2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение............................................................5
Глава 1. Усталость металлов и сплавов и модификация структуры и
свойств при электростимулировании..................................10
1.1 .Общие представления о природе усталости..................10
1.2.Поведение материалов при малоцикловой усталости...........13
1.3.Периоды и стадии многоцикловой усталости..................16
1.4.Эволюция структуры при усталости металлов и природа
разрушения.................................................19
1.5.Диагностика усталости и электросгимулированное восстановление ресурса.......................................................26
1.6.Постановка задачи исследования............................32
Глава 2. Материал и методики исследования электростимулировапного усталостного нагружения.............................................34
2.1.Выбор материала, методика усталостных испытаний и
ультразвукового контроля......................................34
2.2.Электроимпульсная обработка образцов......................37
2.3.Электросгимулированное повышение ресурса..................40
Глава 3. Методы оптических и электронно-микроскопических исследований и определения количественных характеристик............48
3.1.Методы исследований........................................48
3.2.Методика количественной обработки результатов исследования 50 Глава 4. Структура сгати в исходном состоянии...................... 57
4.1.3еренная структура.........................................57
4.2.Структурная текстура и ее рассеяние........................62
4.3.Карбидно-углеродная строчечность исследуемой стали.........66
4.4.Дефектная субструктура и состав карбидной фазы..............69
Выводы к главе 4................................................81
Глава 5. Структурно-фазовые превращения в нержавеющей стали при малоцикловом усталостном разрушении.................................83
5.1.Изменение состояния зеренного ансамбля при малоцикловой
усталости.......................................................83
5.2.Эволюция структурной текстуры в процессе малоцикловых испытаний..................................................91
5.3.Карбидно-углеродная строчечность и ее изменение в процессе мало цикловых испытаний....................................95
5.4.Рельеф, возникающий на поверхности образцов, подвергнутых
малоцикловым испытаниям.........................................98
5.5.Эволюция дефектной субструктуры и карбидной фазы при
малоцикловых испытаниях.......................................102
Выводы к главе 5.............................................. 113
Глава 6. Эволюция структуры и фазового состава нержавеющей стали в условиях токового воздействия. Роль электростимулирования в малоцикловой усталости стали.......................................118
6.1.Влияние электростимулирования па зеренную структуру стали 118 6.2.3еренная структура зоны разрушения. Влияние электростимулирования на процессы разрушения..............................122
6.3.Увеличение ресурса работоспособности образцов в условиях малоцикловых испытаний при электростимулировании.
Особенности зеренной структуры.................................126
6.4.Поведение вектора структурной текстуры при электроимпульсном
стимулировании и малоцикловом усталостном разрушении...........129
6.5.Эволюция строчечной структуры стали при малоцикловых испытаниях образцов, подвергнутых электростимулирующему воздействию....................................................139
4
6.6.Рельеф, возникающий на поверхности электростимулированных
образцов.....................................................146
6.7.Эволюция дефектной структуры и фазового состава стали
08X18Н1 ОТ при электростимулировании..........................154
6.8.Роль электростимулирования в эволюции дефектной структуры и фазового состава стали 08Х18Ы10Т при малоцикловых усталостных
испытаниях...................................................164
Выводы к главе 6.............................................180
Заключение и выводы..........................................183
Литература...................................................188
Приложение...................................................204
5
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс народного хозяйства страны в XXI веке невозможен без качественного развития машиностроения и отраслей, обеспечивающих создание новой техники, машин и конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях по уровню механических, тепловых, радиационных, электромагнитных повторяющихся нагрузок. Наиболее ответственные и уникальные изделия, машины и конструкции эксплуатируются в режимах циклических деформаций, определяющих разрушение уже в области малоцикловой усталости при числе циклов до 5-101. Вопросы малоцикловой усталости и прочности являются предметом самого тщательного рассмотрения как с точки зрения научных исследований, так и опытно-конструкторских и технологических разработок.
Усталостная прочность и долговечность являются важными критериями оценки работоспособности и ресурса многочисленных деталей и конструкций. Их роль особенно возрастает для современных высоконагруженных ответственных изделий, подвергающихся воздействию циклических нагрузок не только в области много-, но и мапоцикловой усталости. Хотя со времени построения первой кривой усталости прошло более 140 лет и в настоящее время кривые усталости построены для всех известных конструкционных материалов, однако вес еще не удалось полностью решить проблему циклической прочности ни в области изучения физической природы этого явления, ни в области инженерного подхода к этому вопросу.
Сложность прогнозирования усталостного разрушения металлов и сплавов связана с тем, что сопротивление усталости зависит от целого ряда факторов: вида и условий нагружения, напряженного состояния образца или детали, асимметрии цикла нагружения, масштабного фактора,
6
температуры испытания, структурного состояния материала, влияния среды и состояния поверхности и др.
Значительный экспериментальный материал, проанализированный в монографиях 11-8], подчеркивает сложность поведения металлов и сплавов при усталости. В общем случае процесс усталости связан с постепенным накоплением и взаимодействием дефектов кристаллической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дисклинаций, двойников, границ зерен и блоков и т. п.) и, как следствие этого, с постепенным развитием усталостных повреждений в виде образования и распространения микро- и макроскопических трещин.
Для установления закономерностей накопления повреждений при усталости и физической природы явления на разных его стадиях важное значение имеет знание эволюции дислокационных субструктур. Сказанное определяет актуальность данной работы. Помимо того, что изменения дислокационной субструктуры позволяют оценить приближение наступления критической стадии разрушения и предсказать его, важным является возможность восстановления ресурса металла, его долговечности и работоспособности за счет внешних энергетических, и в первую очередь импульсных токовых, воздействий [9]. Такие воздействия проявляются в структурных и фазовых изменениях. На основании сформулированных выше положений определена общая задача исследования: установить физическую природу структурно-фазовых превращений в нержавеющей стали 08Х18Н10Т и частичного восстановления ее ресурса в условиях стимуляции токовыми импульсами при малоцикловой усталости.
Для ее реализации необходимо решение следующих частных задач:
1. Качественные и количественные исследования структуры стали в исходном состоянии и в процессе малоцикловой усталости в стандартных
7
условиях и в условиях электростимулирования, благодаря которому усталостная прочность значительно повышается;
2. Выяснение природы разрушения в результате усталостных испытаний и увеличение числа циклов до разрушения путем нахождения оптимальных последствий воздействия электрическим током на поведение стали;
3. Анализ факторов, определяющих усталостную прочность стали при обычной и электростимулированной усталости и выявление основных из них.
Новизна полученных результатов определяется тем, что впервые на макро-, мезо- и микроуровнях проведены сравнительные исследования дефектной субструктуры и фазового состава нержавеющей стали 08Х18Н10Т как исходной, так и подвергнутой малоцикловым усталостным испытаниям в условиях промежуточного стимулирования импульсным электрическим током высокой плотности. Выявлены и подвергнуты детальному анализу основные факторы, определяющие усталостную прочность стали. Вскрыты механизмы повышения усталостной прочности стати путем элсктростимулирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Представления о структурной текстуре и ее роли в проблеме матоцикловой усталости без и с электростимулированием. Особая роль сильноанизотропных зерен, воздействие на их параметры электростимулирования и обусловленное этим уменьшение продвижения усталостной трещины за один цикл нагружения.
2. Эволюция строения карбидно-углеродной строчечиости при циклическом нагружении в обычных условиях и с электростимулированием. Роль данного эффекта в формировании критической субструктуры.
8
3. Влияние электростимулирования на фазовые превращения в стали, роль внутривазных и межфазных границ в зарождении и развитии микротрещин, эволюцию дислокационной субструктуры.
Практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается прежде всего в значительном увеличении числа циклов нагружения до разрушения аустснитной стали путем воздействия импульсным электрическим током. При комплексном характере этого явления выявлены основные физические факторы, определяющие роль электростимулирования в улучшении свойств стали при малоцикловой усталости и сформулированы рекомендации по опережающему токовому воздействию.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Международной научно-практической
конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков». Пенза. 2000; Международной конференции «Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций». Киев.2000; II Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений».Тамбов.2000; European Metallographie Conference and Exhibition. Saarbrücken. Gcrmany.2000; European Conference «Junior Euromat 2000». Lausanne, Switzerland. 2000; XXXVI Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности».Витебск. Белоруссия. 2000; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге 21 века: достижения и прогнозы». Новокузнецк.2000; IV Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им.В.А.Лихачева.Новгород.2000; IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Россия.
9
Клязьма. 2000; Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков». Томск.2000; научно-нракгической конференции материаловедческих обществ России «Новые конструкционные технологии». Звенигород. Россия.2000; III Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». Томск.2000; IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Пенза. 2001; Program and abstracts, Computer - Aided Design of Advanced Materials and Technologies. Caclant. 2001, March 29-31, 2001. Tomsk. Russia; 10“ International metallurgical and material Conference, Ostrava, Czech Republic 15-17 may 2001; VI Международном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий». Обнинск. 2001; Temperature- Fatigue Interaction (Ninth International Spring Meeting). France. Paris, May 29-31, 2001.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 27 печатных работ, из них 8 статей и 19 тезисов.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 226 наименований, содержит 206 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы и 73 рисунка.
Считаю своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры физики СибГИУ к.т.н., доценту В.И.Петрову, аспиранту С.В.Коновалову, заведующему кафедрой физики ТГАСУ д.ф.-м.н., профессору Э.В.Козлову и сотрудникам: к.ф.-м.н., доценту Ю.Ф.Иванову, с.н.с. H.A.Поповой, JI.H.Игнатенко за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов работы, заместителю директора ИФПМ СО РАН д.ф.-м.н., профессору Л.Б.Зуеву за стимулирующий интерес к работе.
10
Глава 1. УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ
1.1. Общие представления о природе усталости
Под усталостью материала понимается его способность накапливать повреждения при циклических знакопеременных или постоянных нагрузках [10]. Усталостные явления характерны для авиационных, транспортных конструкций, они наиболее часто встречаются при эксплуатации машин и механизмов в различных отраслях промышленности. Сложность протекающих процессов
упругопластического деформирования и трещинообразования, сопутствующая циклическая ползучесть, особенно при асимметричном нагружении, зависимость этой картины от условий циклирования, трудоемкость, а зачастую и невозможность проведения экспериментов для заданных режимов нагружения являются и по сей день серьезным препятствием при разработке надежных инженерных методов расчета усталостной прочности и долговечности.
К настоящему времени по проблемам усталости опубликовано около 30 ООО работ и их число увеличивается [11]. Среди основных направлений исследований в конце двадцатого века, на наш взгляд, следует отметить следующие. Это прежде всего работы но кинетике, динамике и моделированию роста и развития усталостных трещин [12-38], трещиностойкости [39-43], влиянию температуры [44-55], анализу эволюции структуры [56-67]. Их результаты позволяют проанализировать и прогнозировать долговечность и работоспособность изделий и конструкций [68-80], рассчитывать и экспериментально исследовать сопротивление усталости и строить карты усталости |81-108]. Особое
11
место при этом занимают работы по наиболее жесткому типу усталости -малоцикловой [ 109-118].
Несмотря на очень большое число исследований и разработанной феноменологии процесса усталости нет полного понимания физической природы усталости и остается не совсем определенным предсказание времени наступления разрушения. Это обусловлено, на наш взгляд, отсутствием систематических данных об эволюции дислокационной структуры в процессе циклического нагружения. Впервые эта проблема была отчетливо обозначена в середине двадцатого века, когда была установлена определяющая роль м икропластической деформации в усталостной выносливости [119]. Однако до и после этого классическим подходом является построение кривой Велера с определением предела усталости. Этой методике уже свыше 140 лет [Л.Wohler, Z.Bauwesen. 1858. № 8, p. 642] и она основана на построении так называемых S-N-диаграмм [S-stress (напряжение), N-number of cycle to failur (число циклов до разрушения)] при различных вариантах нагружения. Основной величиной, характеризующей сопротивление металла усталости, является предел усталости - то есть напряжение при котором образец выдерживает бесконечно большое число циклов до разрушения. S-N кривые строятся в различных координатах и по этому их вид может быть различным (рис. 1.1). Обычно амплитуда напряжения в цикле меньше предела текучести металла и цель большинства усталостных испытаний - установление долговечностей при напряжениях, значительно ниже предела текучести. В некоторых случаях, однако, для оптимального проектирования необходимо знать поведение материала при напряжениях, вызывающих усталостное разрушение после небольшою числа циклов изменения напряжения или деформаций. Поэтому наряду с построением обычных кривых усталости (при напряжениях ниже предела текучести) большое развитие получили работы по исследованию малоцикловой усталости.
Рис. І.
а)
5)
*)
^ 40
£38
*36
ш
I*
*Ъ2
а.
Г
2*
^ 37
133 01
£31
С 2<Э
Г
27
л^40
ъи
^ 35 х
а:
Г 1 1
1
1 > 1 \
I— —
1 1 1 . . ]
1
■*
І 1
1 _ ....
! \
9. 01 к . ||
!
і ^
ГОУ ЭКГ™ 7 їй і
Числе ЦИКЛОВ,
С 30
<Т5
1 28
і ■ -1 і ! і
1 і і
1 1
чо IV и
Число циклов, &)Х
г> 38
3*
V 34
и,
і за ♦г
^ зо
с
ГО
х 03
1!
г! 1—4———*■
\Х 1
1 1
и_. .1
(«г6) (» •«>■*) (ю-5; (в ю-4)
Число циклов^ і/д,
Кривые усталости (кривые Велера), построенные в различны; координатах:
а - обыкновенные;
б - полулогарифмические;
в - логарифмические;
г - на оси абсцисс величины, обратные числу циклов
13
1.2 Поведение материалов при малоцикловой усталости
Авторами [11, 120, 121] подробно классифицированы и описаны характерные участки и области полной кривой усталости для малоуглеродистых сталей от предела прочности до предела усталости и ниже. Вся кривая усталости, в первую очередь, разделяется на две основные области: малоцикловой и многоцикловой усталости. Границей между ними является напряжение, равное динамическому пределу текучести (рис. 1.2.).
Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений
1_Т
ав>ст> ст™ (ломаная линия АБВГ).
В самой малоцикловой области можно выделить три характерных участка. На участке I и II разрушение носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. На участке III на поверхности разрушения уже отчетливо можно выделить зону усталостного излома.
Поскольку в данной работе все результаты получены в области малоцикловой усталости, есть смысл подробно остановиться на этих участках. По мнению авторов [11] особенностью поведения материала на этом участке является то, что образец разрушается либо при первом цикле нагружения, либо он не разрушается в течение нескольких десятков или сотен циклов.
Механизм разрушения на участке квазисгатического излома, очевидно, зависит от конечной долговечности: если образец разрушается при первом цикле нагружения, то наблюдается вязкий статический излом; если же образец выдерживает большее число циклов, то разрушение происходит с образованием шейки (в этом случае пластическая деформация накапливается по механизму «циклической ползучести»).
14
Чио5 W
К *v
Область циклической ползучести 'квазистатический излом с шейкой)
Б
ms
in
усталость
>>
■ДинамйчёсУии пргде
Ш
'Г
ТЕКУЧЕСТИ
.i
усталость
“UJ
Многоцикловая
i£i™
Sol < о < ш <. «О
Л______________________________________г0?"
Рис. 1.2. Схематическое изображение полной кривой усталости (ов- предел прочности; стрв - напряжение верхнего разрыва (первый вид разрыва); ор" - напряжение нижнего разрыва ( второй вид разрыва); ак- критическое напряжение (третий вид разрыва); aw-предел усталости; атц - циклический предел текучести; ауп11 -циклический предел упругости; N к- критическое число циклов; ак, р - критерии усталости, предложенные B.C. Ивановой; у= a.v-aTu)
I
15
Согласно литературным данным, участок I кривой усталости, по-видимому, имеется только у материалов, не склонных к циклической ползучести, т.е. у материалов, резко циклически упрочняющихся. Циклически упрочняющимися считаются такие материалы, у которых заданная циклическая деформация сохраняется лишь при непрерывном повышении нагрузки. У циклически разупрочняющихся материалов нагрузка по мере накопления циклов понижается.
Для второго участка циклической ползучести характерно возрастание накопленной пластической деформации, а его длительность определяется формой цикла, формой образцов и исходным состоянием материала. При симметричном цикле накопление остаточной деформации может не происходить и участок II будет отсутствовать.
На третьем участке усталостного разрушения пластические деформации накапливаются менее интенсивно, чем на участке И. При нагружении с постоянной амплитудой деформации (жесткое нагружение) происходит увеличение (для упрочняющихся материалов) или уменьшение (для разупрочняющихся) напряжений с ростом числа циклов.
Изучению механизмов разрушения и эволюции структуры в области малоцикловой усталости уделялось и уделяется достаточно внимания. Так в работе [122] отмечено, что дислокационная структура чистой меди и ее сплава с 7,5% А1 незначительно отличается от дислокационной структуры при статическом нагружении. В меди уже с первых циклов нагружения образуется сетчатая структура, мало изменяющаяся с увеличением числа циклов, а в сплаве Си - 7,5% А1 формируются дислокационные полосы скольжения. На ранних стадиях при больших деформациях чистого и армко - железа 1123] у границ субструктур могут образовываться микропоры, которые затем развиваются в микротрещины.
Для меди и технического железа процесс циклического нагружения может быть разделен на три стадии [124, 125]. На первой из них
16
отмечается увеличение плотности дислокаций, дробление блоков и образование микропор. Начало второй стадии, которая является самой продолжительной, сопровождается формированием поверхностных микротрещин. На третьей, завершающей стадии, формируется магистральная трещина, распространение которой вызывает разрушение материала.
1.3.Периоды и стадии многоцикловой усталости
Диаграмма истинной, или многоцикловой усталости, для низких амплитуд и больших долговечностей разработана B.C. Ивановой [1]. Согласно классификации, предложенной в работах [1, 121], и современным представлениям процесс усталости в общем случае (для отожженных металлов) состоит из четырех основных периодов: I - инкубационного, связанного с накоплением искажений кристаллической решетки; II разрыхления, связанного с появлением нарушений сплошности металла (т. е. зарождением и развитием субмикроскопических трещин); III -стабильного роста усталостной трещины; IV - нестабильного роста усталостной трещины (рис. 1.3).
Для малоуглеродистых сталей [121, 126] на стадии циклической микротекучести, как и в области микротекучести при статическом растяжении, по всему объему материала протекает микропластическая деформация, связанная в основном с увеличением плотности дислокаций по границам зерен и у неметаллических включений, генерированием отдельных дислокаций исходными субграницами и образованием дислокаций в перлите на фаницах раздела феррит-перлит.
Наиболее важной особенностью поведения металла на этой стадии инкубационного периода является то, что в первых циклах нагружения
17
Рис. 1.3. Схема обобщенной диаграммы для многоцикловой усталости: 1 -линия начала макроскопического течения; 2 - линия скончания макроскопического течения; 3 - линия начала образования
макроскопических трещин (линия Френча); 5 - линия начала катастрофического разрушения (долома); 6 - кривая усталости (ГДЕЖ) (арн - напряжение нижнего разрыва; ак - критическое напряжение усталости; aw- предел усталости; a-:l - циклический предел текучести; аец - циклический предел упругости; Nk - критическое число циклов; Nw - базовое число циклов; а0 , (3 - критические усталости, предложенные B.C. Ивановой [1]; 8 = aw - a,“)
IX
происходит более интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя металла глубиной порядка размера зерна.
Во втором периоде усталости II происходит постепенное увеличение числа поверхностных устойчивых полос скольжения, расширение этих полос и слияние отдельных субмикротрещин, находящихся в полосах скольжения, в микротрещины размером, не превышающем размера зерна.
Период стабильного роста усталостной трещины - область между линиями 4 и 5. Начато этого периода усталости связано с переходом микротрещины через границу зерна и ее распространением в плоскости, перпендикулярной к направлению приложенной нафузки, в условиях реализации плоско-деформированного напряженного состояния у вершины трещины [121].
В третьем периоде происходит прогрессивное снижение характеристик прочности и пластичности, электропроводности, магнитной проницаемости [1].
Период нестабильного роста усталостной трещины (область между кривыми 5 и 6). Начато периода характеризуется нестабильным ростом усталостной трещины. В работе [127] показано, что на стадии окончательного разрушения напряжение долома является специфической характеристикой, которая в области многоцикловой усталости не зависит от уровня напряжений и исходной концентрации напряжений.
Таким образом, при проведении испытаний на усталость и при анализе циклической прочности материалов нужно всегда четко представлять, в какой области полной кривой усталости работает материал, какому периоду или стадии усталости соответствует состояние материала после определенного числа циклов нафужения.