Влияние локализованной деформации на характер разрушения стали ВКС-12 при варьировании жесткости напряженного состояния

УДК 539.3, 539.422

Влияние локализованной деформации на характер разрушения стали ВКС-12 при варьировании жесткости напряженного состояния

Л.С. Деревягина, В.Е. Панин, А.И. Гордиенко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В работе исследуются механические свойства, конфигурация зон пластичности и их изменение во время растяжения образцов с надрезами конструкционной стали ВКС-12. Количественные исследования зон пластичности выполнены с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC путем построения картин распределения интенсивности деформации. Сопоставляя фрактограммы и картины распределения характеристик деформации, в работе также анализировали процесс разрушения, взаимосвязанный с пластическим течением. Обнаружено, что разрушение начинается в области с максимальной величиной интенсивности деформации. Установлено, что закономерности пластического течения в образцах с П < 1.58 и П > 4.65, где П — показатель исходной жесткости напряженного состояния, существенно различны. Показано, что в исследованных образцах стали ВКС-12 характер разрушения квазихрупкий, однако на всех стадиях разрушения сохраняется вязкий микромеханизм разрушении путем зарождения и роста пор.

Ключевые слова: деформация, разрушение, методы измерения деформаций, зоны пластичности, напряженное состояние

Effect of localized strain on fracture of high-strength structural steel with varying stress stiffness

L.S. Derevyagina, V.E. Panin and A.I. Gordienko

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The paper studies the mechanical properties and configuration of plastic zones in notched high-strength structural steel under tension. Quantitative analysis of the plastic zones is made by constructing strain intensity distribution patterns with the use of the television-optical measuring complex TOMSC. Fracture associated with plastic flow is analyzed by comparing the fractographs and the distributions of strain characteristics. It is found that the fracture originates in a region with maximum strain intensity. It is shown the mechanisms of plastic flow in high-strength steel specimens with П < 1.58 and П > 4.65, where П is the index of initial stress stiffness, differ considerably. It is demonstrated that the high-strength steel specimens are fractured by quasibrittle mechanisms; however, ductile micromechanisms through pore nucleation and growth remain operative at all stages of fracture.

Keywords: deformation, fracture, methods of strain measurements, plastic zones, stress state

1. Введение

Для реальных конструкций важна оценка склонности материала к «геометрической хрупкости», проявляющаяся в виде отсутствия макропластической деформации [1] и в характере разрушения. Работоспособность конструкции под нагрузкой и характер ее разрушения определяются закономерностями упругопластического

течения в локальных областях вблизи концентраторов напряжений: трещиноподобных дефектов, надрезов и т.д. К настоящему моменту закономерности пластического течения и их связь с последующим разрушением для разных схем нагружения образцов (конструкций) остаются до конца не выясненными. Это обусловлено тем что, во-первых, как процессы пластической дефор-

© Деревягина Л.С., Панин В.Е., Гордиенко А.И., 2009

мации, так и процессы разрушения зависят от многих внешних и внутренних факторов; во-вторых, неоднозначностью влияния пластической деформации на процесс разрушения, поскольку пластическое течение может как ускорять, так и сдерживать его; в-третьих, трудоемкостью методов исследования деформированного состояния.

В этой связи необходим учет всех этих факторов и использование точных методов оценки деформации. Применение оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC [2], значительно упрощает и облегчает процедуру количественной оценки локальных характеристик деформации.

Оценка «геометрической хрупкости» особенно актуальна для высокопрочных материалов, поскольку у них возрастает величина предела текучести и, следовательно, увеличиваются рабочие напряжения и запасенная в реальной конструкции (образце) упругая энергия.

Цель настоящей работы: исследовать механические свойства высокопрочной конструкционной стали марки ВКС-12 в условиях изменения жесткости исходного напряженного состояния. Проанализировать организацию пластического течения путем количественной оценки локальных характеристик деформации и взаимосвязанный с нею процесс разрушения стали.

2. Материал и методы исследования

В качестве материала исследования использовали сталь ВКС-12. Конструкционная сталь марки ВКС-12 является материалом для авиационной техники нового поколения [3]. Ее механические свойства характеризуются высокими значениями предела текучести ст0.2 = = 1748 МПа, предела прочности ств = 2100-2300 МПа и достаточной величиной пластичности 8 = 8 %. Химический состав стали марки ВКС-12 приведен в табл. 1. Сталь находится в состоянии после термической обработки закалкой при Т = 950 °С в масле и отпуском продолжительностью 3 ч при Т = 200 °С.

Согласно [4] при такой обработке микроструктура стали ВКС-12 — высокодисперсный пакетный и пластинчатый мартенсит с размером пластин < 1.5-2 мкм (рис. 1, а). Обнаружены также частицы вторых фаз — карбиды ванадия V2C и VC (на рис. 1, а частица показана стрелкой).

Испытания на одноосное растяжение проводили при комнатной температуре на установке ИМАШ-2078 со скоростью движения захватов ~9.6 мм/ч. Исследовали

образцы с одним или двумя надрезами с разной их геометрией (рис. 1, б).

Количественную аттестацию деформированного состояния в зонах геометрических концентраторов напряжений осуществляли с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Методика измерения полевых пластических деформаций, разработанная на основе этого комплекса, подробно изложена в работе [5]. Рассчитывали величины линейных £x =dUx/Эх, еу =dUy/Эу и сдвиговых exy = 1/2X х(ЭUxjду + dUyjдх) компонент деформации, интенсивности деформации

ei = л/2/Зд/(е 1 -е2)2 + (е2 -е3)2 + (е3 -е1)2 и строили картины их пространственного распределения.

Фрактографический анализ изломов проводили с использованием растрового электронного микроскопа Philips SEM 515.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

В табл. 2 приведены геометрические характеристики надрезов. Показатель жесткости напряженного состояния П в вершине надрезов исследуемых образцов, рассчитывали по формуле [6]: П = ^ + 3ln(1 + t/4R), где коэффициент К = 1.5; t—толщина образца; R — радиус кривизны в вершине надреза.

Таблица 1

Состав стали ВКС-12

С Si Ni Cr Mo Co V Mn Fe

%, вес. 0.4 2.8 4 1.2 0.6 2.3 0.08 0.4 88.22

Рис. 1. Микроструктура стали ВКС-12

Таблица 2

Образцы и некоторые их характеристики

№ Образец стали ВКС-12 Радиус надреза R, мм Толщина образца t, мм Показатель жесткости П Скорость деформирования е -103, с-1 я 7^ °7ав

1 Образец без надреза - 0.85 1 0.168

Шейка образца без надреза 6.65 0.7 1.57

2 Тип 1 7.975 0.87 1.58

3 Тип 2 0.125 0.93 4.65 0.1 1.3

4 Тип 3 1.12 5.03 0.17 1.16

5 Тип 4 0.09 1.44 6.32 0.275 0.31 0.74

6 1.5 6.42 0.37 0.78

7 Тип 5 2.49 7.7 0.296 0.45 0.68

8 Тип 6 0.088 4.97 9.64 0.166 0.57 0.73

9 Тип 7 0.075 10.09 0.421 0.54 0.67

10 0.79 0.72

Поскольку на жесткость напряженного состояния помимо толщины образца и радиуса надреза влияет величина скорости макродеформации, то в таблице для каждого образца указана скорость деформирования и ряд характеристик материала, полученных в ходе эксперимента: 5 — отношение площади ортогональ-

ного отрыва 51 ко всей площади излома S0 (вернее ее проекции на плоскость, перпендикулярную оси растяжения), страз/ ств — отношение напряжения страз, при котором разрушается образец с надрезом, к пределу прочности образца без надреза ств.

На рис. 2 представлены диаграммы растяжения образцов стали ВКС-12.

Образцы №№ 2-4 (нумерация образцов соответствует порядковому номеру в табл. 2) с показателем жесткости до П = 5.03 оказались не чувствительны к надрезу, т.к. для них ств/ств > 1. Для образцов №№ 5-11 с П > 5.03 отношение ств/ств < 1, и, следовательно, они чувствительны к надрезу. Прочностные свойства с ростом показателя П для образцов не чувствительных к надрезу возрастают, а для образцов чувствительных к надрезу — уменьшаются. Пластичность для всех образцов с надрезами, по сравнению с образцами без надрезов, уменьшается и тем больше, чем больше показатель напряженного состояния П. Таким образом, образцы ВКС-12 с надрезами с ростом показателя П охрупчи-ваются, что проявляется в уменьшении величины их остаточной деформации. Охрупчивание образцов с надрезами проявляется также в характере разрушения, о чем свидетельствуют результаты фрактографического анализа, рассмотренные ниже.

На рис. 3, а представлена металлографическая картина деформационного рельефа и картины изолиний их (б) и иу (в) плоского образца с надрезами № 2 стали ВКС-12 с П = 1.58.

Видно, что в нем формируется типичная симметричная шейка путем развития двух макрополос локализованной деформации, подобно тому как это наблюдали в шейке образца без надрезов [7]. В месте пересечения макрополос в центре шейки наблюдается максимальная величина интенсивности деформации (рис. 3, г), так же как и в образце без надрезов. Эта область, в которой прошло максимальное формоизменение, имеет наименьший запас пластичности или наибольшую склонность к разрушению.

С точки зрения силового аргумента состояние в центральной части шейки, вследствие реализации в ней объемного состояния, также более хрупкое, чем в областях ближе к поверхности, где реализуется плосконапряженное состояние. Таким образом, необходимая для зарождения магистральной трещины комбинация деформации и жесткости напряженного состояния (или напряжения растяжения) достигается в центральной части шейки. Макротраектория разрушения в центральной части шейки перпендикулярна оси растяжения, а приближаясь к поверхности, переходит в наклонную

Рис. 2. Диаграммы растяжения стали ВКС-12: 1 — образец без надреза, 2-10 — образцы с надрезами

7 0.00125

0.00250

0.00375

/ 0.00500

0.00625

0.00750

0.00875

0.01000

5

12 X

Рис. 3. Деформационный рельеф (а), изолинии их(б) и Ц,(в), распределение величины интенсивности деформации при е = 1.8 % (г), разрушенный (д) образец № 2 с П « 1.58

(рис. 3, д). Таким образом, при растяжении образцов с показателем напряженного состояния П = 1.58 закономерности развития деформации и их разрушение подобны образцам без надреза (в шейке образца без надреза перед его разрушением П = 1.57).

С ростом показателя жесткости напряженного состояния П закономерности пластического течения резко

изменяются. Так, в образце .№ 3 с П = 4.65 пластическое течение развивается от надрезов (рис. 4, а). С ростом степени деформации зоны пластического течения увеличиваются в размере. На картинах изолиний (рис. 4, б, в) наблюдаются типичные для геометрического концентратора напряжений зоны двулепестковой конфигурации. Согласно картине распределения интенсивности

5

Рис. 4. Деформационный рельеф (а), изолинии их (б) и и,(в), распределение величины интенсивности деформации при е = 1.5 % (г), разрушенный (д) образец с надрезами № 3 с П = 4.65

деформации (рис. 4, г) максимальное формоизменение происходит в вершине надрезов.

Вследствие этого магистральная трещина зарождается вблизи зоны надрезов, о чем свидетельствует максимальное расстояние, на которое удалены друг от друга поверхности разрушения в вершине надрезов (рис. 4, д).

Этот факт подтверждают результаты фрактографи-ческого анализа. На фрактограммах образца №2 4 (фрак-тограммы образцов №№ 3 и 4 подобны), снятых при малых увеличениях растрового микроскопа (рис. 5, а), величина утяжки в сечении у надрезов незначительна. Четко различается зонный характер топографической картины излома. Первая стадия роста трещины, или стадия вытяжки по терминологии [8], занимает незначительную площадь от всей площади излома. Она находится непосредственно под надрезом, и на макротраектории излома ей соответствует скошенная кромка, расположенная под углом 45° к оси нагружения. На рис. 5, б эта стадия в образце № 7 с одним надрезом выделена рамкой. Трещина возникает у вершины надреза в некотором месте по толщине образца и не охватывает всю ширину поперечного сечения. Согласно [8] на начальной стадии трещина развивается в результате сдвигового разрушения по плоскостям максимальных касательных напряжений. Высота зоны вытяжки -50 мкм, т.е. порядка двух зерен.

Возле надрезов выделяются зоны треугольной формы, ортогональные оси растяжения (рис. 5, а, области 1), острые концы которых направлены в центр макроизлома. Остальная поверхность излома ориентирована к оси растяжения под углом - 45°. С макроскопической точки зрения наличие скошенных поверхностей указывает на разрушение, осуществляемое в условиях плоского напряженного состояния. Ортогональную поверхность излома рассматривают как следствие развития трещины в условиях объемного напряженного состоя-

ния при плоской деформации. Таким образом, наблюдаемую конфигурацию фронтов магистральных трещин и их изменение в процессе развития разрушения, очевидно, следует связывать с соотношением объемов металла, занимаемых этими напряженными состояниями. Следует отметить, что размер зоны излома перпендикулярной оси растяжения зависит от степени стеснения поперечной деформации (вдоль переднего края трещины). На степень стеснения влияет толщина образца, с увеличением которой напряженное состояние изменяется от плоского к объемному напряженному состоянию. Так, на рис. 5, б представлена фрактограмма образца № 7 с одним надрезом с показателем жесткости напряженного состояния П = 7.7, толщина которого почти вдвое больше, чем образца № 4. Площадь ортогонального отрыва в нем больше. Аналогичное влияние оказывает увеличение скорости деформирования (см. табл. 2).

Подобный зонный характер фрактограмм, свидетельствующий о стадийности процесса разрушения или смешанном характере разрушения, обнаружен для всех исследуемых образцов. Было установлено, что с ростом показателя жесткости П площадь ортогонального отрыва Я1 увеличивается по отношению к площади всего сечения (вернее ее проекции на плоскость, ортогональную оси растяжения) (см. табл. 2).

Установлено, что микромеханизм разрушения, наблюдаемый во всех зонах изломов, — вязкий, ямочный путем зарождения, роста и последующего объединения пор. В ортогональных зонах 1

Рис. 5. Фрактографические картины образца № 4 с П * 5.03

роста трещин позволяет заключить, что характер разрушения исследуемых образцов квазихрупкий.

4. Заключение

В работе проведено исследование влияния исходного напряженного состояния на механические свойства, закономерности пластического течения и особенности макрохарактера и микромеханизмов разрушения образцов стали ВКС-12 с надрезами разной конфигурации.

Показано, что образцы с показателем напряженного состояния П < 5.03 не чувствительны к надрезу, а с П > 5.03 — чувствительны. Для образцов не чувствительных к надрезам, по сравнению с однородными образцами, увеличение показателя П приводит к увеличению напряжения течения и снижению пластичности. Для чувствительных образцов к надрезу с ростом П снижаются и напряжение течения, и пластичность.

Установлено, что закономерности пластического течения в образцах с П < 1.58 и П > 4.65 существенно различны. В образцах с надрезами с показателем П = = 1.58 максимальная интенсивность деформации развивается в центральной части шейки. Это обстоятельство обусловливает начало развития магистральной трещины в центральной части шейки в условиях объемного напряженного состояния отрывом. В образцах с показателем жесткости П > 4.65 формируются зоны с типичной двухлепестковой конфигурацией, в которых максимальная величина интенсивности деформации развивается в вершинах надрезов, где и начинается их разрушение. Таким образом, показано, что для осуществления разрушения важна комбинация определенной степени деформации и жесткости напряженного состояния (или растягивающих напряжений).

Показано, что характер разрушения образцов стали ВКС-12 с надрезами квазихрупкий. Однако во всех исследованных образцах с надрезами с изменением показателя П от 1.58 до 10.09 на всех стадиях процесса разрушения сохраняется вязкий микромеханизм разрушения путем зарождения и роста пор.

Литература

1. Фонштейн Н.М. О критерии К1с // МиТОМ. - 1976. - № 8. - С. 6678.

2. Syryamkin VI., Panin S.V. Television-optical technique for materials investigation and diagnostics of state of loaded materials and structure parts // Выиислительны1е технологии. - 2003. - Т. 8. - С. 1025.

3. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б. Влияние высокоградиентной направленной кристаллизации на структуру и механические свойства высокопрочных сталей ВНС-12 и ВКС-12 // Металлы. - 2006. - N° 6. -С. 37-40.

4. Панин В.Е., Каблов Е.Н., Плешанов В.С., Клименов В.А., Иванов Ю.Ф., Почивалов Ю.И., Кибиткин В.В., Напрюшкин А.А., Нехорошков О.Н., Лукин В.И., Сапожников С.В. Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и сопротивление усталости сварных соединений высокопрочной стали ВКС-12 // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 2. - С. 85-96.

5. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Количественная оценка напряженно-деформированного состояния в зоне геометрического макроконцентратора напряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2002. - № 4. - С. 43-49.

6. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. -М.: Металлургия, 1989. - 176 с.

7. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Стрелкова И.Л., Мирхайдарова А.И. Анализ напряженно-деформированного состояния в шейке плоского образца высокопрочной стали при разрушении // Физ. мезо-мех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 1. - С. 374-377.

8. Ботвина Л.Р. Разрушение. Кинетика, механизмы, общие закономерности. - М.: Наука, 2008. - 334 с.

9. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. - М.: Машиностроение, 1984. - 223 с.

Поступила в редакцию 14.12.2008 г., после переработки 18.05.2009 г.

Сведения об авторах

Деревягина Людмила Сергеевна, к.ф.-м.н., снс ИФПМ СО РАН, lsd@ispms.tsc.ru

Панин Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., академик РАН, научный руководитель ИФПМ СО РАН, paninve@ispms.tsc.ru Гордиенко Антонина Ильдаровна, к.ф.-м.н., мнс ИФПМ СО РАН, lsd@ispms.tsc.ru