книги / Основы физики и механики разрушения

Рис. 3.15. Диаграммы циклической трещиностойкости стали 09Г2С после различных режимов термообработки: 1 – закалка 920 °С + отпуск 200 °С; 2 − закалка 920 °С + отпуск 400 °С; 3 − закалка 920 °С + отпуск 650 °С; 4 − нормализация 920 °С

161

Рис. 3.16. Диаграммы циклической трещиностойкости стали 35 после различных режимов термообработки: 1 − закалка 860 ºС + отпуск 200 ºС; 2 − закалка 860 ºС + отпуск 500 ºС; 3 − закалка 860 ºС + отпуск 650 ºС

162

Рис. 3.17. Диаграммы циклической трещиностойкости стали 80 после закалки с 800 °С и отпуска при температурах 200 °С (1), 400 °С (2), 500 °С (3) и 650 °С (4)

163

Таблица 3 . 4

Характеристики циклической трещиностойкости сталей 09Г2С, 35 и 80

значения ∆K при V = 10–9, V = 10–8 и V = 10–7 м/цикл; n – показатель степени в уравнении Париса.

Таблица 3 . 5

Параметры циклической трещиностойкости сталей 09Г2С, 35 и 80

164

Окончание табл. 3 . 5

Примечания: ∆Kth – пороговое значение размаха коэффициента интен-

сивности напряжений (∆Kth = ∆K при V = 10–10 м/цикл); ∆K −9 , ∆K −8 и ∆K – значения ∆K при V = 10–9, V = 10–8 и V = 10–7 м/цикл; n – показатель степени в уравнении Париса.

Примечания: Сотв – количество сорбита отпуска, определенное при элек- тронно-микроскопических исследованиях (сорбит отпуска определяется как рекристаллизованная α-фаза); Б – усталостные бороздки; П – плато; Я – ямки; ∆K* – значение ∆K при V = 10–7м/цикл; n – показатель степени в уравнении Париса.

При анализе дислокационной структуры методом дифракционной электронной фрактографии установлено, что структура дисперсного сорбита отпуска в районе ∆Kth сохраняется. Наблюдается некоторое утолщение границ ферритных ячеек, т.е. увеличивается плотность дислокаций в граничных областях, в то время как во внутренних объемах она уменьшается (рис. 3.19, а). Иногда наблюдается формирова-

165

ние дополнительных границ, которые, однако, связаны исключительно с протекающими деформационными процессами (рис. 3.19, б). Около цементитных карбидов наблюдаются дислокационные скопления, которые выражены тем сильнее, чем крупнее карбидные образо-

вания (рис. 3.19, в).

Следовательно, можно утверждать, что в структуре дисперсного сорбита отпуска при значениях ∆K, близких к ∆Kth, площадки, которые наблюдаются, фрактографически состоят из шагов, которые пробегает усталостная трещина между двумя последующими бороздками, которые образуются на границах дислокационной ячейки. В этом смысле наблюдается определенная фрактографическая аналогия с площадками, образованными субтранскристаллической бороздчатой структурой в реечном мартенсите, в котором усталостная трещина при своем развитии останавливается перед шнурообразными дислокационными барьерами, образовавшимися во время циклического нагружения.

3.4.3. Закономерности при изменении трещиностойкости закаленных и отпущенных углеродистых

и низколегированных сталей при циклическом нагружении

Проведенные исследования дают возможность дать достаточно обобщенную картину влияния содержания углерода и температуры отпуска после закалки на процессы, характеризующие трещиностойкость изучаемых сталей. В данном случае будет удобно обратиться к результатам, приведенным в табл. 3.5, из которых можно сделать следующие выводы:

1. Независимо от содержания углерода при низких температурах отпуска (200 оС) пороговые значения ∆Kth практически одинаковы. Причиной этого является то, что при этих низких скоростях, с которыми развивается усталостная трещина (V < 10–10 м/цикл) и соответствующих низких значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений (∆K ≈ 4 МПа·м1/2), ЦПЗ очень мала и разрушение происходит только по усталостному бороздчатому механизму в объемах α-фазы, свойства которой одни и те же, независимо от содержания углерода в стали и образовавшегося при закалке морфологического типа мартенсита.

В этом смысле можно утверждать, что пороговая характеристика ∆Kth определяется прочностью и кристаллической решеткой металлической фазы, через которую распространяется трещина при циклическом нагружении.

166

2. При значении ∆K > ∆Kth реечный мартенсит благодаря своему строению обладает более высокой трещиностойкостью по сравнению с пластинчатым мартенситом. По этой причине те виды термообработки, которые могут создать и сохранить реечный мартенсит, обеспечат более высокую трещиностойкость.

Рис. 3.18. Рельеф поверхности усталостных изломов высокоотпущенных сталей 09Г2С (а, б), 35 (в) и 80 (г): а, в, г – околопороговый участок; б – парисовский участок. УМВ – усталостные микровпадины, П – плато, ТБ – транскристаллитные бороздки, СТБ – субтранскристаллитные бороздки

167

Рис. 3.19. Вторичная дислокационная структура высокоотпущенных сталей: а – сталь 09Г2С; б – сталь 35; в – сталь 80

Именно такой случай наблюдается со сталью 09Г2С, структура которой после закалки и отпуска при 200 °С состоит исключительно из реечного мартенсита, из-за чего по сравнению с обработанными таким же образом сталями 35 и 80 она имеет лучшую циклическую трещиностойкость. В этом отношении циклическая трещиностойкость стали 35, структура которой состоит из реечного (12 %) и пластинчатого (88 %) мартенсита, занимает промежуточное положение.

3. При высокотемпературном отпуске низколегированных углеродистых сталей, когда мартенситные структуры распадаются, протекают параллельно два принципиально важных процесса. С одной стороны, развивается рекристаллизация феррита, которая реализуется в полном объеме при наиболее высоких температурах отпуска (650 оС). Чем меньше углерода в стали, тем раньше начинаются и полнее выражены эти рекристаллизационные процессы, и полученная таким образом структура легкодеформируема. Это вызывает ее более быстрое охруп-

168

чивание, образование большого количества малоэнергоемких и больших по размеру участков, занятых плато (см. табл. 3.6), которые, со своей стороны, благоприятствуют более быстрому развитию трещины – процесс, характерный для низкоуглеродистой стали 09Г2С.

С другой стороны, с повышением температуры отпуска начинает выделяться и укрупняться карбидная фаза, которой тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Отдельные карбиды «армируют» рекристаллизованный феррит. Чем больше углерода в стали, тем лучше этот феррит армирован карбидными частицами, тем труднее он деформируется, тем медленнее он охрупчивается, и тем меньше скорость, с которой продвигается усталостная трещина. Этот случай характерен для стали 80.

Очевидно, процессы, протекающие в среднеуглеродистой стали 35, имеют промежуточный характер, по сравнению с процессами в сталях

09Г2С и 80.

Известное обобщение из сказанного до настоящего момента находит выражение в так называемой диаграмме максимальной циклической трещиностойкости [19], которая показывает, при каких температурах отпуска усталостная трещина развивается с минимальной скоростью на парисовском участке диаграммы усталостного разрушения в зависимости от содержания углерода в низколегированных сталях (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Диаграмма максимальной циклической трещиностойкости на парисовском участке для углеродистых и низколегированных сталей:

– данные авторов; – литературные данные

169

По подобию диаграммы предельной трещиностойкости при статическом нагружении (рис. 3.10) могут быть построены аналогичные диаграммы, отражающие изменение параметров циклической трещиностойкости в зависимости от предела текучести σ0,2 . Полученные нами

результаты обобщены в соответствующие графики, представленные на рис. 3.21. Так, на рис. 3.21, а показано, как в зависимости от σ0,2 изменяются значения ∆K*, при которых усталостная трещина развивается со скоростью V = 10–7 м/цикл, которая характерна для среднего, парисовского участка диаграммы усталостного разрушения. Очевидно, что при значении σ0,2 ≈ 900 МПа, чтобы усталостная трещина развивалась с та-

кой скоростью, необходимы максимальные значения ∆K, т.е. усталостная трещина развивается наиболее медленно.

Из рис. 3.21, в видно, что с повышением прочности стали после закалки и отпуска пороговые значения ∆Kth непрерывно снижаются.

На рис. 3.21, б показаны изменения показателя степени n в формуле Париса в зависимости от предела текучести. Очевидно, что при значении σ0,2 ≈ 900 МПа, когда циклическая трещиностойкость максимальна

(рис. 3.21, а), значения показателя степени n минимальны.

Вопросы, связанные с выбором температур отпуска при разработке режимов термообработки, исключительно важны, так как от правильного выбора этих температур в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики термообработанных деталей и элементов конструкций. При решении этой задачи полезной может оказаться диаграмма максимальной трещиностойкости низколегированных углеродистых сталей, построенная на основании проведенных исследований (см. рис. 3.2 и 3.9 и табл. 3.2 и 3.5). На рис. 3.22 представлена аналогичная диаграмма, на которой в зависимости от содержания углерода показаны температуры отпуска, при которых механические характеристики, которые нас интересуют, имеют максимальные значения.

Так, например, область 1 охватывает температуры, при которых динамическая трещиностойкость, а также пороговые значения Kth имеют

максимальную величину. Очевидно, что для этой цели, независимо от содержания углерода, после закалки стали должны быть подвергнуты отпуску при предельно высоких температурах (600–650 оС).

170