Изучение пластической деформации и разрушения конструкционных сталей с гетерогенными упрочненными слоями

УДК 669.14

ИЗУЧЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ С ГЕТЕРОГЕННЫМИ УПРОЧНЕННЫМИ СЛОЯМИ

© А.В. Коваль, С.В. Панин*, Г.В. Трусова*, Е.С. Лотова**

Россия, Томск, Политехнический университет Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Государственный университет

Koval A.V., Panin S.V., Trusova G.V., Lotova E.S. Investigation of plastic deformation and fracture of construction steels wish heterogeneous layers. It was experimentally and theoretically revealed that loading of coated or surface-hardened materials gives rise to oscillating meso-stress concentrators that emerge at the interface between coating or surface-hardened layer and substrate [1]. Their relaxation is followed by the development of a system of mesobands oriented in the direction of maximum tangential stresses. The thickness of surface-hardened layer and the transverse cracking period were clearly correlated, with the former being uniform over the entire working part of the specimen [1].

It was of great interest to follow the evolution of plastic deformation of surface-hardened specimens at the mesolevel, where hardened layers have discrete structure and complex interface profile. A borated layer that is formed during the process of diffusion borating is a prominent example of high-strength layer with such a structure.

The results suggest that a system of cracks in surface-hardened layer is formed under loading. Originating from the cracks are mesobands oriented in the direction of maximum tangential stresses. The cracking of structural (15Н3МА) steel specimen is characterized by the absence of transverse cracks across the coating. This eventually determines the short length of the mesobands in the substrate. Loading of low-carbon (Ст3) steel specimens causes a system of quasi-periodic transverse cracks to develop in the borated layer. The difference of internal structure of the surface-hardened layer of the structural and low-carbon steel specimens, the difference in mechanical characteristics of coating and matrix as well as different profile of their interface are the main reasons for the distinction in surface-hardened layer cracking under loading.

Результаты экспериментальных исследований поведения на мезо- и макромасштабных уровнях материалов, имеющих на поверхности гомогенный упрочненный слой с плоской границей раздела, показали, что при активном растяжении в нем возникает система квазипериодически расположенных поперечных трещин [1]. Характерно, что упрочненный поверхностный слой имел резко выраженную границу раздела с подложкой, а его толщина вдоль всей рабочей части образца была одинаковой.

Представляло интерес проследить характер развития пластической деформации образцов, поверхностные слои которых имеют дискретное поперечное строение и характеризуются сложной геометрией границы раздела с основным материалом. Примером высокопрочного слоя, имеющего такое строение, служит боридный слой, возникающий на поверхности стальной матрицы в процессе диффузионного борирования [2].

В качестве материала для исследований были выбраны два типа конструкционных сталей: долотная сталь 15Н3МА и более пластичная сталь Ст3. Варьирование материала матрицы проводилось с целью проследить влияние различия механических характеристик покрытия и основы на характер пластического течения всей композиции.

Испытания на одноосное статическое растяжение проводили на стандартной испытательной машине «ИМАШ-2078» со скоростью нагружения 0,05 мм/мин. Образцы для испытаний имели форму двусторонней плоской лопатки, размер рабочей части которых составлял 25x1,5x4 мм3. Характер развития пластической деформации исследовали на боковых гранях рабочей

части образцов с использованием методов металлографии (на оптическом микроскопе Neophot-19) и оптикотелевизионного измерительного комплекса TOMSC-1.

В результате проведенных исследований было установлено, что основной особенностью пластического деформирования образцов стали 15Н3МА, имеющих игольчатую структуру боридного слоя, в отличие от ионно-азотированных образцов с плоской границей раздела [1], является непериодический характер растрескивания. На рис. 1 а показано распределение поперечных трещин конечной длины (т. е. распространяющихся не через всю ширину образца) в боридном слое толщиной 100 мкм.

В то же время при использовании в качестве материала подложки стали Ст3 характер растрескивания качественно изменяется. На рис. 1б приведено оптическое изображение поверхности плоской грани поверхностно упрочненного образца Ст3, на котором наглядно видно, как при нагружении поперечные трещины распространяются через всю ширину образца, при этом их распределение вдоль рабочей части является квазипериодическим.

Характер растрескивания боридного слоя на образцах стали 15Н3МА вдоль всей рабочей части композиций также отличается для разных толщин покрытия. При нагружении образцов с тонким боридным слоем (толщиной до 100 мкм) растрескивание последнего происходит на всей длине рабочей части композиции. В образцах с толстым покрытием интенсивное растрескивание покрытия локализуется в узкой области протяженностью около 5 мм, в которой затем происходит разрушение. На остальной части образца формируются лишь единичные поперечные трещины.

Рис. 1. Рэм-изображения упрочненной поверхности образца стали 15Н3МА с борированным слоем 100 мкм после разрушения, х30 -

Рис. 2. Распространение трещин в борированном слое толщиной 180 мкм образцов стали 15Н3МА х140 -

Рис. 3. Структура борированного слоя на поверхности конструкционных сталей 15Н3МА - (а) и Ст3 - (б): 1 - БеБ; 2 - Бе2Б; 3 - мелкодисперсный перлит с незначительными включениями мартенсита для стали 15Н3МА и перлит для стали Ст3; 4 - подложка

Для поверхностно-упрочненных образцов Ст3, в отличие от образцов стали 15Н3МА, при нагружении поперечные трещины образуются на всей рабочей части композиции, независимо от толщины покрытия.

Изменение толщины боридного слоя также влияет на характер распространения поперечных трещин в нем. Так, в образцах стали 15Н3МА с тонким упрочненным слоем поперечная трещина из покрытия в подложку практически не распространяется. При больших толщинах слоев (5 > 100 мкм) значительная концентрация напряжений в вершине поперечной трещины, выступающей в роли надреза, обусловливает ее распространение из покрытия в подложку на некоторую глубину. При этом максимальное значение глубины прорастания трещины в подложку для толстых боридных слоев (180 мкм) достигало 60 мкм (рис. 2а). В то же время, при нагружении образцов Ст3 с упрочненным слоем любой толщины, распространение трещины в подложку не происходит (рис. 2б).

Таким образом, основное различие развития пластической деформации образцов сталей 15Н3МА и Ст3 заключается в разном характере растрескивания бо-ридного слоя. Для детального исследования причин наблюдаемых эффектов был проведен металлографический анализ упрочненных слоев в области границы

раздела с использованием цветного травления и измерения микротвердости.

Боридные слои на исследуемых образцах состоят из игл борида железа Ее2Б, над которыми при больших толщинах слоя также образуется фаза БеБ (рис. 3). Появление напряженного состояния в приповерхностном слое при формировании боридных игл увеличивает дисперсность перлита подложки образцов стали 15Н3МА и приводит к возникновению незначительного количества мартенсита (рис. 3а), практически не изменяя профиль границы раздела. У образцов стали Ст3 промежутки между иглами заполняются менее твердой дисперсной фазой, значение микротвердости которой, однако, значительно превышает величину микротвердости ферритной подложки. Цветное травление позволило идентифицировать эту фазу как перлит. Наличие перлитной составляющей сглаживает профиль границы раздела между боридным слоем и ферритной подложкой, приводя его к плоскому виду (рис. 3б).

Проведенный металлографический анализ позволил вскрыть основные причины различия характера растрескивания и, соответственно, развития пластической деформации в поверхностно-упрочненных образцах сталей 15Н3МА и Ст3. В случае стали 15Н3МА, несмотря на то, что на границе между боридным слоем и матрицей находится перлитная фаза, различие механических характеристик (выявляемое при анализе микротвердости) последней и материала матрицы является небольшим. Таким образом, в качестве «действующей» границы раздела выступает игольчатая граница между слоем Ее2Б и перлитной фазой. При использовании в качестве материала основы стали Ст3 пространство между боридными иглами заполнено достаточно прочным перлитом, микротвердость которого более чем в 2 раза превышает таковую у материала матрицы. При этом граница раздела между такой перлитной фазой и матрицей имеет практически прямолинейный профиль. Таким образом, в качестве «действующей» границы в образцах этого типа выступает граница перлитная фаза - матрица, причем первая, в данном случае, выполняет роль градиентного слоя, сглаживающего различия между высокопрочным защитным покрытием и пластичной основой.

Причиной проникновения трещины в подложку стали 15Н3МА в образцах с толстым покрытием служат три фактора: а) большее увеличение прочности и, соответственно, уменьшение пластичности материала подложки при формировании борированных слоев большой толщины по сравнению с композициями с тонкими упрочненными слоями; б) больший уровень концентратора напряжений, возникающего в вершине поперечной трещины при растрескивании толстых борированных слоев; в) неоднородность границы раздела между борированным слоем и матрицей, проявляющаяся в том, что иглы боридного слоя препятствуют релаксации концентратора напряжений в вершине трещины путем развития полос локализованной пластической деформации. Следует отметить, что максимальная глубина, на которую может распространиться поперечная трещина в подложке, не превышает глубины прорастания игл Бе2Б и определяется мощностью концентратора напряжений в вершине трещины.

Результаты работы позволяют сделать заключение о том, что различие структуры упрочненного поверх-

ностного слоя, механических характеристик покрытия и подложки (выявляемое при измерении микротвердости) и геометрии границы их раздела в борированных образцах сталей 15Н3МА и Ст3 является основной причиной отличия процессов растрескивания борид-ных слоев при нагружении таких композиций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика материалов. 1998. Т. 1. № 1. С. 5-35.

2. Sizova O., Kolubaev A., Trusova G. Einflufi der Struktur von Borid-Schutzschichten auf Reibung und Gleitverschleifi // Metall. 1997. № 12. P. 713-717.

УДК 539.3

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

© Г.Д. Федоровский

Россия, С.-Петербург, Государственныйуниверситет

Fedorovsky G.D. Mechanical and optical durability criteria of isotropic materials. Simple dynamic mechanical and polarisation-optical durability criteria and relatively universal criteria, applied to static and dynamic monotonous and non-monotonous loading are analysed. The former criteria are based on the conception of incubation time fracture, whereas the latter on the energy principle and phenomenological - integral, hereditary properties description of materials. The criteria suggested are also introduced in the form of damage.

При построении критерия прочности для различных материалов исходят, как правило, из особенностей их определяющих свойств и вида нагружения (статического длительного, кратковременного, циклического и динамического, при простом или сложном напряженном состоянии) [1-4]. Известны критерии, основанные на учете структуры сред [5]. По возможности, для оценки прочности используют какой-либо инвариант, например импульс напряжения в динамике [4].

Анализ свойств многих, в том числе и реологически сложных [6-8] полимерных материалов при различных режимах нагружения, позволяет сделать вывод о том, что инвариантом для них, прежде всего при простом напряженном состоянии, является энергия разрушения [3].

Необходимо отметить, что большинство известных критериев прочности обладают теми или иными ограничениями, связанными с недостаточно обоснованным выбором базы критерия, с селективностью учета свойств материала, интервала и формы нагрузки и с не всегда корректным определением необходимых параметров. Критерии имеют узкую область применения.

В настоящей работе рассмотрены простые различные для статики и динамики и относительно универсальные единые для статики и динамики критерии прочности непрозрачных и прозрачных изотропных материалов при малых деформациях и одноосном растяжении (чистом сдвиге), основанные на феноменологическом подходе, с использованием энергетического принципа и реального оптико-механического поведения сред, пригодные для монотонного и немонотонного нагружения. Для оценки прочности прозрачных сред (стекол и полимеров) рассматривается применение данных информативных экспериментальных методов фотомеханики (поляризацинно-оптических методов) [9].

Как известно, энергетический критерий прочности имеет вид:

s

U (t) = U CTSt = ja(p)Js(p):

(

ja

ds

dp < U 0,

где U , U аЕ , U0 - энергия в момент времени t, ее оператор и энергия разрушения, а а и е - напряжение и деформация. Значение t = 4 , при котором U = U0 , является временем разрушения. Критерий (1) может быть представлен и в безразмерной (нормированной) форме, соответствующей идеологии повреждаемости Качанова [2]:

ffl(t) = U(t) = raCTSt = U0

ds

dp

dp< 1.

Для того чтобы перейти к оптическому критерию, необходимо величины а и е в (1) или (2) выразить через параметр оптического двупреломления (оптическую разность хода) 5 [8].

5

В случае упругой среды 5 = Саак , т. е. а =-----, а

Сак '

ст

S

E ECCTh

где Сст - оптико-механическая по-

стоянная Вертгейма; E - модуль Юнга, а h - толщина образца (объекта). Следовательно,