CC BY
66
УДК 620.178.7
B.С. Дронов д-р техн. наук, доц., (4872) 33-22-88, dronov.vs@gmail.com (Россия, г. Тула, ТулГУ),
Е.Ю. Кондаурова, канд. тех. наук, (4872) 35-05-81 (ТулГУ),
C.В. Ануфриев, асп., (4872) 33-22-88, anufriev.sv@gmail.com (ТулГУ)
СТРУКТУРНАЯ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ В ПЛАСТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ФЕРРИТНО-ПЕРЛИТНЫХ И АУСТЕНИТНО-МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ УСТАЛОСТИ
Проведен анализ особенностей развития пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали Ст3 и коррозионно-стойкой азотосодержащей стали 08Х14АН4МДБ в условиях переменных нагрузок намикро- и макроуровнях. Полученные в работе данные отражают эволюцию повреждений гетерогенных структур в процессе деформирования сталейрашичных структурных классов.
Ключевые слова: усталость, структура, неоднородность, поврежденность.
Современное развитие науки о материалах и приборной базы исследований позволяет реализовать одну из важнейших проблем, связанную с установлением взаимосвязи между макрохарактеристиками деформации и разрушения с микропараметрами структуры: и ее реакцией на условия нагружения [1]. Для установления такой взаимосвязи в условия циклических нагружений требуются дальнейшие детальные исследования развития зон локализации пластических деформаций в однофазных, многофазных и гетерофазных системах, обладающих различными показателями структурной неоднородности и, как следствие, различными механизмами накопления повреждений и развитием разрушения. Установление таких закономерностей создает возможности для управления процессом разрушения и направленной разработкой новых материалов и технологий и требует дальнейших ис следов аний.
С учетом этих положений в настоящей работе рассмотрено формирование усталостных повреждений в двух контрастных по показателям гетерогенности структурах - ферритно-перлитной и аустенитно-мартенситной и показано влияние структурных состояний на механизмы: развития поврежденности в зависимости от напряженньк состояний у концентраторов напряжений. В качестве объектов исследований выбраны: стаи Ст3сп5 и 08Х14АН4МДБ [2].
Сталь Ст3сп5 (листовой прокат) имела средний размер зерна 29 мкм, с характеристиками механических свойств аТ = 265 МПа,
аВ = 410 МПа, 5 = 29 %, ^ = 58 %, твердостью 155 НУ. Структуру стаи
составляет композиция, матрица которой представлена зернами феррита с
объемным содержанием 76% и микротвердостью 113 НУ, включающей зерна перлита с объемным содержанием 24 % и микротвердостью 158 НУ.
Сталь 08Х14АН4МДБ имела после закалки (от 1050 °С, вода) и отпуска (при 500 °С, 2 ч) средний размер зерна 20 мкм, характеристики механических свойств а02= 1290 МПа, аВ = 1585 МПа, 5 =21 %, у = 64 %,
твердость 497 НУ. Матрицу этой структуры: составляет пакетированный высокодислоцированный а-мартенсит (количество а-фазы: 82 %) с микротвердостью 332 НУ. Остаточный аустениг (количество у-фазы: 16 %) размещается по границам а-кристаллов внутри пакетов, на стыкх пакетов и отдельных областей у границ бывших границ аустенигных зерен. Микротвердость аустенита 180 НУ. В пределах мартенсигньк кристаллов и по их границам имеются дисперсные выделения карбонитридных частиц игольчатой формы:, наиболее крупные из которых имеют длину 70 нм и толщину 15 нм.
Усталостные испытания стаи Ст3 выполняли на плоских образцах поперечным брутто-сечением 40 х 8 мм с двумя симметричными боковы:-ми У-образными надрезами глубиной ? =10 мм и радиусом в вершине надреза р = 0,5 мм (а 0 =5,73) в условиях осевого растяжени с коэффициентом асимметрии цикла Я = 0,3 и частотой нагружения /=3,3 Гц. В развитие ранее выполненной работы: [3] исследовали распределение продольных и поперечных деформаций и изменение микротвердости в пластической зоне пи различной относительной долговечности до разруше-ни.
При циклических нагружених асимметричными циклами с растягивающим средним напряжением цикла возрастает роль квазистатической составляющей, вызывающей направленное развитие циклических пластических деформаций, что отмечено ростом размеров пластической зоны: по экспоненциальной зависимости до насыщения
N
НР1 =ирг ~АеП ,
где ^Р1- текущая полуширина пластической макрозоны; ^тах- наибольшее ее значение для данного уровня нагружения и асимметрии цикла; А ип - константы, определяемые из эксперимента; N - текущее число циклов.
Одновременно с развитием продольной деформации в условиях, близких к плосконапряженному состоянию, наблюдали поперечную утяжку в пределах пластической зоны. Замеры поперечных деформации ^ по толщине обраца ґ после определенного числа циклов осуществляли вдоль оси нагружения с последовательными смещениями от вершины надреза до середины обраца с шагом от 0,5 до 2 мм. Среднюю относительную поперечную деформацию представляли в виде є 2 = ДґД. По полученным заме-
рам строили изолинии равных поперечных деформаций на участке образца, ограниченном макрозоной пластических деформаций на его поверхности 2 НР1. На рис. 1 представлены изолинии для относительной долговечности /Ыр= 0,02 и 0,35 соответственно = 10000 циклов (рис. 1, а) и N = 180000 циклов (рис. 1, б). В данном диапазоне числа циклов максимальное значение утяжки у вершины надреза изменяется от 1,6 до 8,1 %. При этом наибольший градиент поперечной деформации имеет место несколько выше вершины надреза с примерной ориентацией от 45 до 60° относительно оси надрезов.
X, ММ X, мм
а б
Рис. 1. Линии равных поперечных деформаций у надрезов и профили
утяжки поперечного сечения по линии между надрезами: сталь Ст3, Я = 0,3; отах = 140МПа; 10000 циклов (а)
и 180000 циклов (б)
Начина с 10000 циклов, внутри макрозоны перед вершиной надреза начинает формироваться втора с иль но деформированная микрозона 2Нр2 (рис. 1, б), в которой образуется усталостная трещина. С ростом числа циклов происходит увеличение степени деформации в микрозоне и продвижение ее фронта с последовательным приростом длины трещины.
Кроме структурных повреждений на поверхности, связанных с развитием деформации Чернова - Людерса, микрополос скольжения в феррите и продвижении трещины в структуре стаи [3], в настоящей работе вы-
201
полнены оценка степени упрочнения в микрозоне и определены размеры зоны упрочнения. Для этой цели на вырезанном фрагменте образца, включающем часть надреза и микрозону, выравнивали поверхность, подготавливали шлиф и протравливаи. На подготовленной поверхности проводили замеры микротвердости перпендикулярно берегам трещины в обе стороны (на рис. 2, а, б графики сопоставлены с изолиниями) и перед фронтом трещины (рис. 2, в). Частота повторения уколов инденгора составляла примерно три рамера зерна.
Прирост микротвердости по сравнению с исходными ее значениями принимаи связанным с равитием процессов деформационного упрочнения, предшествующих продвижению трещины и подготавливающих ее скачек, т. е. процессов в локаьной области микрозоны. В результате продвижения трещины по ее берегам остается упрочненная область - микрозона.
Рис. 2. Микротвердость зоны НР2 у берегов трещины: а - 0,5 мм, б -1,5 мм от вершины надреза, в - перед вершиной трещины; Ст3, Я = 0,3; отах = 140 МПа, N = 180000 циклов
По результатам замеров микротвердости отмечен негомогенный характер упрочнения в микрозоне, обусловленный структурной неоднородностью сплава, взаимным расположением зерен, их границами и другими факторами [4]. Наиболее высокие значения микротвердости до 200 НУ отмечены вблизи трещины на расстоянии до 1.. .1,3 мм с после дующим снижением до величин 150. 160 НУ - несколько ниже среднего значения микротвердости в макрозоне равной 166 НУ. По этому значению определяли границу микрозоны. По замерам установлен рамер упрочненной пластической микрозоны у берегов трещины НР2 = 2,8 мм и перед вершиной трещины Гр = 0,8 мм.
Усталостные испытания стали 08Х14АН4МДБ проводили на цилиндрических обрацах с гатью У-обраными надрезами глубиной ґ = 1,15 мм и радиусом в вершине надреза р = 0,1 мм (аа =5,82) в условиях консольного изгиба с вращением при частоте нагружения 100 Гц. В диапазоне долговечности до рарушения от 10 до >10 циклов наблюдали образование пластической зоны и структурные повреждения у надрезов и перед фронтом трещины на раных этапах ее равития [5]. Для этой цели образец, разрушенный по первому наиболее нагруженному сечению, электроискровым методом рарезали по продольному сечению и подготавливали шлиф, на котором для остальных надрезов с меньшими уровнями амплитудных напряжений изучали структуру пластической зоні на оптическом микроскопе (рис. 3). Кроме того, измеряли микротвердость структурных составляющих материла и по данным этих измерений оценивали ширину зоні пластической деформации. Размер пластической зоны по берегам усталостной трещины оценивали и по зоне структурных превращений, происходящих в результате локального фаового превращения (рис. 3, а). Часть обрацов для выявления пластической зоны после испытаний подвергли рекристаллизационному отжиу при температуре 1100 0С в течение часа, что позволяло выявлять границы зоні в результате преимущественного роста размера зерен в области пластической деформации (рис. 3, б).
Рис. 3. Зона структурных превращений вблизи трещины (а), рекристаллизованная область в вершине надреза (б) после усталостных испытаний при амплитуде напряжения 450 МПа
В условия реализации плоскодеформированного стесненного состояния в отмеченных усталостных испытаниях стаи 08Х14АН4МДБ выявлена только одна пластическая сильнодеформированная микрозона, об-
разующаяся первоначально у надреза, в которой возникают и развиваются первоначальные трещины. С образованием магистрльной трещины така же микрозона образуется перед фронтом растущей трещины.
В диапазоне амплитудных напряжений от 500 до 300 МПа (рис. 4) создаются условия, которые при данных размере пластической зоны и величине деформации, а также упругом потенциале вокруг пластической зоны, приводят к структурным аккомодационным перестройкам внутри микрозоны с у —— а превращением остаточного аустенита и образованием
реечного мартенсита деформации. Колонии реек в области трещины ориентируются вдоль направления главного растягивающего напряжения (на фотографии рис. 3, а выделютея на фоне остальной структуры).
Размер пластической зоны, мкм д/ цИКЛОВ
а 6
Рис. 4. Глубина пластических зон в вершине надреза (а) и кривая усталости (б) от номинальных амплитуд напряжений: 1 - расчетные значения по критерию Мизеса при статическом нагружении; 2 - после
усталостных испытаний
Изменение размера зоны пластичности от уровней амплитуд номинальных напряжений, определяемого по результатам конечно элементного расчета по критерию Мизеса при статическом нагружении (рис. 4, а, крива 1) сравнивали со значениями, определенными после усталостных испытаний по метод измерения микротвердости (рис. 4, б крива 2). Крива 1 рлделяет две области напряжений на кривой устлости (рис. 4, б), рлде-
ленных напряжением нижнего перелома кривой устлости аПК: область упругих деформаций (при а < 200 МПа) и область упругопластических
деформаций с ограниченной пластической зоной перед вершиной надреза (при а > 200 МПа).
Крива 2 характеризует прирост рам ер а циклических пластических зон по сравнению с их исходными статическими значениями из области низких амплитуд напряжений к более высоким с увеличением интенсивно-
сти, отмеченных напряжением аПс в области верхнего перелома кривой устлости. На графике (рис. 4, а) отмечены значения рлмеров пластических зон на кривых 1 и 2., отвечающих такой смене.
В соответствии с масштабом циклических пластических деформаций и структурных перестроек изменяется механизм развития трещин от продвижения посредством пересечения мартенсетных реек при высоких
амплитудах напряжений а > аПК к механизму рлветия трещин по суб-
„ _В Н
структурным границам при амплитудах напряжений оПК > а > а. При амплитудах напряжений на уровне предела устлости и долговечности более 108 зона зарождения трещин меняется от поверхностного к подповерхностному механизму р л рушения по двум формам: с лини ем микропор на субграницах и с обрлованием микропластических деформаций у дисперсных включений и декогезии связей включения - мартенситна матрица.
Таким обрлом, в млоуглеродистых ферретно-перлитных стаях матрицу композиции составляет ансамбль ферретных зерен, отличающихся высокой пластичностью и низким уровнем прочности. Основные процессы накопления повреждений на стадия циклической текучести и упрочнения происходят в а-ф ле при низких напряжениях (а0 2 =265 МПа). Повышению прочностных свойств этих сталей способствуют измельчение размера и увеличение количества упрочняющей флы - цементита, входящей в композицию в виде зерен перлита. Однако, для перлита характерно растрескивание цементетных пластин, что вызывает снижение числа циклов на стадии живучести с трещиной.
В аустенетно-мартенсетных сталях мартенсит, являющийся твердой матричной основой сплава, обеспечивает прочностные свойства стаи (а02 «1300 МПа). Умеренно мягкие прослойки и отдельные области ау-стенита способствуют релаксации напряжений и торможению трещин, чго приодет к снижению чувствительности сталей к концентрации напряжений. Фазовые превращения в пластических зонах с образованием ориентированного низкоуглеродистого мартенсита деформации являются сдерживающим фактором. В комплексе это обеспечивает высокую долговечность.
Список литературы
1. Ботвина Л.Р. Рлрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности; отв. ред. И.И. Новиков. М. : Наука, 2008. 334 с.
2. Влияние термической обработки на структуру и свойства азотосодержащей аустенитно-мартенситной стаи 08Х14АН4МДБ. В.М. Блинов [и др.] // Металлы. 2004. № 6. С. 73-84.
3. ДроновВ.С., Селиверстов Г.В. Кинетика рлвития усталостной повреждаемости в малоуглеродистой стаи // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемнотранспортные машины и оборудование. Вып. 7. Тула. 2006. С. 207-212.
4. Гурьев А.В., Митин В.Я. Особенности развития локаьных мик-ронеоднородных деформаций и накопления усталостных повреждений в углеродистых стаях// Проблемы прочности. 1978. №11. С. 19-23.
5. Кинетика рлвития маых усталостных трещин в стали при циклическом нагружении. В.С. Дронов [и др.] // Металлы. 2006. № 5. С. 112-122.
V. Dronov, E. Kondaurova, S. Anufriev
Structural damageability in yielded regions of ferrite-pearlite and austenite-martensite steels during fatigueing
Features of progress of plastic strain and damage of low-carbon steel Ст3 and corrosion-resisting nitrogenated steel 08Х14АН4МДБ during cyclic loading at micro- and macrolevel is researched. Findings reflect progress of damages of heterogeneous structures during straining of various structural categories of steel.
Получено 07.04.09
УДК 621.879
О.Ю. Клашников, канд. техн. наук,
(Украина, Краматорск, ЗАО «НКМЗ»),
Т.Р. Бондаренко, асп., (0626) 41-47-45, betyaros@mail.ru (Украина, Краматорск, ДГМА),
И.В. Крупко, асп., (Украина, Краматорск, ДГМА)
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ МОЩНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Рассматривается проблема оценки технического уровня механизмов передвижения мощных экскаваторов.
Ключевые слова: экскаватоо, качество, ходовой механизм.
Основными средствами механизации при рлработке месторождений полезных ископаемых открытым способом являются экскаваторы, от эффективности работы которых во многом зависит производительность горных комплексов и предприятий.
Анлиз ходовых устройств экскаваторов поклл, что в качестве ходовых механизмов в основном используют гусеничные или шагающие механизмы передвижения (рис. 1), которые в значительной мере отличаются как конструктивными, так и силовыми параметрами.
