книги / Структура и усталостное разрушение металлов
..pdfратурой испытания длины стабильной трещины (или площади усталостной зоны). По данным В. Т. Трощен ко и В. В. Покровского, при понижении температуры ис пытания с +20 до —180° С площадь усталостной зоны излома стали 15Г2АФДпс уменьшается на порядок. На ми обнаружено, что в плоских образцах железа (сече нием 1X4 мм) длина усталостной трещины при темпе ратурах +20 и —196° С составляла 2,0 и 0,35 мм соот ветственно.
Усталость при повышенных температурах. Повыше ние температуры испытания воздействует на усталост ные свойства сталей. При этом циклическая прочность и долговечность сталей зависят от температуры испы тания не монотонным образом. Например, в низкоугле родистых сталях в интервале температур испытания 200—300° С наблюдается максимум циклической проч ности.
На рис. 53 представлено влияние температуры испы тания на предел усталости и долговечность при мало
цикловой усталости углеродистой |
стали |
СтЗ |
и SAE |
|||
111 |
(0,1% С) |
(по данным Коффина). |
Наблюдаются |
|||
два |
максимума |
долговечности |
(кривые 3 и 4) |
(число |
||
циклов до разрушения): при 150 |
и 350°С. За исключе |
|||||
нием температурного интервала |
20—150° С, ход кривых |
|||||
2, 3 и 4 качественно совпадает |
(температуры максиму |
мов и минимумов долговечности и значения предела ус талости), хотя в одном случае данные относятся к дол говечности при малоцикловой усталости (кривые 3 и 4),
Рис. 53. Зависимость преде ла усталости ош и долго
вечности Np при малоцик
ловой усталости от темпе ратуры испытания для об разцов [158]:1
1 — низкоуглеродистой ста ли 3 с концентратором на
пряжения; |
|
2 — из |
стали |
3 |
|
(образцы |
с |
упрочненным |
|||
концентратором |
|
напряже |
|||
ний); 3 — из |
стали |
SAE |
111 |
||
(закалка |
в |
воду); 4 — из |
|||
стали SAE |
111 |
после отжи |
|||
|
|
га |
|
|
|
а в другом (кривая 2) — к температурной зависимости предела усталости на базе 107 циклов нагружения. Ве роятно, качественное совпадение хода кривых не слу чайно, а связано с общностью протекающих процессов. Максимум предела усталости при 200° С, вероятно, свя зан с интенсивным протеканием в стали процесса дина мического деформационного старения [158].
При повышенных температурах в зависимости от со става, термообработки, а также температуры испытания протекают различные процессы изменения тонкой струк туры и (или) диффузионное перераспределение элемен тов, входящих в состав стали. Циклическое деформиро вание способствует процессу перераспределения дисло каций, выделению, растворению и коагуляции дисперс ных выделений. Совокупность этих процессов совместно с процессом динамического деформационного старения и обусловливают чрезвычайно сложный характер темпе ратурной зависимости циклической прочности и долго вечности сталей [159].
При высоких температурах испытания (Т/Тпл^?0,5,
где ТПл — температура плавления |
материала) |
интенси |
фицируется процесс зарождения |
усталостных |
трещин |
(пор) вдоль границ зерен. Зарождение пор обусловлено прежде всего стоком вакансий к границам зерен. В це лом поведение материала при этих температурах тесно связано с процессом ползучести. Рассмотрение механиз мов ползучести и вопросов взаимодействия ползучести и усталости не входит в задачу настоящей работы.
Многократное приложение нагрузки при повышен ных и особо высоких температурах ускоряет структур ные изменения в материалах. В частности, Хемпел, ис следуя поведение аустенитной стали 15 Cr-15Ni при испытании ее на усталость при 600 и 650° С, обнаружил при циклическом нагружении ускорение образования по границам зерен карбидов (Nb, Та) С; без нагрузки для образования карбидов подобного размера требуются очень длительные выдержки.
Интенсивные изменения структуры в аустенитной не ржавеющей стали 12Х18Н10Т при испытании на мало цикловую усталость происходят в интервале температур 450—650° С (рис. 54) [160]. При температуре испытания 650° С малоцикловое нагружение сопровождается выде лением карбидов Ме2зС6. В аналогичных условиях ис пытания при 450° С в стали отмечено выделение карби-
Рис. 54. Зависимость раз мера и плотности карбид ных частиц от времени до разрушения при различных режимах нагружения труб чатых образцов из стали 12Х18Н10Т [160]. Форма цик ла нагружения приведена
на рисунке:
а — плотность |
частиц |
(S); 120 |
|
|
б — изменение |
размера |
час- |
|
|
тиц г при 650° С |
90 |
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
30 |
103 |
10* |
|
|
|
tp , мин
Рис. 55. Кривые циклического деформирования сплава Incoloy 800 [161] при температурах 538, 649, 704 и 760° С со скоростями деформации 8 с Ч
/ — 4-10—®; 2 — 4*10 4
Рис. 56. Зависимость ширины петли гистерезиса от числа полуциклов нагружеиия для стали со структурой зернистого перлита (а) и с бейнитной структурой (б) [163]:
/, 4, 5, 9, 12 — нагружение растяжением — сжатием; |
2, 3, 6. 7, 8, 10. 11, |
13, 14— нагружение кручением |
|
лос скольжения. Присутствие у'-фазы после усталост ных испытаний обнаружено только при температурах 538 и 650° С.
Температура испытания оказывает существенное влияние на чувствительность циклической кривой а—е к скорости деформации. При температурах испытания 704 и 760° С с повышением скорости деформации от 4• 10-4 до 4*10~3с-1 напряжения насыщения сплава воз растают (рис. 55). В общем виде напряжения насыще ния Да при числе циклов, составляющих !/г от ожидае мой долговечности, связаны с интервалом пластической деформации соотношением Да=Л(Дер)'1, где А — коэф фициент циклической прочности, п — экспонента цикли ческого деформационного упрочнения. Величина п при температурах испытания 704 и 760° С практически оди накова и составляет 0,2 вне зависимости от скорости де формации.
При температурах испытания 539 и 650° С с повыше нием скорости деформации, во-первых, понижаются на пряжения насыщения (см. рис. 55) и, во-вторых, кривые циклического деформирования расщепляются на два участка с различными значениями п. Непостоянство зна чений п особенно заметно в случае испытания образцов при небольших значениях Дер (^0,4% ) и имеющих от носительно большую долговечность при 538° С. Авторы работы [161] считают, что столь необычное поведение сплава обусловлено не только тем, что при 538 и 650° С в структуре происходит выделение частиц у'-фазы, но и интенсивным протеканием динамического деформацион ного старения.
Влияние этих факторов применительно к закаленным сталям мы уже рассматривали в предыдущих разделах. По данным [162], динамическое деформационное ста рение в условиях растяжения при повышенных темпера турах наблюдается как в закаленных, так и в предвари тельно отпущенных сталях. Причем этот процесс разви вается уже в макроупругой области кривой растяжения сталей 20ХГ, ЗОХГСА, 40ХЗСМ, 26Х5СМФ при напря жениях а^О,7ао,2. Склонность сталей к динамическому деформационному старению при повышенных темпера турах зависит от содержания углерода в твердом раст воре, уровня приложенного напряжения, температуры испытания, скорости нагружения и продолжительности выдержки под напряжением [162], Особенно интенсив
Стали обусловлено вкладом нескольких механизмов уп рочнения, в том числе субструктурным и дисперсионным. С этой точки зрения, с повышением температуры цикли ческого деформирования возможно включение других механизмов циклического разупрочнения.
ФАЗОВАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ЦИКЛИЧЕСКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
О дним |
и з |
в и д ов |
ст р у к т у р н о й |
н естаби л ьн ости |
циклически д е ф о р |
|||||||||||||||||||||
мируем ы х м а т ер и а л о в |
я в л я ет ся |
|
ф а зо в а я |
н естабил ьн ость . |
Я вление |
||||||||||||||||||||||
ф азов ого |
|
п р ев р ащ ен и я , |
и н и ц и и р ован н ого |
пласти ческ ой |
д еф о р м а ц и |
||||||||||||||||||||||
ей, и звестн о |
д а в н о . П р и м ен и т ел ь н о к |
устал ости , |
о собен н о м н огоци к |
||||||||||||||||||||||||
ловой, |
|
эт о |
я вл ен и е |
и зу ч ен о |
м ал о . |
Т р уд н ость |
изучен ия |
ф азов ой |
|||||||||||||||||||
н естабил ьн ости |
при у ст а л о с т и |
с в я за н а |
с тем , что д л я м ногих |
м атер и а |
|||||||||||||||||||||||
лов |
ф а зо в о е п р ев р ащ ен и е |
огран и ч и в ается узк ой |
обл асть ю |
п ласти че |
|||||||||||||||||||||||
ской |
д еф о р м а ц и и |
у |
верш ины |
трещ ины . С л ед у ет |
разл ичать |
ф а зо в у ю |
|||||||||||||||||||||
н естабил ьн ость |
в |
п ол н ость ю |
или |
частично |
аустен и тн ы х |
стал я х |
и в |
||||||||||||||||||||
угл ер оди сты х |
н и зк ол еги р ов ан н ы х |
ст ал я х, |
|
в |
к оторы х |
остаточны й |
|||||||||||||||||||||
аустенит |
с о д е р ж и т с я |
в |
от д ел ь н ы х |
(н е испы тавш их |
ф а зо в о го п р евр а |
||||||||||||||||||||||
щ ения) |
о б ъ е м а х . А у ст ен и т н а я |
ф а за в эт и х |
|
м ат ер и ал ах |
н аходи т ся в |
||||||||||||||||||||||
различном |
ст р у к т у р н о м |
и н ап р я ж ен н ом |
состоя н и я х . |
Ф а зо в о е |
п ре |
||||||||||||||||||||||
вращ ение, |
п р о т ек а ю щ ее |
в |
у гл ер од и ст ы х |
ст ал я х, |
вы зы вает |
и нтенсив |
|||||||||||||||||||||
ный наклеп |
ауст ен и т н ы х о б ъ ем о в . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Аустенитные стали. В |
|
п о сл ед н ее |
врем я |
и н терес |
к |
ф азов ой |
н е |
|||||||||||||||||||
стаби льн ости |
в п р о ц есс е |
|
ц ик л и ч еск ого |
|
н агр уж ен и я |
м атер и ал ов |
|||||||||||||||||||||
возрос |
в св язи |
с р асш и р ен и ем |
практи ки п рим енения |
аустен итн ы х ст а |
|||||||||||||||||||||||
лей. В |
|
эт и х |
с т а л я х м ар т ен си тн ое |
п р евр ащ ен и е и нициируется |
в |
т ем |
|||||||||||||||||||||
п ературн ом |
и н т ер в ал е от |
М ш д о |
М д, г д е М а тем п ер атур а |
сам оп р о |
|||||||||||||||||||||||
извольного |
п р ев р ащ ен и я |
и |
Мд — м ак си м ал ьная |
тем п ер атур а, |
при |
||||||||||||||||||||||
которой |
ст ат и ч еск ое |
р а с т я ж е н и е |
|
в состоя н и и |
вы звать |
п ревращ ен и е |
|||||||||||||||||||||
аустен ита |
|
в |
м ар т ен си т . |
К ол и ч еств о м ар тен си та, |
об р а зу ю щ его ся |
при |
|||||||||||||||||||||
циклической |
д е ф о р м а ц и и |
а уст ен и т а, |
зав и си т |
от |
числа |
циклов |
н а |
||||||||||||||||||||
груж ен и я |
|
и |
ам п л и туд ы |
н а п р я ж е н и я |
[164, |
1 6 5 ]. П ов тор н ое |
р а с т я ж е |
||||||||||||||||||||
ние |
и |
п ов т о р н о е с ж а т и е о б р а зц о в |
стали |
НЗО |
при |
сга< а о ,2 |
в течение |
||||||||||||||||||||
N = 1 0 5 |
ц ик л ов |
п рак ти ч еск и |
н е |
вы зы ваю т |
о бр азов ан и я |
м артен си та |
|||||||||||||||||||||
деф ор м ац и и |
(ри с. |
5 7 ) . |
И н тен си в н ое |
п р евр ащ ен и е |
аустен и та |
в |
м ар |
||||||||||||||||||||
тенсит |
н ач и н ается |
при |
<та>(То,2 сп л ав а . И н тен си вность |
ф а зо в о го |
п р е |
||||||||||||||||||||||
вращ ения |
|
м ак си м ал ь н а |
в начальны й п ер и од |
н агр уж ен и я |
(0 — 104 ц ик |
||||||||||||||||||||||
л ов). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П ри |
зн ак о п ер ем ен н ы х |
|
ц и к л ическ и х |
н а гр у зк а х |
к оличество |
о б р а |
||||||||||||||||||||
зую щ егося |
|
м а р т ен си та |
и |
у ст а л о с т н а я п рочн ость |
сп лава |
НЗО |
зн ач и |
||||||||||||||||||||
тельно |
н и ж е, чем |
при зн а к оп ост оя н н ы х . Т ак, |
при |
р астя ж ен и и — с ж а |
|||||||||||||||||||||||
тии |
с |
ам п л и т уд ой |
± 2 0 |
к гс/м м 2 чи сло |
циклов |
д о |
р азр уш ен и я со ст а в |
||||||||||||||||||||
ляет |
|
5 - 1 0 3, |
а |
в |
у сл о в и я х |
ц и к л ическ ого |
|
р аст я ж ен и я |
д а ж е |
при |
|||||||||||||||||
н агрузк е |
4 0 |
к гс/м м 2 — в 10 |
р а з |
бол ь ш е |
[1 6 4 , |
1 6 5 ]. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
О собы й |
и н т ер ес |
п р ед с т а в л я ет |
в оп р ос |
об |
интенсивности ф а зо в о |
|||||||||||||||||||||
го п ревращ ен и я в |
п л асти ч еск ой |
зо н е |
у |
верш ины |
трещ ины |
в м н ого |
|||||||||||||||||||||
цикловой |
|
о б л а ст и |
у ст а л о с т и . П о |
дан н ы м |
р аботы |
[1 6 4 ], |
вы полненной |
||||||||||||||||||||
на стали |
|
12Х 1 8 Н 9 Т |
с п ом ощ ь ю |
м и к ропучк овой |
рентген овской м ето |
||||||||||||||||||||||
дики, |
к ол и ч ество |
о б р а зу ю щ е г о с я |
м ар тен си та |
в п ластической |
зо н е у |
||||||||||||||||||||||
верш ины |
трещ и ны |
за в и си т |
от ам п л и туды |
д еф ор м ац и и , |
тем п ературы |
1Дины) |
в р е зу л ь т а т е |
ф а зо в о г о |
п р евр ащ ен и я . Н ап ри м ер, |
в |
н ер ж а в ею |
|||||||||||||||||||||||||
щей |
стали |
ти п а |
301 |
|
ц ик л ическ и й |
п р ед ел |
тек уч ести |
при |
— 30° С |
в |
||||||||||||||||||||
3 — 6 |
р аз |
вы ш е, чем при |
|
90° С |
[1 6 6 ]. П ри |
этом |
и зм ен я ется т а к ж е |
к о |
||||||||||||||||||||||
эф ф и ц иен т ц и к л и ч еск ого |
д еф о р м а ц и о н н о го |
уп рочн ен и я. |
П он и ж ен и е |
|||||||||||||||||||||||||||
тем п ературы |
и спы тани я |
|
в |
М п— М д -и н тер вал е, |
п р и в од я щ ее |
к ув ел и |
||||||||||||||||||||||||
чению |
к оэф ф и ц и ен та |
|
д еф о р м а ц и о н н о го |
уп рочн ен и я |
|
н ер ж ав ею щ ей |
||||||||||||||||||||||||
стали |
ти п а |
3 0 1 , |
с о п р о в о ж д а е т с я |
увели чен и ем |
о б ъ ем а а '-м ар т ен си т а, |
|||||||||||||||||||||||||
обр а зу ю щ его ся |
в п л асти ч еск ой зо н е |
у |
верш ины |
трещ ины . |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
В |
р езу л ь т а т е |
ув ел и ч ен и я |
к оэф ф и ц и ен та |
цик лическ ого |
д е ф о р м а |
|||||||||||||||||||||||||
ционного |
уп р оч н ен и я |
у м ен ь ш ается |
р азм ер |
пласти ческ ой |
зоны . В |
|
с о |
|||||||||||||||||||||||
ответствии |
с п р едстав л ен и я м и |
Х и д а |
(1 9 5 3 |
|
г.) |
da/dN и зм ен я ется |
п р о |
|||||||||||||||||||||||
порци он альн о |
вел и ч и н е |
|
( о п— а т) - 1 , |
гд е |
о в |
|
и |
а т — соотв етств ен н о |
||||||||||||||||||||||
врем енное соп р оти в л ен и е р азр ы в у |
и |
п р едел |
тек учести |
при |
р а с т я ж е |
|||||||||||||||||||||||||
нии. В |
н ер ж а в ею щ ей |
стал и |
ти п а |
301 |
при |
п он и ж ен и и |
тем п ер атур ы |
от |
||||||||||||||||||||||
+ 9 5 |
д о — 30° С |
dajdN |
|
при |
А Д '= 1 4 0 |
к гс/м м 3/ 2 |
ум ен ьш ается |
в |
20 |
р аз |
||||||||||||||||||||
[1 6 6 ]. П о су щ ес т в у |
с |
п ом ощ ь ю |
соотн ош ен и я |
(Ов— а т) -1 |
Х и д |
св язы |
||||||||||||||||||||||||
вает |
dajdN |
с |
р а зм е р о м |
|
п л асти ч еск ой зон ы |
у |
верш ины |
трещ ины . |
|
|
||||||||||||||||||||
О бщ и й |
эф ф ек т от |
|
п р отек ан и я |
ф а зо в о го |
п р евращ ен и я |
б у д е т |
|
з а |
||||||||||||||||||||||
висеть |
от |
к ол и ч ества |
|
о б р а зу ю щ е г о с я |
м ар тен си та, и зм ен ен и я м ехан и |
|||||||||||||||||||||||||
ческих |
св ой ств м а т ер и а л а |
в п л асти ч еск ой |
|
зо н е у |
верш ины |
трещ ины , |
||||||||||||||||||||||||
остаточны х |
н а п р я ж е н и й , и н тен си вн ости |
д еф ор м а ц и о н н о го |
старен и я |
|||||||||||||||||||||||||||
вновь |
о б р а зу ю щ е г о с я |
м ар т ен си та |
и, |
в ер оятн о, и зм ен ен и я |
м ехан и зм а |
|||||||||||||||||||||||||
р азруш ен и я . |
И зм ен ен и е |
ф р ак т огр аф и ч еск и х |
|
особен н остей |
р а зр у ш е |
|||||||||||||||||||||||||
ния |
|
(с |
п о н и ж ен и ем |
|
|
т ем п ер ат ур ы |
|
испы тания) |
|
в |
Т Р И П -ст ал и |
|||||||||||||||||||
(12% |
С г + 2 % |
М о + 8 % |
|
N i) |
с |
М Д= 2 1 5 ° С |
эк сп ери м ен тальн о |
уст а н о в |
||||||||||||||||||||||
лено |
в р а б о т е |
С в а м и н а зен а |
и |
П л ю м три и |
[6 1 , с. 5 7 8 ]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
И сп ы тан и я |
при |
150 |
и |
2 2 5 ° С |
н е |
о б н а р у ж и в а ю т |
на п оверхн ости |
|||||||||||||||||||||||
р азруш ен и я |
у ст а л о с т н ы х |
м и к р оп ол ос. П оя вл ен и е |
в |
и зл ом е |
м ар тен си |
|||||||||||||||||||||||||
та, вы зы ваю щ его за р о ж д е н и е |
трещ и н , |
сп о со б ст в у ет |
повы ш ению |
р а |
||||||||||||||||||||||||||
боты |
р асп р о стр а н ен и я |
трещ и ны . П р и т ем п ер ат ур е |
испы тания |
150J С |
||||||||||||||||||||||||||
р азр уш ен и е |
п р о и сх о д и т |
|
п р еи м ущ еств ен н о |
|
по |
сдв и говом у |
типу. К р о |
|||||||||||||||||||||||
ме того, |
видн ы |
т а к ж е |
|
уч астк и с |
вы тянуты м и |
чаш кам и . В |
усл ов и я х |
|||||||||||||||||||||||
ком натной |
т ем п ер а т у р ы |
|
в у ч а ст к а х |
аустен и та |
дом и н и р ует |
чаш ечны й |
||||||||||||||||||||||||
тип |
р азр уш ен и я |
и |
втори чн ы е |
м ик ротрещ ин ы |
в м артен си те. П ов ы ш е |
|||||||||||||||||||||||||
ние в |
и зл о м е |
д о л и |
в я зк ой |
сост ав л я ю щ ей |
с п он и ж ен и ем |
тем п ературы |
||||||||||||||||||||||||
испы тания |
с о г л а с у е т с я |
с ум ен ь ш ен и ем |
п ок азател я |
|
т в |
уравн ен и и |
||||||||||||||||||||||||
П эри са. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Д л я |
об ъ я с н ен и я |
|
н а б л ю д а ем ы х |
противоречивы х |
дан н ы х |
Л а л |
и |
|||||||||||||||||||||||
В ейс |
п р ед п о л о ж и л и , |
что |
при |
ф а зо в о м |
превращ ен и и |
у |
верш ины |
т р е |
||||||||||||||||||||||
щины |
н а р я д у |
с |
и зм ен ен и ем зн ач ен и й о т |
и |
п н ео б х о д и м о |
учиты вать |
||||||||||||||||||||||||
так ж е |
остаточ н ы е |
н а п р я ж е н и я |
в бл и зи |
верш ины |
трещ ины . |
П о д а н |
||||||||||||||||||||||||
ным |
[1 6 8 ], |
остаточ н ы е |
н а п р я ж ен и я |
в ок рестн ости |
трещ ины и |
вдол ь |
||||||||||||||||||||||||
стенок |
трещ и ны |
и гр аю т |
оп р ед ел я ю щ у ю |
роль |
при |
к онтрол е |
dajdN. |
|||||||||||||||||||||||
Ф азовое |
п р ев р ащ ен и е |
|
у |
верш ины |
трещ ины , |
|
п о -в и ди м ом у, |
о б у с л о в |
||||||||||||||||||||||
ливает вы сокий |
у р ов ен ь |
остаточ н ы х |
н ап р я ж ен и й , которы й |
в с о с т о я |
||||||||||||||||||||||||||
нии |
вы звать п о н и ж ен и е |
|
А/С. В р е зу л ь т а т е |
эф ф ективны й |
к оэф ф и ци ен т |
|||||||||||||||||||||||||
и нтенсивности н а п р я ж е н и я |
у |
верш ины |
трещ ины |
сн и ж ает ся . |
С чи та |
|||||||||||||||||||||||||
ется, |
что |
остаточ н ы е |
н ап р я ж е н и я |
в |
д ост аточ н ой |
степени |
стабильны , |
|||||||||||||||||||||||
чтобы |
огран и чить |
о б р а т и м у ю |
п л асти ч еск ую |
д еф ор м ац и ю |
у |
верш ины |
||||||||||||||||||||||||
трещ ины . |
|
|
|
|
стали. М н ен и я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Углеродистые |
о |
влиянии |
остаточ н ого |
аустен и та |
||||||||||||||||||||||||||
на у ст ал остн ы е |
св ой ств а |
угл ер о д и ст ы х |
н и зкол егированн ы х |
сталей |
||||||||||||||||||||||||||
крайне п роти воречи вы . О д н ой |
и з |
обстоя тел ьн ы х |
р а бот , |
посвящ ен н ы х |
||||||||||||||||||||||||||
роли |
о ст ат оч н ого |
а у ст ен и т а , |
я вл я ется |
р а б о т а |
О . |
Н . Р ом ан и в а с |
|
с о |
||||||||||||||||||||||
трудн и к ам и |
|
[1 6 9 ]. |
И ссл ед о в а н ы |
|
тер м оул уч ш ен н ы е |
ум ерен н ол еги р о - |