Поверхность разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям в условиях промежуточного электростимулирования

Поверхность разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям в условиях промежуточного электростимулирования

О.В. Соснин, Ю.Ф. Иванов1, В.В. Целлермаер, Д.В. Лычагин2, В.Е. Громов, Э.В. Козлов2

Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия

1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

Методами фрактографии проведено исследование строения поверхности разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным многоцикловым испытаниям в нормальных условиях и в условиях промежуточного электростимулирования. Показано, что пластифицирующее действие электростимулирования в условиях усталостного нагружения стали 60ГС2, сопровождаемое релаксацией концентраторов напряжения, выражается в увеличении критической длины трещины, снижении скорости роста усталостной трещины в промежуточной зоне, уменьшении шага усталостного роста трещины и повышении коэффициента безопасности материала.

1. Введение

Как правило, усталостное разрушение является процессом, развивающимся во времени в локальных объемах материала. При достижении определенного критического состояния наступает разрушение образца в целом. На поверхности разрушения выявляются три характерные зоны — зона усталостного роста трещины, зона долома и разделяющая их зона ускоренного роста трещины [1-4]. Деформационные процессы, имеющие место при усталостных испытаниях материала, в полной мере развиваются в зоне усталостного роста трещины и, в существенно меньшей степени, в зоне долома. Одним из способов повышения ресурса работоспособности материала при усталости является электростимулирование, суть которого заключается в обработке образца мощными токовыми импульсами оптимальных параметров по частоте, амплитуде и времени воздействия на критической стадии усталостного нагружения [5-10]. В настоящей работе анализируются результаты, полученные при исследовании поверхности разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям в условиях промежуточного электростимулирования.

2. Материал и методика исследования

В качестве материала исследований была использована сталь 60ГС2 [11]. Предварительная термическая обработка — аустенизация при температуре 800820 °С, 1.5 ч с последующим медленным охлаждением — привела к формированию в ней поликристал-лической структуры, состоящей из зерен перлита, в основном пластинчатой морфологии, и зерен свободного феррита. По границам и в стыках зерен располагаются частицы цементита. Усталостные испытания проводили на специальной установке по схеме циклического несимметричного консольного изгиба [12]. Образцы имели форму параллелепипеда с размерами 8 х 14 х 145 мм. Имитация трещины осуществлялась надрезом в виде полуокружности радиуса 10 мм [10]. Температура испытаний ----300 K, частота нагружения образцов из-

гибом составляла 1-10 Гц. Электростимулирование проводили переменным током частотой -70 Гц в течение 15 с. Фрактографические исследования поверхности разрушения осуществляли на сканирующем микроскопе Tesla BS-301. В случае непрерывной схемы нагружения разрушение стали происходило после -71000

© Соснин О.В., Иванов Ю.Ф., Целлермаер В.В., Лычагин Д.В., Громов В.Е., Козлов Э.В., 2003

циклов. Прерванная схема нагружения (число циклов до остановки -50000), сопровождающаяся обработкой образца импульсным электрическим током, при последующем его нагружении приводила к разрушению образца после -109000 циклов (суммарное число циклов нагружения).

3. Результаты исследования и их обсуждение

Анализ строения поверхности разрушения стали показал, что в обоих образцах (обычном и электростиму-лированном) выделяются три зоны, которые принято [1-4] называть зоной усталостного роста трещины, зоной ускоренного роста трещины и зоной долома (рис. 1). Рассмотрим подробнее структуру каждой из данных зон.

3.1. Структура зоны усталостного роста трещины

Зона усталостного роста трещины электростимули-рованного образца делится на две неравные части ли-

Рис. 1. Фрактография поверхности разрушения нестимулированно-го

нией торможения фронта трещины (линия усталости, линия остановки фронта трещины) (рис. 1, б). Как правило, линии усталости обнаруживаются на изломах, образовавшихся при разрушении в условиях эксплуатации и при натурных усталостных испытаниях [2]. Эти линии менее распространены на изломах образцов, полученных в условиях лабораторных испытаний, прежде всего из-за малого времени испытаний и постоянства нагрузки, используемой в большинстве таких случаев. Линии остановки фронта трещины могут образоваться в результате действия ряда причин: изменения величины циклических нагрузок, избирательного окисления или коррозии отдельных зон и т.п. В нашем случае причиной образования линии усталости является, очевидно, остановка эксперимента для проведения обработки образца импульсным электрическим током (электростимулирование). Действительно, в нестимулированном (исходном) образце линий усталости не наблюдается (рис. 1, а).

Ширина зоны усталостного роста трещины коррелированным образом изменяется с увеличением числа циклов нагружения, демонстрируя тенденцию к замедлению данного процесса (рис. 2). Ширину зоны усталостного роста трещины приравнивают к критической длине трещины [1, 13]. Следовательно, электростимулирование стали на промежуточной стадии нагружения приводит к увеличению критической длины трещины в 1.25 раза, увеличивая тем самым ресурс работоспособности материала. Однако отклонение хода кривой, представленной на рис. 2, от линейной зависимости свидетельствует о протекании при усталостных испытаниях исследуемой стали изменений структуры и фазового состава, которые не устраняются в полной мере при импульсной обработке электрическим током и, накапливаясь, снижают ресурс работоспособности материала.

При каждом цикле изменения нагрузки у вершины трещины имеет место значительная, но весьма локализованная пластическая деформация. Поликристалли-ческий характер структуры (зеренное строение) определяет тот факт, что фронт разрушения материала претер-

Ь, мм 1.2

1.1

1.0

0.9

50 60 70 80 90 100 М, 103

Рис. 2. Зависимость среднего размера зоны усталостного роста трещины h от числа циклов нагружения N

Рис. 3. Зоны усталостного роста трещины исходного (а) и электростимулированного (б) образцов. Стрелками указано макроскопическое направление распространения излома

певает локальное разделение — многократное ветвление. Образуется большое число микроскопически видимых параллельно расположенных следов разрушения. Характерные изображения зоны усталостного роста трещины стали 60ГС2, демонстрирующие различные элементы ее строения, представлены на рис. 3. Схема строения усталостного излома, поясняющая данный рисунок, приведена на рис. 4 [14].

К самым важным признакам усталостной зоны разрушения материала относятся усталостные бороздки [1-4, 13, 14]. Характерное изображение поверхности разрушения стали с усталостными бороздками приведено на рис. 5. Под понятием «усталостные бороздки» в общем виде понимают полоски последовательно расположенных углублений и выступов или полоски со ступеньками сброса, ограниченные этими углублениями, располагающиеся параллельно фронту трещины. С каждым циклом нагружения трещина (излом) продвигается

вперед на определенное расстояние. При этом на поверхности разрушения остается последовательный ряд полосок. Следовательно, полоски являются следом перемещающейся в общем случае на один шаг за каждый цикл нагружения трещины. По предложению Шмитта-Томаса и Клингеле данные полоски и назвали усталостными бороздками [14]. Они перпендикулярны или почти перпендикулярны к направлению распространения трещины. Бороздки могут быть непрерывными и правильными (характерны для сплавов алюминия) с уменьшающимся расстоянием между ними по мере уменьшения уровня напряжений и скорости распространения трещины. Они могут быть прерывистыми и неправильными, что характерно для поверхности разрушения сталей.

При прочих равных условиях, связанных с организацией эксперимента усталостного нагружения, рас-

Рис. 4. Схема строения усталостного излома [14]: I — макроскопи- Рис. 5. Фрактография поверхности разрушения; зона усталостного

ческое направление распространения излома; II — вторичные трещи- роста трещины; исходный образец. Сплошными стрелками указаны

ны; III — усталостные бороздки; 1-13 — полосы разрушения усталостные бороздки, пунктирными — фреттинг-частицы

Рис. 6. Фрактография поверхности разрушения, зона ускоренного роста трещины: исходный образец

стояние между бороздками будет определяться способностью материала сопротивляться распространению усталостной трещины: чем меньше расстояние между бороздками, тем большей сопротивляемостью распространению трещины обладает материал. Проведенные нами исследования показали, что среднее расстояние между усталостными бороздками в нестимулированном образце -1.175 мкм, в образце, подвергнутом электростимулированию на промежуточной стадии нагружения, -0.61 мкм. Следовательно, шаг трещины за один цикл усталостного нагружения в электростимулиро-ванном материале в -2 раза меньше, чем в обычном. Это означает, что электростимулированный материал обладает заметно более высокой сопротивляемостью распространению усталостной трещины.

Поверхность разрушения, как правило, имеет сложное строение. В двухфазных материалах, к которым относится анализируемая в настоящей работе сталь 60ГС2, как правило, реализуется смешанный механизм усталостного разрушения. При анализе приведенной на рис. 5 фотографии выявляются ямки вязкого разрушения и фасетки квазискола. Ямки являются преобладающим элементом структуры поверхности разрушения и образуются в результате срезания микропор, через которые прошло разрушение стали.

3.2. Структура зоны ускоренного роста трещины

Переход от усталостной зоны к зоне долома не является резким. Обычно данные зоны разделяет слой ускоренного развития разрушения, строение которого определяет возрастающая скорость распространения трещины. Увеличение количества и глубины вторичных трещин в этой зоне сопровождается большими вторичными ступеньками сброса. Происходит локальное отклонение направления излома и увеличение шероховатости. При анализе фрактограмм исследуемой стали было установлено, что ширина зоны ускоренного роста усталостной трещины в исходном образце составляет -260 мкм, в электростимулированном образце она несколько меньше -200 мкм. Строение слоя ускоренного

развития разрушения представлено на рис. 6. Отчетливо виден более грубый характер рельефа данного слоя по сравнению с рельефом зоны усталостного роста трещины. Наиболее существенно это выражено в исходном образце (рис. 6, а). В электростимулированном образце структура зоны усталостного роста трещины заметно более дисперсная (рис. 6, б). Последнее свидетельствует о том, что скорость разрушения материала в данном случае ниже, чем в исходном образце. Следовательно, электростимулирование стали на промежуточной стадии усталостного нагружения способствует снижению скорости роста усталостной трещины в промежуточной зоне, что свидетельствует, во-первых, о повышении ресурса работоспособности материала и, во-вторых, о повышении безопасности использования данного материала в изделии.

3.3. Структура зоны долома

В зоне долома структура поверхности разрушения отличается по многим параметрам. Как следует из анализа фрактограмм, представленных на рис. 7, по мере удаления от зоны ускоренного роста усталостной трещины ячеистый характер излома сопровождается появлением бороздок, увеличивается доля площади поверхности, разрушение на которой произошло по механизму скола, гладкий скол становится преобладающим. Судя по размерам областей скола, на данной стадии роста трещины разрушение материала носит межзеренный характер.

По величине отношения площади чисто усталостной зоны к площади зоны, занятой доломом, можно ориентировочно судить о значении коэффициента безопасности данного материала [1]: чем меньше это отношение, тем ниже коэффициент безопасности при одной и той же величине нагрузки усталостных испытаний. Анализ фрактограмм исследуемой стали показал, что значение данного коэффициента в исходном образце -0.37; в электростимулированном -0.44. Следовательно, электростимулирование стали несколько повышает коэффициент безопасности ее эксплуатации.

Рис. 7. Структура поверхности разрушения электростимулированного образца. Зона ускоренного роста трещины

Рис. 8. Гистограммы размеров фреттинг-частиц, образующихся при усталостном нагружении стали 60ГС2 в условиях электростимулирования на промежуточной стадии (а) и без стимулирования (б); D — диаметр частицы; W — относительное содержание частиц данного размерного класса

3.4. Явления фреттинга при усталостном разрушении стали 60ГС2

Еще одним элементом структуры поверхности разрушения, формирующимся при усталостном нагружении исследуемой стали, являются частицы сферической или глобулярной формы (рис. 5, частицы указаны пунктирными стрелками). Полагают, что данные частицы формируются в результате фреттинга [3]. Фреттинг — это вид (форма) разрушения на границе раздела двух соприкасающихся поверхностей, которые слабо колеблются относительно друг друга [1-3, 15]. В [3] предлагается следующий механизм формирования частиц округлой формы (сферических и глобулярных) при росте усталостной трещины. Вдоль фронта растущей усталостной трещины происходит разрушение материала лишь на отдельных участках по механизму поперечного сдвига и отрыва с формированием псевдобороздчатого рельефа излома или по механизму нормального отрыва с формированием усталостных бороздок. Между микро-или макротуннелями в перемычке между ними возникает ротационная пластическая деформация. В полу-цикле растяжения и сжатия образца происходит противоположное по направлению вращение локальных объемов материала. При этом локализация пластической деформации сопровождается разогревом материала. После достижения предельной плотности дислокаций по границам вращающихся объемов материала образуется свободная поверхность. Сформировавшиеся таким образом частицы будут иметь цилиндрическую или сферическую (глобулярную) форму. Локальный разогрев материала может приводить к поверхностному окислению частиц. Следует отметить, что формирование подобных частиц является высокоэнергоемким процессом. Это может способствовать поглощению энергии цикла нагружения и приводить к задержке развития трещины и разрушения всего образца в целом.

Проведенные нами исследования показали, что средние размеры фреттинг-частиц зависят от условий осуществления эксперимента. Они заметно крупнее

и их средний размер равен 1.87 ± 1.07 мкм, в электро-стимулированном образце средние размеры частиц меньше— 1.15 ± 0.03 мкм. Распределение частиц по размерам представлено на рис. 8. Отчетливо видно, что в электростимулированном на промежуточной стадии нагружения образце (рис. 8, а) разброс частиц по размерам существенно меньше, чем в исходном (рис. 8, б). Это, по-видимому, свидетельствует о более равномерном подрастании усталостной трещины в электрости-мулированной стали по сравнению с исходной. Последнее может указывать на факт релаксации концентраторов напряжения в стали при ее обработке переменным электрическим током, т.е. на факт формирования более равнопрочного состояния по сравнению с исходным материалом.

Следуя рассуждениям о механизме формирования частиц округлой формы (сферических и глобулярных) при росте усталостной трещины, предложенном в [3], можно ожидать, что средние размеры данных частиц должны быть связаны с величиной шага усталостной трещины (с расстоянием между усталостными бородками). Действительно, такая корреляция выявляется. Среднее расстояние между усталостными бородками в

нестимулированном образце-----1.175 мкм, в образце,

подвергнутом электростимулированию на промежуточной стадии нагружения,---0.61 мкм, т.е. шаг трещины

за один цикл усталостного нагружения в электрости-мулированном материале в ~2 раза меньше, чем в исходном. С другой стороны, средние размеры фреттинг-частиц заметно крупнее (в ~1.6 раза) в образце, не подвергавшемся стимулированию, т.е. с большим средним значением шага усталостной трещины. Это означает, что электростимулированный материал обладает заметно более высокой сопротивляемостью распространению усталостной трещины.

4. Заключение

Установлено, что поверхность разрушения стали 60ГС2, подвергнутой усталостным испытаниям, имеет сложное строение и состоит из зоны усталостного роста

трещины, зоны долома и разделяющего их слоя ускоренного роста трещины. Разрушение материала в зоне усталостного роста трещины осуществляется в основном по вязкому механизму; в зоне долома выявляются участки хрупкого скола, количество которых увеличивается по мере удаления от зоны усталостного роста трещины. Совокупность полученных в работе количественных результатов свидетельствует о том, что электростимулирование в условиях усталостного нагружения оказывает пластифицирующее действие на структуру стали 60ГС2, что сопровождается релаксацией концентраторов напряжения и выражается в увеличении критической длины трещины в -1.25 раза, снижении скорости роста усталостной трещины в промежуточной зоне, уменьшении шага усталостного роста трещины за один цикл нагружения в -2 раза, росте сопротивляемости материала распространению трещины и повышении коэффициента безопасности в -1.2 раза.

Литература

1. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. - М.: Металлургия, 1990. - 622 с.

2. Фрактография и атлас фрактограмм / Под ред. Дж. Феллоуза. -М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

3. Иванова В.С., Шанявский A.A. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. - Челябинск: Металлургия, 1988. - 400 с.

4. ТерентьевВ.Ф. Усталость металлических материалов. - М.: Наука, 2002. - 248 с.

5. Sprecher A.F., Mannan S.L., Conrad H. On the mechanisms for the electroplastic effect in metals // Acta Met. - 1986. - V. 3. - No. 7. -P. 1145-1162.

6. ГромовВ.Е., ЗуевЛ.Б., Козлов Э.В., Целлермаер В.Я. Электростиму-

лированная пластичность металлов и сплавов. - М.: Недра, 1996. -280 с.

7. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Громов В.Е., Трусова Г.В. О возможности залечивания усталостных повреждений // Металлофизика и новейшие технологии. - 1997. - Т. 19. - № 4. - С. 80-82.

8. ГромовВ.Е., Семакин Е.В., Целлермаер В.Я., Соснин О.В. Электро-

стимулированное восстановление ресурса выносливости сварных соединений // Изв. РАН. Сер. физич. - 1997. - № 5. - С. 10191023.

9. Иванов Ю.Ф., Лычагин Д.В., Громов В.Е., Целлермаер В.В., Соснин О.В., Коваленко В.В., Коновалов С.В. Мезоскопическая субструктура и электроимпульсное подавление усталостного разрушения // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 103-108.

10. Электростимулированная малоцикловая усталость / Под ред. О.В. Соснина, В.Е. Громова, Э.В. Козлова. - М.: Недра коммюни-кейшенс ЛТД, 2000. - 208 с.

11. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

12. Испытания металлов. - М.: Металлургия, 1967. - 452 с.

13. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 456 с.

14. Энгеле Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справочное изд. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1986. -232 с.

15. Коррозия. Справ. изд. / Под ред. Л.Л. Шрайера. - М.: Металлургия, 1981. - 632 с.

Fracture surface of 60MgSi2 steel in conditions of fatigue and intermediate electrostimulation

O.V Sosnin, Yu.F. Ivanov1, V.V. Tsellermaer, D.V. Lychagin2, V.E. Gromov, and E.V. Kozlov2

Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia 1 High-Current Electronics Institute, SB RAS, Tomsk, 634055, Russia

2 Tomsk State Architecture-Building University, Tomsk, 634003, Russia

Using fractography methods the structure of fracture surface of 60MnSi2 steel under high-cyclic fatigue was examined in normal conditions and in conditions of intermediate electrostimulation. Plastification effect due to electrostimulation is accompanied by relaxation of stress concentrators and is manifested in: (i) an increase of a critical crack length; (ii) a decrease in the fatigue crack velocity in an intermediate zone; (iii) a reduction of the fatigue crack increment and (iv) an increase in the safety factor of a material.