Влияние структурной анизотропии на усталостную поврежденность и разрушение сталей 09Г2С и 10Г2ФБЮ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ АНИЗОТРОПИИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ СТАЛЕЙ 09Г2С И 10Г2ФБЮ

© С.В. Ануфриев, В.С. Дронов

Тульский государственный университет, г. Тула, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: структура; неоднородность; слоистость; усталость; пластическая деформация; трещина. Деформационно-термическое упрочнение низколегированных сталей при прокатке может формировать слоистые структуры. Предложены структурные параметры и показаны особенности развития циклических пластических зон, характера и кинетики распространения трещин и долговечности для различных сталей.

При выборе материалов исследования основывались на принципах широкой области применения, состава, отвечающего требованиям технологии контролируемой прокатки, перспективности использования в этом состоянии. Для исследования были выбраны стали 09Г2С и 10Г2ФБЮ с различным легированием, обеспечивающим широкий диапазон структурных состояний и механических свойств в зависимости от режимов получения проката [1, 2]. В табл. 1 приведены механические свойства исследованных сталей.

Структурно неоднородные ферритно-перлитные стали в процессе деформационного и термического циклов прокатки изменяют характер и вид структурной неоднородности, приобретая слоистую анизотропную естественную композицию, состоящую из чередующихся мягких ферритных tф и жестких перлитных

прослоек tп. Очевидно, что свойства такой компози-

ции зависят от соотношения размеров прослоек, степени пластической деформации зерен в прослойках, исходного размера зерна, вида термического цикла и ориентации относительно направления прокатки. Наибольший интерес для этого типа структур сталей представляют механические свойства, которые отражают длительный период развития повреждений и разрушения посредством распространения трещин.

С целью сравнения и обобщения данных исследования усталости низколегированных сталей контролируемой прокатки в качестве параметров структуры принимали коэффициенты жесткости слоистой структуры Са = tпДф и зеренной неравноосности феррит-

ного деформированного зерна К а = ё т;п/ ё тах , вычисленных по средним вероятностным значениям размеров прослоек и зерна (см. табл. 2).

Таблица 1

Характеристики механических свойств сталей

Марка стали с0 2 , МПа сВ, МПа 5 5, % V, %

09Г2С 330 580 32 56

10Г2ФБЮ 530 610 26 51

Таблица 2

Структурные параметры слоистости в сечении нормальном к плоскости проката

Структурный параметр

Марка стали d зерн. исх., мкм t ф , мкм tп, мкм С а K а

09Г2С 18 17 3,5 0,21 0,71

10Г2ФБЮ 9 25 4,6 0,18 0,59

Развитие циклических пластических деформаций наблюдали при максимальных напряжениях цикла 0,8; 0,6 и 0,5 от условного предела текучести исследуемых сталей на поверхности плоских образцов сечением 7,5x40 мм для усталостных испытаний с двухсторонними надрезами, образующими область локализации циклической пластической деформации. Образование и развитие пластических макрозон на поверхности происходит по двум формам (рис. 1) в виде «бабочки» (рис. 1, а) или в виде «тюльпана» (рис. 1, б) в зависимости от жесткости слоистой структуры. В стали 09Г2С с более жесткой структурой (Са = 0,21), чем

сталь 10Г2ФБЮ (Са = 0,18), макрозона образуется

перед вершиной трещины с периодическим интервалом при подрастании трещины. В стали 10Г2ФБЮ макрозона монотонно трансформируется по мере продвижения трещины за счет роста и появления новых полос деформации. Такие формы наблюдались для всех уровней циклических напряжений в диапазоне циклов нагружения на стадиях образования и роста трещин.

Поврежденность внутри пластических зон исследовали измерениями микротвердости ферритных зерен грузами 10 и 20 г в направлении нормально берегам трещины и перед ее вершиной. В стали 09Г2С отмечены две характерные области изменения микротвердости по сравнению с исходным значением: возрастание на 11 % в макрозоне и снижение до 9 % в малой окрестности трещины. Для стали 10Г2ФБЮ характерно возрастание в макрозоне в виде отдельных всплесков и в среднем составляет 6 %, а снижение у берегов трещины достигает 16 %, что отмечено более высокими показателями степени неравноосности ферритных зерен (см. табл. 2) и исходного значения микротвердости, как исходно упрочненной пластическим деформированием стали. Граница в изменении микротвердости между возрастанием и снижением может служить оценкой размера микрозоны у берегов трещины.

По характеру изменения микротвердости возрастание связано с процессами деформационного упрочнения в слабодеформированной макрозоне, а снижение с разупрочнением в микрозоне. Максимум этого снижения в обеих сталях отмечен в вершине надреза - области образования магистральной трещины. Вероятно, что в окрестности геометрического концентратора напряжений степень локализации пластических деформаций меньше, а область повреждений больше, чем перед вершиной магистральной трещины, следовательно, процесс субструктурного разупрочнения, образования микротрещин и магистральной трещины имеет большую длительность циклического воздействия.

Наличие областей ветвления и трещин, не получивших развития, характерно для области магистральных трещин в пределах до 1 мм от вершины надреза (рис. 2), что подтверждает предположение о высокой степени поврежденности области у вершины надреза. Показаны возможности расслоения и распространения трещин по границам между ферритными и перлитными слоями. В стали с меньшей жесткостью слоистой структуры и большей толщиной ферритных прослоек наблюдается сглаживание трещины без дальнейших расщеплений на глубине от 1,5 мм, что говорит об однородности локального нагружения в композите и подтверждается расширенной деформированной областью.

б

Рис. 1. Формы пластических зон при Стах = 0,8 С0 2 , К = 0,3:

а - сталь 09Г2С; N = 7-104; б - сталь 10Г2ФБЮ, N = 1,4-104 циклов

б

Рис. 2. Фрагменты распространения магистральных трещин в сечениях по толщине листа нормально плоскости трещин при С = 0,6 С0 2 , К = 0,3: а - сталь 09Г2С; б - сталь 10Г2ФБЮ

ЛИТЕРАТУРА

1. Эфрон Л.И. Формирование структуры и механические свойства конструкционных сталей при термомеханической обработке в потоке прокатного стана // Металловед. и терм. обр. мет. 1995. № 8. С. 57-64.

2. Матросов Ю.И. и др. Влияние контролируемой прокатки на механические свойства, структуру и характер разрушения стали 09Г2С // Металлы. 1980. № 5. С. 99-104.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Anufriev S.V., Dronov V.S. Influence of structural anisotropy on fatigue damageability and destruction of 09r2C and 10r20Ero steels.

Strain-thermal hardening lowalloyed steels at a rolling process can form foliation structures. Structural parameters are offered and features of development of cyclic yielded regions, character and kinetics of crack proliferation and durability are shown for various steels.

Key words: structure; irregularity; foliation; fatigue; plastic deformation; crack.