Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей

Испытания в гигацикловой области выполнены на образцах с надрезами стали 08Х14АН4МДБ (рис. 1, г) с целью проверки возможности зарождения подповерхностного разрушения на фазовых включениях в виде карбонитридов. Зоны зарождения трещин в макроизломе со сверхвысоким числом циклов 1,06•10 8 до разрушения имеют локальную форму в виде подповерхностных впадин и (рис. 14, а) и слияния микропор на субграницах (рис. 14, б). Для микроизлома характерно наличие большого количества локальных разрушений у дисперсных выделений размером от наибольших 1-4 мкм и более мелких. Крупные выделения имеют размеры примерно на порядок выше, чем характерные размеры карбонитридов для данного режима термообработки. В изломе обнаружены также и весьма крупные включения до 20мкм (рис. 14, в, г).

Из представленных фрактограмм следует так же, что начальная поврежденность в пределах темных очагов разрушения развивается вдоль реек мартенсита. По границам реек обнаруживаются поры размером, составляющим доли микрона, и микротрещины, раскрытие которых, вероятно, и приводит к формированию очага усталостного разрушения. Размер больших областей, в центре которых часто обнаруживаются включения, изменяется в интервале от 10 мкм до 100 мкм.

а

б

в

г

Рис. 14. Микрорельеф усталостного разрушения стали 08Х14АН4МДБ, испытанного при s--=150 МПа и долговечности более 108 циклов нагружения

Высокая концентрация напряжений у включений, о чем свидетельствует экстраполяция зависимостей коэффициента чувствительности (рис. 5) в область сверхвысокой долговечности, обуславливает образование у включений локальных зон с интенсивностью напряженного состояния, превышающего значения у надреза. При этом достаточно высокие показатели пластичности данного режима термообработки стали способствуют развитию пластических деформаций у включений, микроразрушению и разрыву когерентных связей включений и матрицы, что, по-видимому, объясняет образование больших областей разрушения у включений и их обособление.

Обобщенная кривая усталости

Выполненные исследования усталости в широком диапазоне амплитуд напряжений позволили установить для сталей различных структурных классов, что ограниченная долговечность для участков кривых усталости описываются различными зависимости, т.е. наблюдается разрыв монотонности усталостных кривых в форме перелома или смещения по долговечности участков кривых. На обобщенной кривой усталости (рис. 15, а) выделяются четыре участка, разделенные амплитудами критических номинальных напряжений, при которых происходит смена механизмов усталостного разрушения. Определяющими долговечность до разрушения являются механизмы зарождения трещин и их распространения, контролируемые пластическими зонами.

Предел усталости можно рассматривать как некоторое “критическое” напряжение, обуславливающее смену механизмов при переходе зарождения трещин от поверхностного при многоцикловой усталости к подповерхностному на включениях или субграницах зерен при гигацикловой, для которой стадия зарождения подповерхностных трещин имеет большую продолжительность и выражается разрывом в долговечности.

а

б в

Рис. 15. Схема обобщенной кривой усталости (а) и схемы механизмов многоцикловой усталости (б, в)

В области упругих напряжений многоцикловой усталости исходным является образование трещины в локальной пластической области структурного элемента. С ростом и преодолением микротрещиной структурных барьеров и достижению ею физически короткого размера и последующего роста определение пластической зоны описывается в терминах механики разрушения (рис. 15, б). Развитие магистральной трещины происходит от одного очага с эксцентричной зоной долома. Верхней границей упругой области многоцикловой усталости является амплитуда номинального напряжения , при которой выполняется условие достижения максимальным напряжением в вершине надреза предела текучести при статическом растяжении.

Образование пластической зоны по периметру надреза изменяет механизм зарождения усталостных трещин при переходе от номинально упругой области к переходной. Образовавшаяся пластическая зона у вершины надреза способствует выравниванию пиковых локальных напряжений, образованию большего количества очагов зарождения трещин, развивающихся независимо до момента их слияния в магистральную трещину и в результате увеличению числа циклов до разрушения. Прорастание малых трещин внутри макропластической зоны (рис. 15, в) осуществляется последовательными перемещениями вершины трещины и микрозоны через процессы упрочнения или разупрочнения в ней в зависимости от структурного состояния стали. Напряжение зависит от предела текучести и геометрии надреза, поэтому изменение этих параметров приводит к смещению напряжения нижнего перелома кривой усталости (на рис. 15, а показано стрелками).

Увеличение пластической зоны у надреза с возрастанием амплитуд номинальных напряжений в переходной зоне достигает критической величины при амплитудном напряжении (рис. 15, а), отвечающей переходу к малоцикловой усталости. Этот переход отмечен сменой механизмов разрушения, выявленных на сталях разных структурных классов. Для феррито-перлитных сталей, в основе которых мягкая матрица из зерен феррита, свойственно циклическое упрочнение и изменение наклона кривой в сторону увеличения долговечности (кривая 1). Для аустенито-мартенситных сталей, имеющих твердую матрицу, включающую прослойки и малые области аустенита, характерно разупрочнение и изменение наклона кривой в сторону снижения долговечности (кривая 2). Для сталей жестких структур - мартенсит отпуска изменение угла наклона кривой не обнаружено (кривая 3).

Повреждения усталостными трещинами и живучесть интенсивно нагруженных конструкций

Приведены результаты экспертных и расчетных заключений о разрушении элементов конструкций грузоподъемных кранов в случаях отсутствия достоверных данных о причине разрушения. Анализируя рельефы поверхностей разрушения, сведения о материалах и их структурных состояниях и, используя модели механики разрушения, получены: данные о характере, последовательности и продолжительности процессов разрушения; данные о разрушающих нагрузках, коэффициентах запаса и др.

В работе исследованы вопросы живучести и структурной поврежденостиподрельсовых балок, наиболее интенсивно нагруженных и повреждаемых элементов мостовых перегружателей, в зависимости от режима работы крана и нагруженности конструкций циклическими нагрузками. Основным диагностируемым дефектом конструкций являются усталостные трещины, возникающие в исходной конструкции и по выполненным ремонтам. Выявлены два основных типа трещин: поперечные трещины в опорной части стенки балки и трещины в продольных поясных сварных швах соединения стенки с верхним поясом балки. Микроскопическими наблюдениями структур области сварного соединения на поперечных шлифах, а также по фрактографиям поверхностей разрушения установлено, что зарождение трещин обоих видов происходит на дефектах сварных швов (непровар, макропоры, макровключения и подрезы на ремонтных швах).

Показано, что поперечные трещины в опорных частях балок, развивающиеся от поясных швов, могут изменять ориентацию в плоскости стенки в связи с изменением параметров напряженного состояния и влиянием остаточных сварочных напряжений (установки ребер жесткости и др.). Изменение направления трещин сопровождается изменением скорости роста и ситуацией у вершины трещины. Результаты замеров скорости роста трещины длиной 620 мм в стенке балки сечением 95015 мм перед выводом крана на ремонт сопоставляли с размерами пластических макрозон перед фронтом трещины, полученными методом фрактографии (рис. 16, а, б).

Усталостная трещина развивается последовательными скачками чередованием остановки фронта пластической зоной и последующими процессами разрушения в этой зоне и продвижения трещины. На данном этапе методами оптической микроскопии наблюдали ветвления трещины размером порядка 1-3 зерна, раскрытие трещины в ферритных зернах и хрупкие преодоления перемычек из перлитных зерен. Неоднородность структурного состояния обуславливает колебания размеров пластических зон, отмеченные данными, приведенными на рис. 16. Данные натурных наблюдений находятся в согласии с результатами, полученными на лабораторных образцах.

а

б

Рис. 16. Зависимость скорости роста трещины и размера макрозоны (а), соотношения размеров макрозон и длин трещин (б); сталь Ст3, значения приведенных параметров цикла = - 0,52 и = 110 МПа

Вторая группа усталостных трещин, развивающихся по поясным сварным швам балок, отличается высокой частотой появления и различием длин, обнаруживаемых при диагностировании. Исследования рельефа поверхности разрушения по сварным швам указывают на складчатый или террасный характер разрушения в виде отдельных трещин, развивающихся от очагов в пределах каждой складки. Рост трещины происходит последовательным объединением складок или террас размером от 3 до 15 мм, в результате чего образуются гребни или рубцы. В работе получены обобщающие кинетические зависимости роста трещин длиной от 30 до 1400 мм (рис. 17, а, б).

а

б

Рис. 17. Изменение длины (а) и скорости роста трещин (б) в поясных сварных швах балочных конструкциях; сталь Ст3, значения приведенных параметров цикла = - 0,47 и = 43 МПа

Установлены зависимости для длин l и скорости роста трещин dl/dN от числа циклов N

,

, (8)

где и - начальные длина и скорость рост трещины; - начальное число циклов.

Стабильное и устойчивое развитие трещин соответствует всему диапазону скорости роста и среднему “перисовскому” участку кинетической диаграммы усталостного разрушения. Таким образом, скорость роста трещин в поясных сварных соединениях определяется локальным разрушением у концентраторов напряжений на дефектах и объединением дискретных трещин по плоскости непровара. Подобный характер разрушений и закономерности роста трещин наблюдается в подрельсовых балках, выполненных из стали 09Г2С.

Заключение

Работа посвящена актуальной проблеме прикладного материаловедения - повышению ресурса работы стальных деталей машин и конструкций. Обоснованный выбор материалов и режимов термической обработки позволяет повысить эксплуатационную долговечность в широком диапазоне циклических нагрузок в стандартных и экстремальных условиях работы. Основой для решения таких задач явилось комплексное исследование влияния структурных состояний на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей, что составляет основную цель данной работы.

Основные выводы

1. Определены стадийность и влияние механизмов зарождения и развития усталостных трещин в структурно-неоднородных конструкционных сталях на их долговечность:

в аустенито-мартенситных сталях мартенсит, являющейся твердой матричной основой сплава, обеспечивает прочностные свойства стали (1300 МПа). Умереннномягкие прослойки и отдельные области аустенита способствуют релаксации напряжений и торможению трещин, что обеспечивает низкую чувствительность сталей к концентрации напряжений и высокую долговечность;

в феррито-перлитных сталях с мягкой матрицей, представленной ансамблем ферритных зерен, основные процессы накопления повреждений происходят при относительно низких напряжениях (=265 МПа). Упрочняющей составляющей этих сталей (перлиту) свойственно растрескивание на стадии распространения трещины. Это вызывает снижение числа циклов до зарождения трещин и живучести с трещиной.

умереннолегированные среднеуглеродистые стали со структурой низкоотпущенного мартенсита при высокой перегрузочной способности (до 4) обладают высокой чувствительностью к надрезу, поэтому их долговечность на стадиях зарождения трещин и распространения примерно на два порядка ниже аустенито-мартенситных сталей.

2. По изменению рельефа поверхности образцов низкопрочной феррито-перлитной стали при асимметричных циклах и плосконапряженном состоянии обнаружены два уровня пластической деформации: макроуровень, обусловленный развитием деформации Чернова-Людерса, и микроуровень, связанный с образованием и развитием полос скольжения в феррите. С развитием макрозоны наблюдается поперечная утяжка, распространяющаяся от вершины надреза, где формируется сильнодеформированная циклическая микрозона. Установлен сложный негомогенный характер упрочнения в этой зоне и размеры микрозоны. Зарожденная трещина растет последовательными скачками с чередованием сдвига и разрыва связей поврежденной микрозоны.

3. В пластической зоне высокопрочной аустенито-мартенситной стали при симметричных циклах, развитию трещины предшествуют аккомодационные фазовые перестройки с превращением. В зоне надреза и перед вершиной трещины образуется ориентированный в направлении максимального нормального напряжения мартенсит деформации. При малоцикловом нагружения и плосконапряженном состоянии фазовые перестройки в пластической зоне перед вершиной трещины являются основным процессом, определяющим разрушение поперек мартенситных реек. При многоцикловом разрушении процесс протекает в основном по субграницам и границам зерен.

4. Получены кинетические зависимости скорости роста трещин в областях 5·10-10…10-8 м/цикл. в аустенито-мартенситных и 10-8…10-4 м/цикл. в мартенситных высокопрочных сталях от амплитуд коэффициента интенсивности напряжений для нагружений. Определены показатели живучести высокопрочных сталей с трещиной в зоне многоцикловой усталости. Обнаружено образование малых усталостных трещин в области ниже нормированного предела выносливости для аустенито-мартенситных сталей и установлен размер максимальной неразвивающейся трещины на нормированной базе определения предела выносливости - 0,3 мм.

5. Сформулированы условия развития усталостного разрушения при сверхвысоком числе циклов для аустенито-мартенситной стали, которые осуществляется посредством слияния микроповреждений по субграницам мартенсита и образования областей разрушения у дисперсных выделений крупных карбонитридов. Предложена модель подповерхностного зарождение трещин, объясняющая разрушение на основе влияния локальности напряжений и декогезии границ дисперсных включений с матрицей.

6. Предложена обобщенная кривая усталости, на которой выделены критические напряжения, отвечающие сменам механизмов зарождения и развития трещин, определяемым в зависимости от масштаба циклической пластической деформации, структурного и напряженного состояний сталей (феррито-перлитных, мартенситных и аустенито-мартенситных);

7. Выполнено сравнение изменения характеристик статической прочности отпущенной стали 08Х14АН4МДБ и критических параметров усталостного разрушения: длины трещины и числа циклов до разрушения. Наибольшей усталостной долговечности отвечает температура отпуска 400 °С в то время как оптимальному соотношению характеристик статической прочности соответствует температура отпуска 500 °С. Для циклически нагруженных деталей общего машиностроения рекомендуется режим отпуска 400 °С.

8. Установлены корреляционные зависимости эффективного коэффициента и коэффициента чувствительности к концентрации напряжений для широкого диапазона ограниченной долговечности и пределов выносливости. Снижение чувствительности к концентрации напряжений с увеличением амплитуды напряжений зависит от процессов локализованного повреждения в зонах пластичности у вершины надреза и величин амплитуд напряжений.

9. Получены и обобщены данные о развитии структурной поврежденности в сталях различных химических составов и структурных состояний, осуществляемой через пластические зоны различными механизмами, проявления которых определены амплитудами напряжений. Это позволило сформулировать основные положения диагностирования технического состояния объектов допускающих эксплуатацию с трещинами на стадии живучести стальной конструкции с развивающейся усталостной трещиной.

10. Исследования нагруженности и напряженно-деформированных состояний элементов конструкций грузоподъемных кранов в сочетании с положениями механики разрушения и экспертизы зон структурных разрушений позволили выяснить причины и создать методику прогнозирования характера разрушения металлоконструкций в случаях отсутствия достоверных исходных данных. На этой основе получены данные о характере, последовательности и продолжительности процессов разрушения, а также оценки разрушающих нагрузок, коэффициентов запаса и ресурса работы.

11. Скорости роста усталостных трещин в конструкциях из сталей Ст3 и 09Г2С (2,3•…7•м/цикл.) находятся в пределах стабильного участка кинетической диаграммы усталостного разрушения, а живучесть балочных конструкций с усталостными трещинами характеризуется устойчивостью развития. Это позволило рекомендовать увеличение межремонтных сроков за счет допуска длин трещин в верхних поясных сварных швах подрельсовых балок до безопасных величин. Эффективность такого допуска по показателю живучести в условиях эксплуатации выше, чем при многократных повторных ремонтах, а среднее снижение трудозатрат на единицу техники составляет 28 %.

Основные публикации по теме диссертации

1. Харитонов Н.И., Никольский Н.Н., Дронов В.С. Исследование кинетики накопления микропластических деформаций при циклическом нагружении среднеуглеродистой стали // Проблемы прочности. 1972, № 9. С. 14 - 17.

2. Дронов В.С., Никольский Н.Н. О влиянии динамического деформационного старения на кинетику усталостного разрушения конструкционной стали // Вопросы металловедения и физики металлов. Тула: Изд-во ТПИ, вып. 2, 1974. С. 101- 105.

3. Андреев Л.С., Горбаневский В.Г., Дронов В.С. Долговечность хромованадиевой пружинной проволоки при кручении // Двигателестроение. 1981. № 10. С. 35 - 38.

4. Андреев Л.С., Белкин А.М., Дронов В.С. Исследование ограниченной долговечности высокопрочных конструкционных сталей // Проблемы прочности. 1982, № 6. С. 30 - 32.

5. Андреев Л.С., Дронов В.С., Белкин А.М., Гаврилов М.П. Исследование кинетики разрушения высокопрочной конструкционной стали 35ХН2МФА // Проблемы прочности. 1983, № 8. С. 38 - 40.

6. Дронов В.С. Об оценке остаточного ресурса металлоконструкций мостовых и козловых кранов по критерию усталостной повреждаемости. - В сб.: Расчет и конструирование подъемно-транспортных средств. Тула: ТулПИ, 1988. С. 87 - 92.

7. Дронов В.С. Использование аппарата механики разрушения для выявления причин аварии башенного крана // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 1 - Тула: Изд-во ТулГУ, 1997. С. 65 - 74.

8. Сальников В.Г., Стеценко П.И., Дронов В.С., Ануфриев В.И. Причины разрушения стрелоподъемного механизма башенного крана // Безопасность труда в промышленности. 1998, № 7. С.12 - 14.

9. Дронов В.С., Дубенский Г.Г., Троицкий И.В. Механика разрушения. Тула: Изд-во ТулГУ, 1999, 272 с.

10. Дронов В.С., Сальников В.Г. Структурная схема шарнирного узла козлового крана и его долговечность // Автоматизация и современные технологии. 2001, № 8. С. 8 - 11.

11. Сорокин П.А., Дронов В.С. , Селиверстов Г.В. Метод оценки остаточного ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 3 - Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. С. 164 - 166.

12. Чуканов А.Н., Дронов В.С., Дубенский Г.Г., Беляев В.В. - В сб.: Релаксационные свойства стали Ст. 3, отработавшей нормативный ресурс в металлоконструкциях грузоподъемных кранов // Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. С. 179.

13. Ануфриев В.И., Стеценко П.И., Дронов В.С., Сальников В.Г. Анализ условий работы элементов конструкций козлового крана КК-20-32 // Безопасность труда в промышленности. 2001, № 10. С.32 - 34.

14. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Контроль накопления усталостной повреждаемости по изменению оптических свойств поверхности металлов // Тяжелое машиностроение. 2003, № 8. С. 8 - 10.

15. Дронов В.С. Усталостная повреждаемость металлов малыми трещинами // Изв. ТулГУ. Серия Материаловедение. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 65 - 78.

16. Папинов А.В., Дронов В.С., Сальников В.Г. Расчетные параметры циклического нагружения подрельсовых балок мостовых перегружателей // Автоматизация и современные технологии. 2003, № 10. С. 4 - 8.

17. Дронов В.С. Методика исследования усталости и трещиностойкости металлов при испытании на изгиб с вращением // Изв. ТулГУ. Серия Материаловедение. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 223 - 229.

18. Сальников В.Г., Дронов В.С., Папинов А.В. Оценка долговечности подрельсовой балки мостового перегружателя // Автоматизация и современные технологии. 2004, № 4. С. 10 -12 .

19. Дронов В.С., Головин С.А. Ограниченная долговечность и трещиностойкость сталей высокой и средней прочности // Материаловедение. 2004, № 12. С. 41 - 47.

20. Дронов В.С. Сопротивление усталости сталей высокой и средней прочности // Изв. ТулГУ. Серия Материаловедение. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 165 - 177.

21. Дронов В.С. Влияние условий испытаний на форму и разрывы кривой усталости среднеуглеродистой конструкционной стали // Изв. ТулГУ. Серия Материаловедение. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 178 - 185.

22. Дронов В.С. Ограниченная долговечность и чувствительность к концентрации напряжений сталей высокой и средней прочности // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 228 - 235.

23. Папинов А.В., Дронов В.С. Кинетика роста трещин и разрушение в сварных конструкциях // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 235 - 243.

24. Дронов В.С., Головин С.А. Усталостная долговечность углеродистых и легированных сталей. / Прочность и разрушение материалов и конструкций. - М.: РАЕ, 2005. С. 98 - 101.

25. Дронов В.С., Ануфриев С.В., Романов А.А. Критические параметры усталостного разрушения высокопрочной аустенитно-мартенситной стали // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 6. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. С. 183 - 191.

26. Дронов В.С. Сопротивление усталостному разрушению высокопрочных сталей в широком диапазоне нагружений // Сб. научн. тр. XVI Петербургские чтения по проблемам прочности. Санкт-Петербург, 2006. СПб., 2006. С. 202-203.

27. Дронов В.С., Ботвина Л.Р., Блинов В.М. и др. Кинетика малых усталостных трещин в широком диапазоне циклов нагружения // Металлы. 2006, №.5. С. 112 - 122.

28. Дронов В.С., Головин С.А. Усталостные свойства проката из стали 08Х14АН4МДБ // Производство проката. 2006, № 11. С. 35 - 39.

29. Дронов В.С. , Селиверстов Г.В. Кинетика развития усталостной повреждаемости в малоуглеродистой стали // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 207 - 212.

30. Ануфриев С.В., Дронов В.С., Маркова Г.В. Влияние режимов термообработки на характеристики динамического разрушения стали 10Г2ФБЮ / Сб. “Deformation & Fracture of Materials - DFM 2006” - Москва: Intercontaсt Nauka, 2006, С. 341-343.

31. Ануфриев С.В., Дронов В.С. О повышении работоспособности металлоконструкций башенных кранов. // Тяжелое машиностроение. 2007, №1, С. 40-43.

32. Ануфриев В.И., Дронов В.С., Ануфриев С.В. Диагностирование усталостной поврежденности подрельсовых балок мостовых перегружателей // Тяжелое машиностроение. 2008, № 4. С. 37 - 38.

33. Дронов В.С. Структурная поврежденность пластических зон феррито-перлитных и аустенито-мартенситных сталей при циклических нагрузках // Сб. научн.тр. IV Евразийской научн.- практ. конф. ?Прочность неоднородных структур. ПРОСТ-2008? / М.: МИСиС. 2008.- С. 59-60.

34. Патент РФ № 2170923. Способ диагностики работоспособности металлоконструкций / Сорокин П.А., Селиверстов Г.В., Дронов В.С., Григорьев А.В. // ФИПС, 2001.

Список цитируемой литературы

1. Одинг И.А., Гуревич С.Е. Исследование чувствительности к надрезу некоторых сортов стали при циклических нагружениях // Вестник машиностроения. 1959, № 1. С. 30 - 35.

2. Механика разрушения и прочность металлов: Справочное пособие: В 4х т. /Под общей ред. Панасюка В.В. Т. 4.- Киев: Наук. думка. 1990.- 680 с.

Размещено на Allbest.ru