Влияние контролируемой прокатки на циклическую трещиностойкость низкоуглеродистой стали

Страница 2

Измерение длины трещины проводили с помощью оптического микроскопа с увеличением х10 непосредственно а процессе испытаний используя стробоскопическое освещение. Точность измерения составляла нагружения R=0,1. Определение порогового коэффициента интенсивности напряжений DКth проводили методом ступенчатого понижения нагрузки на 10-13% на начальном этапе испытания, а в припороговой области на 5%. За значение DКth принимали такое значение DК, при котором скорость роста усталостной трещины была порядка 10 -9 м/цикл.

Определение скорости роста усталостной трещины осуществляли с помощью интерполяционного кубического сплайна. Погрешность определения приращения трещины составляла не более 5% и, следовательно, по работе(7) ошибка вычисления скорости роста трещины не превышала 5%. Для построения кинетической диаграммы усталостного разрушения размах коэффициента интенсивности напряжений вычисляли по формуле(5):

где DF- размах приложенной нагрузки, В- расстояние от оси приложения силы до края образца, l- отношение длины трещины, отмеренной от оси приложения силы, к В, t- толщина образца, Y- поправочная функция, учитывающая геометрию и размеры образца. Y- вычисляется по формуле(5):

Скорость роста малых трещин определяли с помощью метода секущих, вследствие малого количества экспериментальных значений длины трещины. Лунки в образцах получали электроискровым способом. Перед проведением эксперимента образца электрохимически полировались до получения зеркальной поверхности. Для обнаружения трещины и измерения ее длины в процессе нагружения образцы снимались с испытательной установки через каждые 15000 циклов и поверхность лунки исследовалась на оптическом микроскопе Neophot 2 с увеличением 500.

В настоящее время для изучения поведения трещин инструментом является линейная механика разрушения. Но для малых трещин такой подход не применим потому, что размер пластической зоны у вершины малой трещины сравним с размером самой трещины. Возможным альтернативным подходом является использование t- интеграла(8,9). Определение t- интеграла для описания роста малых трещин очень трудоемко, вследствие чего к настоящему времени существует очень мало методик его определения. Одним из наиболее удачных, по-видимому, можно считать выражение Dowting (5), оценивающего размах t- интеграла Dt- из зависимости

Dt = 3,2 DWC a+5 DWP a

где DWC = Dd 2/2E, а

Dd - размах напряжений; De- размах продольной пластической деформации, а– глубина трещины, Е- модуль упругости, S- коэффициент из формулы, описывающей зависимость d - e при статическом нагружении образца с трещиной:

ea и da полная деформация и напряжение соответственно, А и S константы материала. Этот подход применим для трещин, перпендикулярных оси нагружения и Dt- должен вычислять только для той части цикла, на которой трещина является открытой.

За счет большого деформационного упрочнения стали 3 при небольших длинах трещин пластической деформации в районе предела усталости практически не наблюдается и, поэтому, пластической составляющей в выражении для Dt- пренебрегали. Многие исследователи(10,11) считают, что фронт малой трещины представляет собой полуокружность и, следовательно, глубину трещины можно определить как ее полудлину на поверхности. Таким образом, выражение для Dt- можно написать следующим образом:

где C- длина трещины на поверхности.

Результаты исследования.

Структура. Структура стали 3 после контролируемой прокатки приведена на рис. 4, а стали 09Г2С на рис. 5. Для режимов 0,2 и 8 структура состояла из феррита и перлита. Для режима 0 объемная доля феррита больше, чем перлита и примерно половина зерен феррита окружена перлитом. Соседний размер зерна феррита Dсред составлял 11 мкм. Для режима 2 стали 3 характерны большие зерна перлита, окруженные мелкими зернами феррита с Dсред=4 мкм. В стали 09Г2С этот режим приводит к образованию больших зерен феррита с Dсред=25 мкм и очень небольшого количества перлита. Режим 3 приводит к образованию больших бейнито-мартенситных зерен с содержанием мартенсита 8%, окруженных цепочками зерен феррита. При режиме 8 образуется мелкие зерна феррита с Dсред=6 мкм и незначительное количество перлита. Но при этом режиме появляется строчечность, а перлит организуется в небольшие колонии.

Механические свойства. Механические свойства стали 3 и 09Г2С приведены в таблице 2. Наиболее высокой прочностью обладает сталь, обработанная по режиму 3 (бейнитно-мартенситная структура). Но в то же время она обладает и самой низкой пластичностью и ударной вязкостью, хотя при температуре –40 и –70С этот показатель несколько выше среднего. Необходимо отметить, что ударная вязкость стали 3, обработанная по режиму 3 наименее подвержена относительному уменьшению с понижением температуры. Для стали 3 типа 3 наилучшей пластичностью обладает режим 8, но из-за наличия строчечности и неравномерного распределения перлита этот материал показывает наихудшие сопротивления распространению длинных усталостных трещин. Для стали 3 типа 4 основные тенденции влияния режимов прокатки на механические свойства сохраняются, хотя прочность и пластичность всех режимов кроме 3 находятся в близких пределах. Связь между структурными параметром Dсред и d0,2 после различных режимов прокатки соответствует закону Холла-Петча с коэффициентами d0=210 МПа и KY=455 МПа.

Циклическая прочность. Экспериментальные значения циклической прочности приведены на рис. 6. В области малоцикловой усталости наиболее высокими усталостными свойствами обладает сталь, обработанная по режиму 3 (также наиболее высокие механические свойства). Самым низким сопротивлением усталости обладает режим 2 и 0. Различия между сталью 09Г2С и сталью 3 обоих типов на базе »10 5 циклов нагружения практически не наблюдается. Видно, что режимы, контролируемой прокатки стали 3 оказывают на циклическую прочность практически такое же влияние, как и на предел текучести.

Циклическая трещиностойкость. Влияние различных режимов контролируемой прокатки на кинетические диаграммы усталостного разрушения стали 3 типа 3 показано на рис. 7. Сравнение диаграмм стали 09Г2С и стали 3 приведено на рис. 8. Основные характеристики циклической трещиностойкости приведены в таблице 3. Пороговый размах коэффициента интенсивности напряжений DКth нелинейно зависит от механических свойств. Минимальное значение DКth имеет сталь 3, обработанная по режиму 8, что вызвано неравномерностью структуры. Наиболее высокий уровень DКth имеет сталь 3 режим 3. Промежуточный уровень DКth у стали 09Г2С, имеющий большое ферритное зерно, вызван вероятно, повышенным уровнем закрытия трещины. Аналогичную нелинейную зависимость от d0,2 имеет и n- тангенс угла наклона зависимости lgDK - lgV. Интересна зависимость n от DКth (рис. 9). Можно предположить, что для этого типа сталей угол наклона n для каждого ниже 10 МПаÖм остается практически постоянным (примерно на уровень 4), а при более высоких DКth резко возрастает. Параметр n характеризует сопротивляемость материала распространению трещин, а DКth их зарождению. С учетом того, что практически все конструкции имеют конструктивные дефекты в виде зародышевых трещин, то с точки зрения циклической трещиностойкости наилучшими свойствами будет обладать материал, имеющий наиболее приемлемое сочетание между n и DКth. Предложено взаимосвязь между DКth и n выразить через их отношение: DКth/n. Этот параметр для исследуемых материалов приведен в таблице 4. Как будет показано дальше этот параметр имеет смысл с самого момента зарождения трещины на гладкой поверхности материала.