книги / Структура и прочность конструкционных материалов

ное время, чем при больших напряжениях. С увеличением уровня напряжений (о =300*340 МПа) стадия разупрочнения (увеличение ширины п§тли гистерезиса) начинается сразу же после первых циклов* нагружения. Характер накопления односторонней деформации в этих условиях практически сохраняется (рис. 1.3,6), увеличиваясь с ростом ампли­ туд напряжений (оа=280 МПа) и сохраняясь на уровне ис­ ходного значения (в первом цикле) с их уменьшением.

: : z —

1L-г

2

б

Рис. 1.3. Изменение циклических деформационных характеристик стали Х18Н10Т при моногармоническом нагружении (Т=650°С; f=l цикл/мин):

1 - оа=344 Мпа; 2 - оа=305 Мпа; 3 - оа=283 Мпа; 4 - аа=262 МПа; 5 - оа=240 МПа

Проведенные испытания при двухчастотном нагружении (соотношение частот 1:80 и 1:18000, оа =60 МПа и 30 МПа

по режиму с наложением высокочастотных напряжений на выдержки т=5 мин) при экстремальных уровняхнагрузки по­ казали (рис. 1.4)/ что изменение деформационных харак­ теристик при двухчастотном нагружении принимает иной характер, чем при одночастотном. Так, величина цикличе­ ской пластической деформации (рис. 1.4,а) при одинако­ вых амплитудах максимальных напряжений существенно боль­

ше для двухчастотного нагружения, чем для одночастотно­ го.. Вместе с этим более интенсивно протекает разупрочне­ ние материала после первых циклов нагружения при всех исследованных уровнях действующих напряжений. Активизи­ руется наряду с этим и одностороннее накопление деформа­

накопление наблюдается при N/Np - 0,5. Если рассматри­ вать изменение активной составляющей циклической пласти­ ческой деформации ба (рис. 1.4,в), то видно, что ее из­ менение подобно изменению циклической пластической де­ формации при одночастотном нагружении. При этом на ха­ рактер изменения полной ширины петли оказывает сущест­ венное влияние деформация циклической ползучести е^ (рис. 1.4,г), величина которой зависит от уровня о^.

Как показали испытания с выдержками (т=5 мин) на экстремальных значениях нагрузки [8-11], кинетика де­ формационных характеристик подобна изменениям при двух­ частотном нагружении.

Изменение деформационных характеристик материала в данных условиях испытаний является следствием проявле­ ния интенсивно протекающих процессов деформационного старения, которые еще более активизируются при наличии высокочастотной составляющей напряжений в течение вре­ менных выдержек (двухчастотный режим). В первую очередь эти процессы проявляются в выделении микродисперсных частиц, количество и размер которых зависит от условий, уровня и времени нагружения [5]. Большая плотность и мелкодисперсность частиц обусловливают повышение сопро­ тивления деформированию материала на определенной ста­ дии нагружения. Дальнейшая коагуляция выпавших частиц и перераспределение их к границам зерен приводит к ослаблению последних, вызывая уменьшение пластичности материала и обусловливая хрупкий характер разрушения.

Как показали наблюдения [З-б],структурные изменения стали Х18Н10Т при высокотемпературном нагружении сопро­ вождаются выделением карбидов и перераспределением ле­ гирующих элементов, количество и характер распределения которых зависит от вида и времени нагружения, которые в свою очередь влияют на развитие диффузионных процес­ сов. Пластическая деформация, в особенности с измене-

iM à'

=в =

Рис. 1.4. Изменение циклических деформационных характеристик стали Х18Н10Т при двухчастотном нагружении (т=5 мин, о^2^=60 МПа; Т=650°С;

соа/ш1=80

N-102,MM-2pf

Рис. 1.5. Зависимость степени искажения кристал­ лической решетки (а), размера (6) и числа (в)

частиц от уровня нагрузки и формы цикла

мации в полуцикле получается за счет ползучести в про­ цессе выдержки и, например, при оа=240 МПа ширина петли гистерезиса на стадии насыщения после упрочнения на пер­ вой стадии деформирования почти в три раза больше, чем при одночастотном нагружении (рис. 1.3 и 1.4) . При этом и односторонне накопленная деформация к моменту разру­ шения существенно превышает деформацию одночастотного нагружения, которая в последнем случае определялась в основном деформацией, накопленной в первом цикле нагру­ жения: если при моногармоническом нагружении предельно накопленная деформация составляла около 3%, то при на­ гружении с выдержками она была равна 12%. Различие в деформационных характеристиках было обусловлено разли­ чием в характере протекания структурных изменений при указанных видах нагружения.

Рис. 1.6. Зависимость степени искажения кристал­ лической решетки (а), размера (6) и числа (в)

частиц от длительности нагружения и формы цикла

Как видно из рис. 1.5,6 и 1.6,6, при больших уровнях нагрузки при деформировании с выдержками происходит дробление и растворение карбидов: размер и количество карбидных частиц уменьшается, но при этом увеличивается степень тетрагональности решетки (рис. 1.5,а и 1.6,а). С уменьшением уровня нагрузки до 260 МПа наблюдается рост размера и количества карбидных частиц. Увеличение размера частиц привело к росту микроискажений решетки (рис. 1.5,а и 1.6,а). Дальнейшее понижение уровня на­

грузки резко снизило количество частиц за счет их коагу­ ляции в частицы больших размеров, которые вызвали силь­ ное искажение кристаллической решетки. Рост размера частиц, как и в случае нагружения без выдержек, вызвал охрупчивание материала и при аа=240 МПа имел место хруп­ кий излом, в то время как при оа=280 МПа он был хрупковязким. Снижение амплитуды напряжения до 215 МПа сопро­ вождалось еще большим увеличением размера частиц и мик­ ронапряжений, вызвавшим сильное искажение кристалличе­

ской решетки. Однако в последнем случае излом был вяз­ кий/ поскольку размер карбидов был больше, чем при oas240 МПа, когда наблюдался хрупкий излом, их располо­ жение было сравнительно равномерным как по телу, так и по границам зерен, а при оа=240 МПа карбиды*располага­ лись преимущественно по границам зерен, что и привело

ких охрупчиванию.

Вслучае испытаний с наложением амплитуды нагрузки второй частоты в процессе выдержки имеет место сильное разупрочнение материала (увеличение ширины петли гисте­ резиса) при больших уровнях нагрузки и более сильное упрочнение при малых уровнях, чем при нагружении с вы­ держками без наложения высокочастотной нагрузки (рис. 1.4). При оа=240 МПа в процессе двухчастотного

нагружения упрочнение было даже меньшим, чем при нагру­ жении с выдержками. При малых уровнях нагрузки наряду

ссильным упрочнением на начальной стадии деформирова­ ния имело место также более интенсивное, чем при нагру­ жении с выдержками, разупрочнение материала (ширина петли гистерезиса увеличивается сильнее). Что касается односторонне накапливаемой деформации, то она практиче­ ски не имеет места вплоть до начала 'развития рассредото­ ченного трещинообразования. С момента появления первых микротрещин на поверхности образца начинается интенсив­ ное накопление остаточных деформаций в сторону растяже­

ния (рис. 1.4).

Как и в случае моногармонического нагружения, при двухчастотном имеется оптимальный уровень нагрузки и времени деформирования, когда размеры карбидных частиц

достигают максимального значения (рис. 1.5 и 1.6). При низких амплитудах напряжения размер частиц уменьшается, но возрастает их количество. Искажение кристаллической решетки особенно значительно при больших уровнях напря­ жений, когда велик размер выпадающих карбидных частиц. С уменьшением уровня нагрузки искажение кристаллической решетки сначала падает, а затем с ростом времени нагру­ жения начинает увеличиваться. Максимальное количество

частиц наблюдалось при напряжении оа=215 МПа (рис. 1.5,в и 1.6,в). После испытания при оа=280 МПа в стали Х18Н10Т была обнаружена большая плотность дислокаций возле мелкодисперсных выделений. Кроме того, имелись крупные выделения карбидов кубической формы размером около 0,3 мкм, распределенных неравномерно. Расчет микродифракционных картин, снятых с выделений, показывает,

что эти выделения являются карбидами МеС и Ме2ЭСв, имею­

щими ромбическую решетку с параметрами а=2,82&, Ь=5,52&,

c=ll>46Â. Понижение амплитуды напряжения до 240 МПа при­

водит к измельчению карбидов и к их перераспределению. При этом средний размер частиц составлял около 0,02 мкм.

Анализ дисперсных частиц, выявленных в зоне разруше­ ния химическим травлением, показывает, что при меньших амплитудах двухчастотного нагружения стали Х18Н10Т при 650°С образуются более мелкодисперсные выделения, равно­ мерно распределенные по всему объему материала в зоне разрушения.

С помощью микрорентгеноспектрального анализа иссле­ довано также распределение основных карбидообразующих элементов (G, Ti, Сг и Ni) в образцах стали Х18Н10Т в исходном состоянии и разрушенных образцах. Было установ­ лено, что распределение хрома и железа при рассмотрен-* ных режимах и временах нагружения не претерпевает су­ щественных изменений в процессе малоциклового деформи­ рования с наложением нагрузки повышенной частоты с на­ гревом до 650°С. Титан при больших амплитудах напряже­ ний перераспределялся в приграничные области, а при ма­ лых амплитудах (больших временах нагружения) этот эле­ мент перераспределялся в виде полос.

Таким образом; деформационное старение аустенитной стали Х18Н10Т при повышенной температуре сопровождается выделением и перераспределением легирующих элементов в теле и по границам зерен с образованием карбидов МеС и МеаэСе. С увеличением длительности нагружения превали­ рующим является первый тип карбидов. Кроме того, в про­ цессе длительного нагружения происходит выпадение из раствора и коагуляция других легирующих элементов, в

особенности титана, который под действием нагрузки и по­ вышенной температуры перераспределяется в виде отдельных полос с повышенной концентрацией титана.

Процесс структурных изменений инициируется действи­ ем, с одной стороны, нагрузки (деформации) и температу­ ры - с другой. Степень завершенности процессов выпаде­ ния частиц в связи с этим определяется временем нагру­ жения и величиной нагрузки (деформации). При больших уровнях деформации протекает интенсивное карбидообразование с коагуляцией частиц по границам зерен. Однако времени оказывается недостаточно, чтобы прошло полное охрупчивание границей в этом случае наблюдается хрупко­ вязкий излом. При малых уровнях нагрузки процесс выпаде­ ния новой фазы определяется в основном температурно-вре­ менными условиями и воздействие деформации оказывается меньшим, чем в первом случае. Времена испытания, кото­ рые имели место в данных исследованиях при низких на­ грузках, были недостаточны, чтобы полностью завершился процесс коагуляции частиц до критических размеров и плотности, в результате при низких нагрузках, также как

и при высоких, наблюдался смешанный тий излома. При средних уровнях напряжений, абсолютная величина которых зависела от формы цикла, как было указано выше, охруп­ чивание границ было наибольшим и при разрушении имел место хрупкий излом. Частицы при этом были максимально­ го размера (рис. 1.5 и 1.6) из всех режимов нагружения для заданной формы цикла.

Выпадение мелкодисперсных -частиц вызывает повышение сопротивления деформированию, и на первой стадии нагру­ жения, когда частицы еще малы, наблюдаются сильное уменьшение ширины петли и рост предела текучести [3, 7]. Коагуляция частиц, вызывавшая ослабление границ зерен, на некоторой стадии нагружения, зависящей от уровня нагрузки, приводила к возникновению микротрещин по гра­ ницам зерен, и при измерении деформаций на определенной базе образца получали увеличение ширины петли гистере­ зиса. Повышение сопротивления деформированию наблюда­ лось особенно активно на первой стадии нагружения.

Таким образом, сопротивление циклическому упруго­ пластическому деформированию аустенитной нержавеющей стали X1ÔH10T при температуре Т=650°С, соответствующей интенсивному протеканию в ней процессов деформационного старения и других температурно-временных*эффектов, су­ щественным образом зависит от условий испытания, к ко­ торым, в первую очередь, относятся уровень циклических деформаций и форма цикла (частота) нагружения. Эти ха­ рактеристики в значительной мере определяют интенсив­ ность деформационного старения материала, а тем самым и характер изменения деформационных характеристик, на

основе которых описываются процессы накопления поврежде­ ний.

1.2. Энергия статического и циклического деформирования и разрушения

Процесс деформирования материала сопровождается за­ тратой определенного количества механической энергии, подводимой к деформируемому телу тем или иным способом. Изучение этого процесса, приводящего в конечном счете к разрушению материала, для различных условий нагруже­ ния (статическое и циклическое) связано с разработкой соответствующих энергетических критериев, в основу ко­ торых может быть положен баланс между затраченной, вы­ делившейся и поглощенной материалом энергии. При этом,

как известно [11, 12], одна часть затраченной на процесс деформирования механической энергии поглощается мате­ риалом, вторая часть рассеивается в виде тепла, и урав­