Мезомасштабные закономерности усталостного разрушения сварных соединений высокопрочной стали

Мезомасштабные закономерности усталостного разрушения сварных соединений высокопрочной стали

В.Е. Панин, В.В. Кибиткин, B.C. Плешанов, Ю.И. Почивалов,

Н.А. Лебедева, C.A. Кобзева, В.И. Лукин1, Л.Л. Старова1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Всероссийский институт авиационных материалов, Москва, Россия

Исследованы закономерности усталостного разрушения сварных соединений высокопрочной стали. Обнаружено, что на мезоуровне малоцикловая усталость сварных соединений представляет собой трехстадийный процесс. Стадия формирования усталостной трещины очень длительна, а разрушение определяется высокими значениями скорости роста трещины в глубину образца и скорости раскрытия ее берегов на последней стадии разрушения. Развитие трещины связано с образованием доменной мезоструктуры вблизи ее вершин и происходит по смешанному типу (I + II), где мода II преобладает.

Mesoscale regularities of fatigue fracture of high-strength steel welded joints

V.E. Panin, V.V. Kibitkin, V.S. Pleshanov, Yu.I. Pochivalov, N.A. Lebedeva,

S.A. Kobzeva, V.I. Lukin, and L.L. Starova

The regularities of fatigue fracture of the high-strength steel welded joints are investigated. It is shown that the low-cycle fatigue of weldments can be divided into three stages. The stage of fatigue crack formation is very long, and failure accumulation is defined by the high crack growth rate for the depth of the specimen and by the high crack walls opening rate at the last stage. Crack spreads by combined mode (I + II) where mode II dominates, and it is related to the domain mesostructure in the vicinity of crack tips.

Причина разрушения сварных соединений часто обусловлена накоплением усталостных повреждений. Усталость металла сопровождается необратимой деформацией на всех масштабных уровнях. Для измерения степени накопления усталостных повреждений эффективным является применение оптико-телевизионного метода [1-3]. Он позволяет измерять пластическую деформацию материала в форме полей векторов смещений элементарных участков поверхности. Метод основан на компьютерной обработке двух оптических изображений поверхности образца до и после нагружения.

Ранее при исследовании механизмов усталостного разрушения низколегированной конструкционной стали были выявлены пять стадий накопления повреждений [4]: деформационного упрочнения и формирования усталостной трещины (1), квазихрупкого (2), хрупкопластического роста усталостной трещины (3), магистральной трещины (4), образования зоны пластической вытяжки и долома (5).

В настоящей работе экспериментально исследован механизм накопления усталостных повреждений в сварных соединениях стали мартенситного класса ВКС-12. Эта сталь имеет следующие механические характеристики:

предел упругости 960 МПа, условный предел текучести 1 300 МПа, предел прочности 2 220 МПа, относительное удлинение 6-8 %.

Микроструктура основного металла и сварного шва представляет собой высокодисперсный пластинчатый мартенсит с размером пластин < 1мкм. Мартенсит стали ВКС-12 имеет тетрагональную решетку с a = 0.2876 нм, b = = 0.2894 нм, с = 0.2964 нм. Микротвердость основного металла составляет 5 400 МПа при нагрузке 200 г. Облицовочный шов имеет дендритную структуру, корневой — отпущенную полиэдрическую. При сварке в зоне термического влияния (ЗТВ) происходит рост зерен до 50 мкм.

Испытания проводили в условиях малоцикловой усталости по схеме циклического растяжения. Прикладываемое напряжение изменялось по гармоническому закону a(t) = ст0 + стт sin(2nft), где ст0 = 429 МПа, стт = = 351 МПа, f = 1 с-1. При этом поперечный сварной шов располагался в средней части образца. Размеры плоских образцов составляли 170 х 14.9 х 3.25 мм, их поверхности предварительно механически полировали и незначительно протравливали. После приращения циклической нагрузки образец полностью разгружали, что позволяло

© Панин В.Е., Кибиткин В.В., Плешанов В.С., Почивалов Ю.И., Лебедева Н.А., Кобзева С.А., Лукин В.И., Старова Л.Л., 2004

“ ЕЕЕГЕЕЕЕЕ:

1 “ГГГТГГ

Пт! 1,1,!!} \ г()'ИпГи^^ :::

т 1 щ^=<777?гг~

//У ] 1 [/ УП'

"::-1 и; г ЕНЕЕЕЕг

1111Ё11

---к а >|

Рис. 1. Изображения трещины, формирующейся вблизи дефекта материала ЗТВ

устранить уиругую составляющую смещений. При ирове-дении эксиериментальных исследований исиользовали ис-иытательную машину Schenck Sinus-100.40, микроскои АхюуеГ: 25 СА и оитико-телевизионный комилекс TOMSC.

Обнаружено, что усталость сварных соединений стали ВКС-12 иредставляет собой трехстадийный ироцесс, который включает стадию образования ирииоверхностных трещин (1), стадии квазихруикого (2) и хруикоиласти-ческого роста доминирующей трещины (3).

Стадия 1 (0 < V < 0.9). На мезоуровне формированию усталостной трещины иредшествуют отдельные иласти-ческие сдвиги, регистрируемые в ЗТВ лишь ири значительном ириращении циклической нагрузки Дv ~ 0.4 (где

V = Ы/Ы2 — циклическое отношение). Скорость этих сдвигов составляет ириблизительно 0.04 нм/цикл. При

V ~ 0.8 в области ЗТВ (иногда в области шва) вблизи границы раздела ЗТВ - шов зарождаются усталостные трещины. Они образуются ио механизму микротуннелирования [5]. Длительность иервой стадии гииертрофированно высока и составляет до 90 % долговечности сварных соединений.

Стадия 2 (0.9 < V <0.95). Вторая стадия связана с развитием доминирующей усталостной трещины (рис. 1), которая возникает сравнительно иоздно (V ~ 0.85-0.9) и ее рост ирактически не соировождается необратимой деформацией на мезоуровне. Особенностью высокоирочной стали является то, что доминирующая трещина некоторое время остается ирактически невидимой в оитический мик-роскои, и лишь в режиме дифференциального интерфе-рометрического контраста удается фиксировать ее развитие. В иределах данной стадии трещина развивается в тонком ирииоверхностном слое материала.

Зависимости скорости движения вершин трещины от числа циклов нагружения N иредставлены на рис. 2. Видно, что вершина трещины вблизи края образца, находясь в условиях меньшей стесненности деформации, чем иро-тивоиоложная вершина, имеет более высокую скорость движения.

Стадия 3 (0.95 < V < 1). При V > 0.95 берега трещины начинают раскрываться ио механизму нормального отрыва (рис. 1, в). Вид векторного иоля около вершин трещины отражает развитие разрушения ио смешанному тииу (I + II), где мода нормального отрыва (тии I) иреобладает.

Тииичный вид векторного иоля иеред вершиной трещины вблизи края образца и соответствующие удельные

(нормированные на один цикл ириращения нагрузки ДЩ значения главного иластического сдвига ур1(х, у) иоказа-ны на рис. 3.

Левая часть векторного иоля отражает развитие трещины ио моде I, а иравая соответствует моде II. Структура вблизи вершины трещины включает в себя зону иеред вершиной, где скорость накоиления иовреждений наибольшая, и две боковые иолосы иластической деформации, которые могут расиространяться и иозади вершины трещины (рис. 4). Боковые иолосы иластичности обусловлены действием максимальных касательных наиряжений. Главный иластический сдвиг количественно характеризует ироцесс накоиления иовреждений и не зависит от выбора системы координат. Он рассчитывается ио формуле:

Ур1 = д/

где 8хх > 8 уу >

ху

комионенты тензора иластической деформации; ДN — ириращение циклической нагрузки.

Высокоирочная сталь ВКС-12 характеризуется склонностью к образованию доменной мезоструктуры, которая может возникать в ироцессе циклического нагружения вблизи вершин трещины. Боковые иолосы иластичности сиособствуют формированию деформационных зон материала (рис. 4), характерный размер которых изменяется в иределах 0.15-0.40 мм.

Зависимости скорости раскрытия вершин трещины и ее берегов от циклической нагрузки иоказаны на рис. 5. За раскрытие вершины трещины иринималось раскрытие

Рис. 2. Скорости движения вершин трещины в зависимости от циклической нагрузки: вершина трещины у края образца

Рис. 3. Поле векторов смещений иеред вершиной усталостной трещины сдвига (б). N = 32 500, ДN = 100, их = 0.8 мкм

Рис. 4. Поле векторов смещений вблизи вершины усталостной трещины сдвига (б). N = 32 600, ДN = 100, их = 0.8 мкм

трещины в 50 мкм иозади вершины. Видно, что вдоль длины трещины ее раскрытие имеет неоднородный характер.

В начале третьей стадии раскрытие берегов ироисходит в отдельных областях трещины, затем область раскрытия иостеиенно охватывает иочти всю ее длину. В целом скорость раскрытия трещины выше у края образца, иочти ио-стоянна на расстоянии (0.6-0.8)£ и ириобретает фрагментарный характер в остальной части трещины. Здесь материал находится в условиях стесненной деформации, и отдельные участки берегов трещины могут не раскрываться. У вершин трещины скорость раскрытия обычно выше средних значений.

На третьей стадии трещина начинает активно развиваться в глубину образца, иоэтому коэффициент интенсивности наиряжений (КИН) следует оиределять у ее дна.

vx, мкм/цикл

У, мм уР|  104, 1/цикл

(а) и соответствующее расиределение значений главного иластического

',ММ Ур|  104, 1/цикл

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 X, мм

(а) и соответствующее расиределение значений главного иластического

Практически это затруднено, иоэтому, вероятно, текущие значения КИН можно оценивать ио раскрытию берегов трещины.

Трещина активно ириближается к краю образца, в этой области ее скорость движения и скорость раскрытия вершины выше, чем у иротивоиоложной вершины. В результате достижения иредела текучести в остаточном сечении материала начинается локализованное иластическое течение от дна трещины к граням образца. На одной грани (иоверхность образца) регистрируется слабовыраженная треугольная зона иластической вытяжки. На боковой ио-верхности (вторая грань) иоявлению трещины иредшест-вует иолоса локализованной иластической деформации. У края образца (на боковой грани) наблюдалось иоле смещений, иодобное «шейке». Наибольшая деформация со-

L, мм

Рис. 5. Зависимости скорости раскрытия вершин трещины их (а) и скорости раскрытия берегов их вдоль длины трещины L от числа циклов нагружения N (б): о — вершина трещины у края образца; • — иротивоиоложная вершина; а — средняя часть трещины

* ж,

Ш.

Ж

ш

ш -1 шмшшШ

111111111

' -* !Ш1Ё1ЁЁй11  ‘ ’ 1, - ' “

4

Рис. 6. Развитие трещины на боковой поверхности образца (а, б; х200) и соответствующее иоле смещений (в). N = 32845, AN = 10, ux = 3 мкм

средоточена в области полосы, где позже прорастет усталостная трещина.

Формированию магистральной трещины предшествует развитие от дна трещины к боковой поверхности образца полосы локализованной пластической деформации. Она развивается по механизму отрыв-сдвиг и сопровождается ротационной пластичностью вблизи вершины полосы (рис. 6). При дальнейшем нагружении трещина прорастает к боковой поверхности образца через эту полосу локализованной деформации. Последующему развитию трещины на боковой поверхности предшествует формирование локализованной полосы деформации перед ее вершиной.

Скорость трещины на боковой поверхности образца отражает ее развитие в глубину и в несколько раз выше скорости роста трещины в длину (рис. 2). На противоположной стороне образца регистрировались отдельные ме-зоблоки, скорость смещений в которых была незначительной (vx < 0.01 мкм/цикл).

Едва трещина (полоса) на боковой поверхности достигла прилежащей грани, произошло быстрое (в течение нескольких циклов) разрушение сварного соединения. Изображение излома разрушенного образца показано на рис. 7. Видно, что металлографический дефект на поверхности инициировал формирование усталостной трещины, которая распространялась долгое время квазихрупко. Этому характеру разрушения соответствует светлая область округлой формы на поверхности излома вблизи очага зарождения трещины.

Таким образом, закономерности накопления усталостных повреждений в высокопрочной стали ВКС-12 имеют

Рис. 7. Изображение поверхности излома частей разрушенного образца. N = 32 870. х 50

трехстадийный характер. Особенностями накопления повреждений на мезоуровне в данной стали являются очень высокая длительность формирования усталостной трещины на первой стадии (v ~ 0.90) и малое время ее распространения на второй и третьей стадиях, краткое время жизни магистральной трещины, при этом треугольная зона пластической вытяжки выражена незначительно.

Преимуществом данной стали и ее сварных соединений являются высокие механические характеристики: предел текучести, предел прочности и предел выносливости.

Недостатками сварных соединений высокопрочной стали следует считать:

- высокую чувствительность к концентраторам напряжений (геометрическим, металлографическим, металлургическим) на первой стадии накопления повреждений;

- склонность к образованию доменной мезоструктуры и связанную с этим значительную скорость роста трещины и скорость раскрытия ее берегов и вершин на второй и третьей стадиях разрушения.

Определяющую роль в механизме зарождения усталостной трещины играет состояние поверхностного слоя сварного соединения в области ЗТВ и шва. Специальными исследованиями было показано, что предварительная ударная ультразвуковая обработка поверхности в данной области позволяет повысить усталостную прочность сварных соединений более чем в 1,5 раза. Изучению природы этого эффекта будут посвящены дальнейшие исследования.

Литература

1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.

2. Панин В.Е., Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов смещений и диагностики усталостного разрушения на мезоуровне // Дефектоскопия. - 1998. - №. 2. - С. 8087.

3. Zili S., Jed S., Stephen R. Measuring microscopic deformations with dgital image correlation // Optics and Lasers in Engineering. - 1997. -No. 27. - P. 409-428.

4. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Эволюция мезоструктуры и кинетика накопления усталостных повреждений в сварных соединениях конструкционной стали в условиях, близких к плоскому напряженному состоянию // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 6. - С. 105-117.

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