проводили сосредоточенным изгибом по методике [3]. Предел текучести, показатель и коэффициент упрочнения, необходимые для расчета локальных напряжений ^ методом конечных элементов, определяли по результатам испытаний на растяжение гладких образцов МРГ-3 диаметром 4,3 мм [2]. Содержание фосфора на границах зерен оценивали с помощью ОЖЕ-спектрометра по методике [4].

Ставилась задача определения максимальных локальных растягивающих напряжений ^ в пластической зоне перед надрезом (рис. 2) в момент регистрации методом акустической эмиссии локального разрушения [4].

Для определения локальных напряжений в зоне зарождения трещины использовали метод конечных элементов. Моделировали стандартный ударный образец типа Шарпи (рис. 1).

Рис. 1. Компьютерная модель образца с надрезом типа Шарпи в виде сетки конечных элементов

Создавали сгущения сетки конечных элементов в местах наибольших градиентов напряжений и деформаций (рис. 2).

По результатам экспериментов строили кривые замедленного разрушения в координатах: ст11мах - время

до зарождения трещины. С помощью этих зависимостей определяли пороговые локальные напряжения (ст 1мах ) для сталей с различным содержанием фосфора и с различными уровнями остаточных внутренних микронапряжений. Под пороговыми локальными напряжениями понимали напряжения, ниже уровня которых разрушение не происходило за базовое время испытаний (30 сут.).

1913

Рис. 2. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния зоны зарождения трещины перед надрезом образца типа Шарпи

Рис. 4. Зависимости пороговых ацт„ при замедленном разрушении стали 18Х2Н4ВА от содержания примеси фосфора после отдыха 30 мин., 50 и 100 ч

Далее строили зависимости пороговых ст1Ь1ах от уровня остаточных внутренних микронапряжений а при замедленном разрушении стали (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость пороговых ацтах от уровня остаточных внутренних микронапряжений (сталь 18Х2Н4ВА)

Строили зависимости пороговых ст1Ьих при замедленном разрушении стали от концентрации фосфора на границах зерен (% Р) (рис. 4).

Уровень о определяли по методике [4] как разность критического локального растягивающего напряжения (сопротивление сколу) при активном разрушении стали ниже порога хладноломкости и разрушающего локального растягивающего напряжения а1 мах при комнатной температуре для стали после

различного времени отдыха.

При активном разрушении стали ниже порога хладноломкости наблюдается внутризеренное разрушение (рис. 5), в то время как при замедленном хрупком разрушении реализуется межзеренное разрушение (рис. 6).

Рис. 5. Излом при хрупком внутризеренном разрушении

Рис. 6. Излом при замедленном хрупком межзеренном разрушении

Таким образом, все полученные значения пороговых локальных напряжений при замедленном разрушении в зоне зарождения трещины характеризуют усло-

1914

вия зарождения и начального развития трещины. Эти пороговые локальные напряжения координатно (рис. 6) соответствуют зернограничному разрушению. Зная одновременное влияние на пороговое напряжение локального разрушения при замедленном разрушении от уровня остаточных микронапряжений и содержания фосфора на границах зерен в месте зарождения трещины, можно обобщить результаты в виде трехмерной зависимости (рис. 7). На рис. 7 показана «поверхность» пороговых локальных напряжений в зависимости от соотношения двух факторов - содержания уровня внутренних остаточных микронапряжений и содержания примеси фосфора на границах зерен стали 18Х2Н4ВА. Следует отметить линейный характер влияния остаточных внутренних микронапряжений и нелинейный влияния содержания фосфора на границах зерен.

0 2 4 НИИ)

°/о фосфора

Рис. 7. Влияние содержания примеси фосфора на границах зерен и уровня остаточных внутренних микронапряжений на пороговое ап™« при замедленном хрупком разрушении стали 18Х2Н4ВА

Таким образом, с помощью метода математического моделирования напряженно-деформированного со-

стояния стали в зоне зарождения трещины (метод конечных элементов) разделены и установлены количественно вклады остаточных внутренних микронапряжений и сегрегаций примеси фосфора в процесс локального разрушения для пороговых условий замедленного разрушения. Представляется возможным, определив пороговые значения локальных напряжений для замедленного разрушения по испытаниям стандартных образцов, прогнозировать критические уровни остаточных микронапряжений и содержание фосфора на границах зерен мартенситной стали, ниже уровня которых замедленное разрушение не реализуется.

ЛИТЕРАТУРА

1. Саррак В.И., Филиппов Г.А. О природе явления задержанного разрушения закаленной стали // МиТОМ. 1976. № 12. С. 36-41.

2. Мишин В.М., Шиховцов А.А. Разделение силовой и термоактива-

ционной компонент разрушения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 11.

С. 104-105.

3. Мишин В.М., Филиппов Г.А. Критерий и физико-механическая характеристика сопротивления стали замедленному разрушению // Деформация и разрушение материалов. 2007. № 3. С. 37-42.

4. Мишин В.М. Структурно-механические основы локального разрушения конструкционных сталей: монография. Пятигорск: Спецпе-чать, 2006. 226 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Экспериментальная часть исследований проведена в Институте качественных сталей ЦНИИчермет г. Москва благодаря поддержке директора института качественных сталей ЦНИИчермет д.т.н., проф. Г.А. Филиппова.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Shikhovtsov A.A., Mishin V.M. EVALUATION OF FACTORS INFLUENCING ON MICROMECHANISM OF DELAYED FRACTURE OF STEEL WITH THE HELP OF FINITE ELEMENT METHOD

The influence of the residual microstrain and congregations of the impurity of phosphorus to change the threshold of local tension slow-motion destruction of martensitic steel are quantitatively defined and divided.

Key words: martensitic steel; slow-motion destruction; residual microstrain; segregation of impurities; method of finite elements.

1915