Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Структура и усталостное разрушение металлов

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
9.53 Mб
Скачать

ратурой 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

 

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 -