CC BY
29
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №11
2001 р.
УДК 621.791.927.55
Самотугин С.С.1
ОЦЕНКА ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННЫХ СТАЛЕЙ НА СТАДИИ ОСТАНОВКИ ТРЕЩИНЫ
На основании испытаний на динамическую трещиностойкостъ с осциллографиро-ванием процесса разрушения разработана методика расчёта параметра трещи-ностойкости поверхностно-упрочнённых сталей на стадии остановки трещины КI . Данная характеристика позволяет количественно оценивать работоспособность изделий (деталей, инструмента) с поверхностным упрочнённым слоем с учётом эффекта остановки эксплуатационных трещин на границе между слоями.
Актуальной задачей развития современного производства является освоение высокоинтенсивных технологий упрочнения быстроизнашиваемых деталей. Применительно к стальному металлообрабатывающему инструменту широкое распространение получили электродуговая наплавка и поверхностная обработка высококонцентрированными источниками нагрева, в частности, плазменной струей [1]. Основной целью поверхностного упрочнения является повышение износостойкости, что может быть достигнуто нанесением слоя легированного твердого металла при наплавке или образованием закаленного слоя при поверхностной обработке. Однако металлообрабатывающий инструмент в процессе эксплуатации наряду с износом подвергается действию значительных механических нагрузок, что приводит к хрупким микро- и макроразрушениям.
Для повышения трещиностойкости инструмента перспективна разработка новых наплавочных материалов или инструментальных сталей с повышенной вязкостью разрушения. В большинстве случаев такой подход неизбежно приводит к увеличению содержания легирующих элементов и экономически не всегда оправдан. Другим направлением решения проблемы является полезное использование структурной и механической неоднородности поверхностного слоя упрочненного инструмента и связанного с этим эффекта торможения трещины. Целенаправленным подбором состава наплавляемых слоев или технологии поверхностного упрочнения можно получить слоистый композиционный материал, в котором поверхностный износостойкий, но хрупкий слой контактирует с более пластичным внутренним слоем. Получение композиционных материалов методами наплавки или поверхностной обработки возможно благодаря достаточно резкой границе между наплавленным или упрочненным слоем и основным металлом [1,6].
Теоретическое обоснование требуемых размеров слоев и их собственных (локальных) свойств может быть выполнено на основе положений механики разрушения композиционных материалов [2, 3]. Экспериментальное определение интегральных критериев трещиностойкости возможно при проведении испытаний образцов специальной конструкции [4], а локальных критериев - при микроиспытаниях по специальным методикам [5]. Важная для практических целей информация может быть получена также при фрактографическом анализе изломов слоистых материалов. При этом изучаются как механизмы развития трещин в материалах отдельных слоев, так и механизмы торможения разрушения на границах слоев, что очень трудно проанализировать с помощью количественных критериев при определении интегральных или локальных свойств.
Фрактографические исследования изломов слоистых образцов, испытанных на динамическую трещиностойкость [1, 6-8], показали, что торможение магистральной трещины в компо-
1 ГТГТУ, докт. техн. наук, профессор
зиционных наплавленных и упрочненных сталях происходит благодаря образованию вторичных (т.е. перпендикулярных магистральной) трещин скольжения. Механизм развития трещин скольжения в наплавленных и упрочненных сталях принципиально отличается, что связано с уровнем адгезионной прочности смежных участков слоистого материала.
В наплавленных слоях магистральная трещина останавливается с образованием расслоения по границе сплавления (рис. 1, а, б). Это связано с тем, что адгезионная прочность по линии сплавления всегда ниже прочности любого из соседних слоев. Расслоение представляет собой трещину, перпендикулярную плоскости излома. Такой механизм торможения разрушения известен в механике композиционных материалов как механизм Кука-Гордона [9]. Следует отметить, что торможение трещины может иметь место при переходе не только из хрупкого слоя в вязкий (рис. 1, а), но и из вязкого в хрупкий (рис. 1, б). Это еще раз подчеркивает особую роль границы между слоями в торможении трещины по данному механизму.
Рис. 1 - Вторичные трещины - следы остановки магистральной трещины при динамическом разрушении слоистых материалов: а - на границе сплавления 30X1 ("Л XI81 ПОТ; б - на границе сплавления сталь 15-90ХФ; в - на границе между слоем плазменной закалкой и исходным металлом в стали 90ХФ; х320.
В поверхностно-упрочненных сталях линии соединения слоев как таковой нет и смежные слои представляют собой один и тот же металл, но в разном структурном состоянии. Расслоение в данном случае по границе не происходит и трещина в этом месте только меняет свое направление н ветвится. На изломах поверхностно-упрочненных сталей в участке ветвления магистральной трещины наблюдаются характерные ступеньки (рис. 1, в). Установлено [10], что наряду с анизотропией вязкости разрушения (наличием более пластичного слоя под хрупким закаленным слоем) реализации такого механизма торможения трещины способствует и неоднородное распределение внутренних остаточных макронапряжений: высокие остаточные напряжения сжатия в закаленной зоне (до -1400 МПа) на границе с исходным металлом скачкообразно меняют знак и переходят далее в растягивающие (до +650 МПа). Наличие ступеньки на изломах в этом месте позволяет предположить, что при переходе от -<уост к +сгосш в устье магистральной трещины возникают локальные касательные напряжения, которые, по-видимому, и стремятся изменить траекторию ее движения. По мере удаления от границы в исходный металл касательные напряжения исчезают и под действием внешней нагрузки траектория трещины вновь выходит на магистральное направление.
Несмотря на разные механизмы и условия возникновения вторичных трещин скольжения в слоистых наплавленных и упрочненных материалах, трещиностойкость их на стадии остановки трещины может быть количественно оценена одним параметром - Кп, называемым в механике разрушения композиционных материалов "вязкостью скольжения". В работе [2] предложена методика экспериментального определения К при статическом растяжении
двухслойных образцов нахлесточного типа с предварительно нанесенной трещиной скольжения и записью диаграммы в координатах "усилие - скорость развития трещины скольжения". Такой подход к определению Кпс не может быть применен к испытаниям на динамический
изгиб с осциллографированием процесса разрушения по методике [4] в связи с трудностью, а для поверхностно-унрочненых сталей и невозможностью, создания внутренней исходной трещины в стандартных ударных образцах.
Другими, важными для практических целей характеристиками, являются минимальный коэффициент интенсивности напряжений К1 и коэффициент интенсивности напряжений на
стадии остановки трещины К, а , которые могут быть определены с использованием теоретических и методических положений динамической механики хрупкого разрушения [11, 12]. По
Д. Ирвину величине К1т на графике за-
V
тр
д 1 2
к
/
Рис. 2 - Зависимость V от К1 [11];
т. 1 - появление признаков ветвления; т. 2 - начало ветвления.
случае под величинои К1 следует понимать величин}' коэффициента интенсивности напряжений в конце остановившейся трещины после того, как система приходит в статическое равновесие, а под величиной Кг - мгновенное значение К1 при остановке трещины. Для малых
скачков трещины, когда выполняется зависимость, приведенная на рис.2, можно считать К1т = = К1а [14, 16].
При динамических испытаниях ударных образцов стандартных размеров с осциллографированием процесса разрушения [4,17] характеристика вязкости разрушения - динамический коэффициент интенсивности напряжений К1£) - может быть определен по формуле:
к,
висимости скорости трещины V от изменения коэффициента интенсивности напряжений К1 (рис. 2) соответствует почти вертикальная прямая. Любое снижение К: до уровня ниже К,... влечет за собой остановку трещины [11].
В настоящее время разработан и стандартизирован метод динамических испытаний с определением параметров трещиностойкости на стадии остановки трещины [13-15]. При таких испытаниях используют в основном образцы типа двухконсольной балки (ДКБ-образцы). Но, как показано в работах [13, 16], принципы обработки диаграмм разрушения и расчета К1т и К [ а могут быть использованы и
для образцов других конструкций, в частности - образцов для испытаний на динамическую трещиностойкость. В данном
и
к - р<
' У 2 ,
(1)
где Р^ = Ртах - Рш - критическое разрушающее усилие;
Ртах - максимальная величина усилия на осциллограмме, записанной в координатах "усилие-время" (рис. 3);
Рш - инерционное усилие, вызванное ускорением движущихся масс образца; работе, затраченной на преодоление сил инерции образца, соответствует первый малый импульс на осциллограммах рис. 3(в ряде случаев, при испытаниях хрупких материалов, он может отсутствовать, т.е. Р,т = 0);
Ь ширина образца; 8 - толщина образца;
у>2 - безразмерная функция, зависящая от относительного размера начальной трещины (надреза) 1/Ъ [17].
а) б) в) г)
Рис.3 - Осциллограммы процесса ударного разрушения: а - сталь 90ХФ в нормализованном состоянии; б - сталь 90ХФ после плазменного упрочнения; в - сталь У8 после плазменного упрочнения; г - сталь 75Х2МФ после комбинированного индукционно-плазменного упрочнения; масштаб записи усилия: а - в - 2,2 кН/дел; г - 1,6 кН/дел; масштаб времени: 200 мке/дел.
Величина К1в, рассчитанная по формуле (1), является интегральной характеристикой
динамической вязкости разрушения как для структурно-однородных металлов (рис. 3, а), так и для слоистых (рис. 3, б - г), разрушающихся по механизму "множественного" или "эстафетного" разрушения [2, 3]. Для поверхностно-упрочненных сталей она характеризует совместное поведение под нагрузкой металла упрочненного слоя и исходного. При изменении соотношения толщин слоев будет изменяться и величина ^^, поэтому этот параметр может давать
лишь качественную оценку влияния поверхностного упрочнения на трещиностойкость сталей.
Используя известные методические положения [13, 15], величину коэффициента интенсивности напряжений на стадии остановки трещины при испытаниях на динамическую трещиностойкость К"в для образцов с поверхностным упрочненным слоем (рис. 3, б - г) можно определить по диаграммам динамического разрушения как и К1р по формуле (1). При этом в
качестве величины нагрузки в момент остановки трещины Р^ следует брать разницу Рч - Ра
(рис. 4, а), где Рч - нагрузка, соответствующая моменту остановки трещины на границе упрочненного слоя. В качестве расчетной длины остановившейся трещины / - в первом приближении можно использовать толщину упрочненного слоя с учетом надреза, легко и точно определяемую на изломах разрушенных образцов. Следует отметить, что аналогичный подход к определению расчетной нагрузки Р* используется и при расчете вязкости скольжения К (7, по диаграммам "усилие-скорость трещины" (рис. 4, б) [2].
В таблице приведены значения динамического коэффициента интенсивности напряжений
на стадии остановки трещины К" в для некоторых случаев испытаний инструментальных сталей после плазменного упрочнения.
Результаты испытаний показывают, что в действительности динамическая вязкость разрушения инструментальных сталей после плазменного упрочнения характеризуется более
высокой величиной К°в по сравнению с интегральной характеристикой К1Е), определенной ранее [8].
а) б)
Рис. 4 - Схема определения расчетных усилий по диаграммам испытаний: а - при расчете К
[13]; б - при расчете К п [2].
Таблица - Характеристики динамической трещиностойкости инструментальных сталей
Марка Вариант Расчетная нагрузка Ра-Ра. кН Расчетная длина остановившейся трещины /, мм кю> кю>
стали упрочнения МПа-л/м МПа-л/м
90ХФ Исходное состояние + плазменное упрочнение 2,46 3,6 19,2 9,3*
Объемная закалка + плазменное упрочнение 1,51 3,8 12,1 5,6*
Стандартная объемная
обработка + плазменное 1,70 ЗД 11,0 6,9*
упрочнение
Р6М5 Стандартная объемная
обработка + плазменное упрочнение + объемный 1,83 ЗД 11,9 7,1*
отпуск
* - данные работы [8].
Динамическая трещиностойкость на стадии остановки трещины К"в учитывает энергетические затраты на остановку и ветвление трещины и от соотношения размеров слоев не зависит, поэтому может считаться не только характеристикой качественной, но и количественной. Данная методика может быть использована и для анализа трещиностойкости слоистых наплавленных материалов практически при любом соотношении размеров и составов слоев.
Выводы
1. Разработана методика расчётно-экспериментального определения динамического коэффициента интенсивности напряжений поверхностно-упрочнённых сталей на стадии остановки трещины.
2. Торможение трещины на границе упрочнённого слоя с исходным металлом способствует повышению вязкости разрушения поверхностно-упрочнённых сталей, что обусловлено дополнительными затратами энергии на преодоление трещиной данной границы.
Перечень ссылок
1. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение. - К.: Техника, 1990. - 109 с.
2. Черепанов Г.П. Механика разрушения композиционных материалов. - М.: Наука, 1983. -296 с.
3. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов / Пер. с японск. Под ред. В.И. Бурлаева. - М.: Мир, 1982. - 232 с.
4. Определение характеристик трещиностойкости углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей / С.С. Самотугин, Л.К. Лещинский, И.И. Пирч и др. // Заводская лаборатория. - 1985,-№7. -С. 69-71.
5. Самотугин С. С. Вязкость разрушения твердых сплавов, упрочненных плазменной обработкой // Физика и химия обработки материалов. - 1997. - № 4. - С. 45-51.
6. Самотугин С.С., Лещинский Л.К., Соляник Н.Х. Структура и характер разрушения сварных соединений, наплавленных и упрочненных материалов. - Мариуполь: ПГТУ, 1996. - 179 с.
7. Самотугин С. С. Особенности торможения разрушения в слоистых композиционных материалах, полученных наплавкой или поверхностной закалкой // Физика и химия обработки материалов. - 1998. - № 1. - С. 64-69.
8. Эксплуатационные свойства инструментальных сталей после комплексного объемно-поверхностного упрочнения / С.С. Самотугин, A.B. Пуйко, Н.Х. Соляник, Е.Б. Локшина // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - № 5. - С. 2-6.
9. Cook J., Gordon J.E. A mechanism for the control of crack propagation in all-brittle system // Proc. Royal Soc., S.A. Mat. And Phys. Sei., 1964. - V.2. - № 39. - P. 508-520.
10. Самотугин С.С. Плазменная обработка инструментальных сталей // Сварочное производство. - 1997. -№ 9,- С. 8-11.
11. Ирвин Д. Особенности динамического разрушения // Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин. / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Гольдштейна. - М.: Мир, 1981. -С. 9-22.
12. Партон В.В., Борисковский В.Г. Динамика хрупкого разрушения. - М.: Машиностроение, 1988.-240 с.
13. Кросли П., Риплинг Э. К разработке стандартных испытаний для измерений К¡ а // Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Гольдштейна. - М.: Мир, 1981. - С. 199-221.
14. Биле к 3., Черны М. Остановка и распространение хрупкой трещины в конструкционных сталях // Проблемы прочности. - 1991. - № 12. - С. 15-28.
15. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) на стадии остановки трещины. MP - 71 - 82. - М.: Госстандарт, 1982. - 27 с.
16. Хан Д., Розенфилд А., Маршалл К. Концепция остановки трещины и ее применение // Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Гольдштейна. - М.: Мир, 1981. - С. 222-253.
17. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при динамическом нагружении. РД 50-344-87. М.: Изд-во стандартов, 1987.- 52 с.
Самотугин Сергей Савельевич. Д-р технических наук, профессор кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил Ждановский металлургический институт в 1981 году. Основные направления научных исследований - металловедение сварки и родственных процессов, обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии, прочность и работоспособность изделий с поверхностным упрочнённым слоем.
Статья поступила 06.03.2001.
