CC BY
15УДК 620.178.3+620.194.8
А.Н. Гущин1, Ю.Б. Гусев2, С.В. Созинов3
ПОВЕДЕНИЕ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННОЙ СТАЛИ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,
ОАО «ГАЗ»2,
Волжская государственная академия водного транспорта3
Проведены комплексные исследования изменения механических характеристик при статическом и циклическом нагружении предварительно деформированной растяжением малоуглеродистой стали 20. Установлены закономерности изменения механических характеристик, а также длительности периодов усталостного разрушения от степени предварительной деформации.
Ключевые слова: деформация, усталость, циклические повреждения, прочность, пластичность, периоды разрушения, упрочнение.
Элементы изделий при изготовлении и эксплуатации подвергаются различным видам и степеням деформации. Влияние степени и вида деформации на механические характеристики, особенно на параметры усталостного разрушения материалов, изучены недостаточно, а сведения литературных источников весьма ограничены и противоречивы. Поэтому исследования по прогнозированию, повышению долговечности и снижению металлоемкости изделий на основании установления изменения механических характеристик и закономерностей усталостного разрушения предварительно деформированных металлических материалов являются весьма актуальными.
Методика работы
Образцы для проведения исследований изготавливались из гнутых замкнутых сварных профилей стали 20 размером 80 х 80 х 3 мм (ГОСТ 30245-2003 «Профили стальные гнутые замкнутые сварные» ). Предварительной пластической деформации ( s ) в диапазоне от
0 до 18 % (до предельной равномерной деформации) подвергались пластины с размерами поперечного сечения 3*20 мм, из которых изготавливались образцы как для статических испытаний на растяжение (сечением 3*3 мм при выполнении указанного в ГОСТе 1407-84
«Металлы. Методы испытаний на растяжение» соотношения /0 = 11,3^J~A между начальной расчетной длиной образца /0 и площадью поперечного сечения A0 ), так и для усталостных
испытаний (размеры рабочей части соответствовали IV типу плоских образцов, согласно ГОСТ 25.502 - 79 «Методы испытаний на усталость»). Статические испытания и предварительное деформирование растяжением проводились на разрывной машине INSTRON со ско-
3 1
ростью деформации 2*10- с- . Усталостные испытания осуществлялись по схеме мягкого нагружения знакопеременным циклическим изгибом на установке, позволяющей регистрировать изменения прогиба образца в процессе нагружения [1]. По результатам статических испытаний, помимо стандартных механических испытаний ( & - предел прочности, о 02 -
предел текучести, 5 - полное относительное удлинение), определялся показатель деформационного упрочнения n из уравнения кривой упрочнения при статическом растяжении [1, 2]:
о, =OoSnr , (1)
где о, - истинное текущее напряжение течения; s, - истинная текущая деформация; о0 - постоянная, равная напряжению течения при s = 1.
© Гущин А.Н., Гусев Ю.Б., Созинов С.В., 2013.
С позиций оценки накопления циклических повреждений кинематические диаграммы усталостного разрушения представлялись как изменение относительной величины прогиба образца (/ ) в функции числа циклов перемены напряжений ( N ). При заданном уровне циклического напряжения относительная стрела прогиба образца определялась как
8 , (2) 8с.п г х '
Л
где /0, / - соответственно величины начальной и текущей стрелы прогиба образца в функции N числа циклов нагружений. Кинетические диаграммы усталостного разрушения представлялись в координатах 1§ 8Й1 -1§ N, по которым проводилась количественная оценка длительности стадий усталостного разрушения - стадии N1 (до момента раскрытия и распространения усталостной трещины), и стадии NTP распространения усталостной трещины (с момента раскрытия трещины до полного её распространения по сечению образца).
Результаты исследований
Результаты испытаний на статическое растяжение предварительно деформированных образцов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Механические характеристики образцов в зависимости от 8ПД
Механические характеристики Степень предварительной деформации 8пд , %
0 2,5 5 10 15 18
ств , МПа 436 454 464 490 515 520
Ст0 2, МПа 322 364 390 425 446 460
5,% 24,5 22,3 20 14,2 10,5 8,5
Из табл. 1 видно, что пластическая деформация приводит к упрочнению стали, т.е. к росту прочностных и снижению пластических характеристик. Предел прочности ств и предел текучести о02 соответственно возрастают в 1,19 и в 1,43 раза, а полное относительное
удлинение 5 снижается в 2,9 раза. При этом эффект упрочнения наиболее полно оценивается показателем деформационного упрочнения п. Показатель п является структурно-чувствительной характеристикой материалов: он зависит от типа кристаллической решетки (у сплавов с ГЦК решеткой его величина обычно выше, чем у сплавов с ОЦК и ГПУ решетками), от содержания примесей и легирующих элементов, а также от предшествующей обработки при выплавке, пластической деформации и термической обработке. Показатель деформационного упрочнения п с увеличением прочности сплава, как правило, уменьшается. Кривые упрочнения, представленные в логарифмических координатах 1§СТ; —1§ 8, и изменение показателя п в функции степени предварительной деформации приведены на рис. 1. Уравнения кривых упрочнения, выведенные методом корреляционного анализа, имеют общий вид
^Ст; = Сто + п ^ 8 . (3)
Параметры этих уравнений и величина показателя п в зависимости от степени предварительной деформации 8пд представлены в табл. 2. Из рис. 1 и табл. 2 видно, что с ростом степени предварительной деформации 8пд кривые деформационного упрочнения располагаются выше, а величина структурно - чувствительного показателя п монотонно снижается -с увеличением 8ПД от 0 до 18% показатель деформационного упрочнения п снижается в 7,3 раза. Таким образом, предварительная пластическая деформация растяжением приводит к
росту прочностных, падению пластических характеристик и снижению деформационной способности исследуемых образцов.
а)
б)
Рис. 1. Кривые упрочнения (а) и изменение показателя деформационного упрочнения п (б) от степени предварительной деформации растяжением
Таблица 2
Параметры уравнений кривых упрочнения и показатель n от 8пд
Параметры уравнений Степень предварительной деформации 8 , %
0 2,5 5 10 15 18
lg 2,582 2,829 2,818 2,798 2,768 2,737
n 0,161 0,135 0,114 0,061 0,041 0,022
r 0,982 0,978 0,987 0,989 0,992 0,988
Примечание: г - коэффициент корреляции.
Предварительная пластическая деформация, упрочняя металлические материалы, неоднозначно влияет на их усталостные характеристики [1, 2]. Сопротивление циклическим нагрузкам (сопротивление усталости) определяется комплексом действующих внешних и внутренних факторов. Между прочностными и пластическими характеристиками, определяемых при стандартных испытаниях на растяжение, и характеристиками сопротивления усталости существуют определенные корреляционные зависимости. При изготовлении многих металлоизделий в качестве формообразующей операции применяется холодная пластическая деформация, сопровождающаяся изменением микро- и субмикроструктуры, наклепом и накоплением повреждаемости. Во многих случаях прослеживается корреляция предела усталости и прочностных характеристик: повышение предела прочности, предела текучести (при легировании, термической обработке) приводит и к повышению предела усталости, в то же время снижение пластических характеристик может ухудшать усталостные характеристики,
к которым, кроме предела усталости, можно отнести и тангенсы углов наклона кривой усталости в координатах «амплитудное напряжение цикла - число циклов до разрушения». Холодная пластическая деформация повышает прочностные характеристики, но уменьшает пластические, а также и скорость деформационного упрочнения. Поэтому зависимости усталостных параметров от степени предварительной деформации немонотонны и неоднозначны. Кривые усталости строились в логарифмических координатах ^ а - ^ N, уравнения которых имеют общий вид
^а = ^ а0-р ^ N, (4)
где р - тангенс угла наклона кривой усталости, характеризующий интенсивность накопления циклических повреждений.
Параметры уравнений кривых усталости, а также величины пределов усталости а_г на
базе испытаний N = 107 циклов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры уравнений кривых усталости и изменение а ^ от 8 пд
Параметры уравнений Степень предварительной деформации 8 , %
0 2,5 5 10 15 18
^ а0 3,114 3,593 4,210 4,324 4,408 4,751
Р 0,111 0,273 0,315 0,328 0,342 0,410
а-1, МПа 240 200 215 235 240 225
г - 0,985 - 0,984 - 0,979 - 0,968 - 0,974 - 0,968
Примечание: г - коэффициент корреляции.
На рис. 2 показаны зависимости изменения а_х и показателя р в функции степени предварительной деформации 8 . Из рис. 2 видно, что зависимости изменения показателя р, характеризующего интенсивность накопления циклических повреждений, и предела усталости а_х на базе испытаний N = 107 циклов от степени предварительной деформации 8пд можно разделить на три участка: первый участок 8пд изменяется от 0 до 5%; второй - 8пд изменяется от 5 до 15%., третий участок 8 > 15%.
а)
б)
Рис. 2. Изменение предела усталости а— (а) и показателя р (б) в зависимости от 8
Первый участок характеризуется резким увеличением показателя р, величина которого р = 0,315 при 8п.д.. = 5 % в 2,84 раза выше, чем у недеформированных образцов, и снижением предела усталости до минимума стч = 200 МПа при 8п.д. = 2,5 % (по сравнению с неде-формированными образцами ст^ снижается на 20 %), что может быть связано с возникновением повреждаемости в наиболее слабых поверхностных зернах металла, с характером и уровнем внутренних остаточных напряжений, степенью неоднородности пластической деформации [1, 2].
На втором участке рост показателя р существенно замедляется (при епд =15 % р = 0,342, то есть на 8,6 % больше, чем у образцов, деформированных на 8пд = 5%) , а предел усталости непрерывно возрастает и при 8пд = 15% достигает максимума ст_! = 240 МПа, что соответствует пределу усталости недеформированных образцов.
Падение до 225 МПа и дальнейший рост показателя р до 0,41 при 8пд = 18 % предопределяет ухудшение усталостных характеристик на третьем участке, которое очевидно обусловлено возникновением в процессе пластического деформирования растяжения дефектной структуры, когда в локальных объемах металла с критической плотностью дислокаций зарождаются субмикроскопические трещины, инициирующие при циклическом нагру-жении развитие микропластических деформаций и снижающие сопротивление зарождению и распространению усталостных трещин [3 ].
При этом следует отметить, что с увеличением 8ПД уменьшение показателя деформационного упрочнения п удовлетворительно согласуется с ростом показателя р кривых усталости, то есть снижению деформационной способности предварительно деформированных образцов соответствует рост интенсивности накопления усталостных повреждений с уменьшением амплитуд напряжений цикла ста .
Кроме построения кривых усталости с определением предела усталости ст_! и показателя интенсивности накопления усталостных повреждений р , важную дополнительную информацию о накоплении циклических повреждений с оценкой длительности распространения усталостной трещины можно получить при рассмотрении изменения стрелы прогиба образца 8СП = /■//, где /0, /1 - соответственно величины начальной и текущей стрелы прогиба образца , в функции N числа циклов нагружений.
На рис. 3 в координатах ^ 8СП N представлены кривые 8СП = /(ы) при амплитудном напряжении цикла 300 МПа. Из рис. 3 видно, что процесс усталостного разрушения можно разделить на две стадии: стадию N (до момента раскрытия и распространения усталостной трещины), которой соответствует пологий участок кривой 8СП/(ы), и стадию ыТР распространения усталостной трещины (с момента раскрытия трещины до полного её распространения по сечению образца), которой соответствует крутой участок кривой 8с п = /(ы). При
этом точке перегиба соответствует наведенная циклическим нагружением трещина, длина которой порядка 450 мкм.
Долговечность N до разрушения, как правило, определяется показателем С, характеризующим скорость накопления усталостных повреждений в первый период усталостного разрушения, величину которого можно определить из уравнения
1в 8с.п = 1в 80 ± С N . (5)
Параметры этого уравнения в зависимости от величины 8 . даны в табл. 4.
Рис. 3. Изменение стрелы прогиба образца при аа = 300 МПа в зависимости от степени предварительной деформации растяжением:
1 - 8 вд = 0; ^
= 2,5%; 3
8пд = 5%; 4 - 8пд = 10%; 5 - 8пд = 15%; б - 8вд = 18%
8
пд
Таблица 4
Параметры уравнений кривых прогиба на стадии N при а а = 300 МПа
Параметры уравнений Степень предварительной деформации 8П , %
0 2,5 5 10 15 18
0,0549 - 0,1299 - 0,0479 - 0,0247 - 0,0159 - 0,0915
С - 0,0174 0,0346 0,0143 0,.0073 0,0047 0,0243
г * - 0,985 0,976 0,967 0,981 0,968 0,973
Примечание: г - коэффициент корреляции.
Анализ результатов, представленных на рис. 3 и в табл. 4, показывает, что превалирующим процессом при циклическом нагружении недеформированных образцов является циклическое упрочнение (.8пд< 1), показатель С = - 0,0174; ^=5,2105 циклов. Предварительная пластическая деформация приводит к смене механизма, контролирующего скорость процесса усталости, так как упрочнение сменяется разупрочнением (8 пд< 1). При этом следует отметить удовлетворительное соответствие способности упрочненной структуры к циклическому разупрочнению при ав/а02 < 1,2 [3]. Долговечность при 8пд = 2,5 % снижается до ^=2,4105 циклов при значении показателя С = 0,0346. Дальнейшее увеличение 8П д от 5 до 15 % уменьшает показатель С, что соответствует увеличению долговечности предвари-
тельно деформированных образцов. Так, при 8пд = 5% (С = 0,0143 ) ^=3,2105 циклов, а при 8 пд =15 % (С = 0,0047 ) ^=4,45 105 циклов. Из рис. 3 видно, что долговечность недеформи-
рованных образцов в большей степени определяется длительностью стадии до момента образования усталостной трещины Ы1С увеличением степени предварительной деформации 8
точка перегиба кривых прогиба смещается в область меньших долговечностей, что свидетельствует о снижении длительности стадии N1 и предположении о том, что долговечность предварительно деформированных образцов определяется длительностью стадии распространения усталостной трещины по сечению образца.
Результаты обработки кинетических диаграмм усталостного разрушения 8 = / (ж) с
определением коэффициента т = Ы11Ы, определяющего относительную продолжительность стадий усталостного разрушения, представлены в табл. 5 и на рис. 4. Из табл. 5 и рис. 4 следует, что долговечность предварительно недеформированных образцов и деформированных на 8пд = 2,5 % определяется длительностью стадии М1, которая от долговечности N составляет соответственно 69 и 54 %.
Таблица 5
Длительность стадий усталостного разрушения в зависимости от 8П
е п.д, % Число циклов • 105 при а = 300 МПа m
N N1 N N TP
0 5,25 3,65 1,6 0,69
2,5 2,4 1.3 1,1 0,54
5 3,1 1,48 1,62 0,48
10 4,18 1,9 2,28 0,45
15 4,45 1,96 2,49 0,44
18 3,4 1,45 1,95 0,42
•10 , цикл
N ,
N IN тр /
N,
а)
б)
Рис. 4. Изменение длительности стадии усталостного разрушения (а) и показателя т (б) в зависимости от степени предварительной деформации растяжением:
N - число циклов до полного разрушения; N1 - число циклов до момента образования усталостной трещины;
- число циклов распространения усталостной трещины
При этом долговечности N, N1, и NTP предварительно деформированных образцов на
8пд = 2,5 % ниже, чем недеформированных соответственно в 2,2; 2,8 и 1,45 раза. При 8пд > 2,5 % долговечность предварительно деформированных образцов определяется длительностью распространения усталостной трещины по сечению образца, и при 8пд = 18 % длительность стадии Ы1 составляет всего 42% от полной долговечности образца до разрушения. С ростом степени предварительной деформации в интервале 2,5% < 8п.д. < 15% происходит непрерывное одновременное увеличение долговечностей Ы, Ы1, и . По сравнению с 8п.д. =
2,5 % долговечности Ы, Ы1, и Итр при 8п.д. = 10 - 15% возрастают соответственно в 1,74 -1,85; 1,46 - 1,51 и 2, 1 - 2,26 раза при т = 0;45 - 0,44. Очевидно, что степени деформации, соответствующие верхним пределам указанного интервала ( 8п.д.=10-15%) являются оптимальными с позиций повышения долговечности методами холодного пластического деформирования растяжением. Увеличение степени пластической деформации выше указанного интервала снижает долговечности Ы, Ы1, и . В последнем случае усталостная трещина возникает на ранних стадиях циклического деформирования и длительность распространения ее по сечению образца составляет порядка 60 % его долговечности. Следует отметить, что превалирование длительности стадии распространения усталостной трещины в предварительно деформированных образцах связано с наличием в их структуре дефектов дислокационного характера, таких как границы субзерен, плотность дислокаций, полосы скольжения, внесенные пластической деформацией растяжение.
Выводы
1. Установлены закономерности изменения стандартных механических характеристик (прочностных и пластических) и показателя деформационного упрочнения от степени предварительного пластического деформирования растяжением 8пд .
2. Построены кривые усталости на базе испытаний N = 107 циклов, на основании которых выявлено неоднозначное изменение предела усталости а_х и показателя интенсивности
накопления циклических повреждений р. Зависимости изменения а_х и р в функции 8пд соответствуют трем характерным участкам, на каждом из которых поведение а_х и р определяется структурным состоянием предварительно деформированных образцов.
3. Установлены закономерности изменения длительности периодов усталостного разрушения (циклического деформирования до момента раскрытия и распространения усталостной трещины Ы1 и с момента раскрытия усталостной трещины до полного ее распространения по сечению образца NTP) в зависимости от степени предварительной пластической деформации растяжением 8п.д.. Показано, что долговечность предварительно деформированных образцов при 8п.д. > 5% в большей степени определяется длительностью стадии распространения усталостной трещины . Продолжительность стадии распространения усталостной трещины растет с увеличением степени предварительной деформации и при 8пд = 18% и составляет порядка 60% от полной долговечности образца N.
Библиографический список
1. Пачурин, Г.В. Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в различных условиях нагружения / Г.В. Пачурин, А.Н.Гущин. - Н. Новгород.: НГТУ, 2005. - 138 с.
2. Пачурин, Г.В. Теоретические основы повышения эксплуатационной долговечности штампованных металлоизделий / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин; НГТУ. - Н. Новгород, 2006. - 173 с.
3. Терентьев, В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов / В. Ф. Терентьев. - М.: Наука, 2002. - 287 с.
Дата поступления в редакцию 09.12.2013
A.N. Guschin1 , Y.B. Gusev2 , S.V. Sozinov3
BEHAVIOR OF LOW CARBON STEEL PREVIOUSLY DEFORMED UNDER STATIC
AND CYCLIC LOADING
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev1,
JSC «GAZ»2, Volga state academy of water transport
Purpose: To establish patterns of change in mechanical properties under static loading and fatigue fracture parameters on the rate of preliminary plastic deformation by stretching. Metodology: Experimental and analytical research methods are used.
Results: The patterns of changes in the mechanical characteristics under static loading and fatigue fracture parameters on the rate of pre-tensile strain have been installed.
Key words: deformation, fatigue, cyclic damage, strength , plasticity , periods of destruction, hardening.
