Накопление усталостной поврежденности и рост трещин в высокопрочной углеродистой стали при нестационарных нагружениях

УДК 620.178.3

НАКОПЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ И РОСТ ТРЕЩИН В ВЫСОКОПРОЧНОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ НАГРУЖЕНИЯХ

В. С. Дронов, М.Ю. Репков

Получены данные о закономерностях накопления поврежденности при ступенчатых нагружениях высокопрочной мартенситной стали. Приведены сравнения суммарной накопленной поврежденности и долговечности при нестационарных нагрузках. Исследованы кинетика и механизмы усталостных повреждений при различных режимах нагружения.

Ключевые слова: сталь, усталость, ступенчатые нагружения, поврежден-

ность.

Многие элементы конструкций и деталей машин современного машиностроения в реальных условиях их эксплуатации работают при нестационарных циклических нагружениях. Наиболее характерными являются нестационарные пусковые режимы и режимы торможения, отличающиеся недогрузкой или перегрузкой, или совмещающие то и другое. Указанные изменения амплитуд могут повторяться, могут представлять набор подобных блоков нагружения.

Нестационарное нагружение таких деталей существенно влияет на процессы деформирования, а, следовательно, и на их долговечность. Поэтому требования к таким деталям сильно возрастают и вопросы прогнозирования прочности и ресурса должны рассматриваться применительно к заданным, в большинстве случаев нестационарным условиям нагружения. Решение проблемы снижения материалоемкости элементов конструкций при одновременном повышении их надежности, экономичности и технологичности требует знания процессов генерирования и развития повреждений. Знание кинетики указанных процессов дает ключ к достоверной оценке долговечности объектов в заданных условиях эксплуатации.

Вопросы долговечности и накопления повреждений материалов и конструкционных элементов при нестационарном нагружении освещены во многих работах ученых, как в нашей стране, так и за рубежом. Так согласно Пальмгрену-Майнеру, мерой Оп усталостного повреждения объекта служит отношение числа циклов нагружения (наработки) п к долговечности (числу циклов до разрушения) N при заданном уровне циклических напряжений о [1]

Оп = П

Простота и ясность меры (1) сделали ее весьма распространенной.

На основе этой меры построен ряд гипотез накопления повреждений. Прогнозируя линейное или нелинейное суммирование усталостных повреждений, исследователи усовершенствовали меру (1) и представляют ее зависящей как от уровня напряжений о , так и от физико-механических свойств материала (некоторые параметры ) [2]

В настоящей работе исследуются данные о физических закономерностях накопления поврежденности при ступенчатом нагружении, кинетике роста трещин и долговечности в высокопрочной углеродистой стали в области многоцикловой усталости.

Материалом для исследования была выбрана среднеуглеродистая высокопрочная сталь 30ХН2МФА, (закалка от 860 °С в масле, отпуск 220...320 °С в селитре, охлаждение в воде, на воздухе). После термической обработки была получена структура мартенсит отпуска. На испытательном комплексе ШБТЯОК были получены физико-механические свойства данной стали: ов = 1610 МПа, от = 1356 МПа, 85 = 12,5 %, у = 37,5 %, показатель степенного упрочнения при статическом деформирования ш = 0,15, твердость ИЯС 46, микротвердость ИУ1,0 458 ± 8,8 Н/мм .

Циклические испытания проводили на серийной машине УКИ в условиях знакопеременного консольного изгиба с вращением при частоте нагружения 50 Гц и коэффициенте асимметрии цикла Я = —1 цилиндрических образцов с пятью V - образными надрезами одинаковой глубины (радиус в вершине надреза не более 0,15 мм). Теоретический коэффициент концентрации напряжений в надрезах составил ао = 5,82.

Образцы испытывали постоянной амплитудой напряжений (базовая кривая усталости) и двухступенчатыми нагружениями с амплитудами (01, П1 )+(о2, П2), где 01 - напряжение перегрузки равное 1,5о2 или недогрузки равное 02/1,5; о2 - основная амплитуда; П1 - число циклов пе-

регрузки или недогрузки принимали 5 % от числа циклов до базовой кривой П1=0,05 Nу 1; П2 - число циклов до разрушения при амплитуде 02 .

Накопленную поврежденность вычисляли по формуле

-П- + ^ = 1.

N11 Nf 2 ' '

Испытания на образцах с надрезами позволяют при нагружении одной нагрузкой реализовать развитие усталостных трещин во всех надрезах при различных напряжениях [3], что существенно сокращает объем испытаний в исследованиях кинетики роста малых трещин. После разрушения каждого образца по наиболее нагруженному сечению остальную его рабочую часть разрезали (рис. 1) электроискровым методом по диагональной

плоскости, заливали эпоксидной смолой и подготавливали шлиф для металлографических исследований. На оптическом микроскопе Zeiss Dim наблюдали зародившиеся в вершинах надрезов усталостные трещины, измеряли длины трещин, изучали развитие их в структурных составляющих.

5 4 з г і

' ' * * ^

Рис. 1. Разрезанный и разрушенный в 1 надрезе образец с подготовленным шлифом

Исследовали кинетику малых трещин размером l = 0,02...1,02 мм в припороговой области. На протравленных шлифах измеряли длины трещин в вершинах надрезов с двух сторон каждого надреза. По данным измерения длин малых трещин в оставшихся неразрешенных сечениях с надрезами строили зависимости изменения длин трещин в зависимости от величин напряжений в сечениях для каждого образца и соответствующей схемы нагружения. Кинетику трещин исследовали по зависимостям их роста от числа циклов для разных схем нагружения и усредненных амплитуд напряжений в однотипных испытаниях.

Испытания на микротвердость использовали для оценки упрочнения в структурных составляющих и определения границ области упрочнения у вершины надреза на образцах. Микротвердость замеряли в направлении перпендикулярно берегам раскрытой трещины и впереди фронта трещины до значений соответствующих твердости исходного состояния, что позволило определить характер процессов в период, предшествующий продвижению трещины, и оценить размер зоны упрочнения или разупрочнения.

В работе исследовали образцы при различных условиях нагружения. На основе результатов образцов испытанных при постоянной амплитуде была построена кривая усталости (рис. 2, кривая 1).

Кривую усталости аппроксимировали степенной функцией

7/1/1

о ^ Ni = C, ш = 4,60. Коэффициент корреляции аппроксимирующей линейной зависимости в логарифмических координатах г = 0,9892. Оценку

предела усталости выполняли ускоренным методом на образцах с пятью надрезами следующим методом. При испытании с постоянной амплитудой напряжения о = 190 МПа разрушение по первому надрезу соответствует

N = 1,08 106 циклов, что близко к выходу кривой усталости на горизон-

тальный участок, во втором надрезе с амплитудным напряжением о = 171 МПа с этой же долговечностью появление трещин не обнаружено, следовательно, нижней границей оценки можно принять о_1^ = 171 МПа.

Рис. 2. Результаты усталостных испытаний стали 30ХН2МФА: 1 - базовая кривая усталости стационарного нагружения;

- испытания с перегрузкой; • - испытания с недогрузкой;

Далее проводились нестационарные испытания с различными блоками нагружения (перегрузкой или недогрузкой).

Влияние ступенчатого нагружения на ограниченную долговечность стали 30ХН2МФА структуры мартенсит отпуска неоднозначно. При испытании с перегрузкой наблюдается как снижение долговечности (см. рис. 2), когда соотношение суммарной долговечности ступенчатого нагружения к долговечности стационарного нагружения NN^ (образцы 7, 8) составляет

0,81 и 0,88, так и увеличение (образцы 3, 9) - N/N^ составляет 1,10 и 1,42

соответственно. В испытаниях с недогрузкой на первой ступени (образцы 4, 5) наблюдается прирост соотношения NN/ до значений 1,12 и 1,14. В

обоих видах испытаний с перегрузкой и недогрузкой наблюдается тенденция прироста долговечности с ростом базовой амплитуды 02 .

Суммарную величину относительной накопленной поврежденности при ступенчатых нагружениях вычисляли по формуле (3). Результаты вычислений представлены в таблице.

Величина накопленной поврежденности при ступенчатых нагружениях и долговечность

№ обр. с а1, МПа n\, цикл. V Nу 1 са 2, МПа п2 , цикл. П2І Nf 2 ^п ^ пі1 Nfl N = П1 + П2 цикл. NІ Nf

При перегрузке

3 400 1600 0,055 267 226400 1,092 1,147 228000 1,10

9 400 1650 0,057 267 120000 171850 1,408 1,465 293500 1,42

8 340 3500 0,057 230 322900 0,873 0,930 326400 0,88

7 267 8600 0,042 190 717700 0,805 0,847 726300 0,81

При недогрузке

4 267 8600 0,042 400 23800 0,821 0,863 32400 1,12

5 230 13900 0,038 340 56000 0,916 0,954 69900 1,14

На рис. 3 представлено отклонение значений повреждаемости, полученной в эксперименте, от правила линейного суммирования, представленного линейной зависимостью (2).

п1

"п

Рис. 3. Отклонения результатов эксперимента от линейной зависимости

Если линейное правило суммирования, верно, то все опытные точки, соответствующие различным комбинациям, должны ложиться на прямую. В действительности этого не происходит. Сравнивая величины суммарной накопленной поврежденности с относительной долговечностью ступенчатых нагружений, можно отметить, что в условиях испытаний с одной степенью перегрузки определяющим является уровень амплитудных напряжений.

Проанализирована зависимость длин усталостных трещин от напряжений в надрезах образца (рис. 4).

Рис. 4. Размеры трещин от напряжений в надрезах по схемам нагружения (в первом надрезе): стационарные 1 - 267 МПа,

2 - 400 МПа; образцы с перегрузкой 3, 8, 9; с недогрузкой 4

При высоких амплитудах напряжений микротрещины обнаружены только в первом сечении, в других сечениях образца, характеризующихся амплитудой напряжений менее 320 МПа, трещины не обнаружены. Это объясняется более длительным периодом зарождения микротрещин при малых амплитудах напряжений. В образцах при большой долговечности не было обнаружении усталостных трещин при амплитудах менее 174 МПа, это говорит о том, что данные амплитуды находятся ниже предела выносливости.

Результаты замеров усталостных трещин представлены на графике (см. рис. 4) для каждого образца четырьмя точками, соответствующими по оси абсцисс величинам нетто напряжений в неразрушенных надрезах. По оси ординат точкой указана, осредненная из двух значений в верхней и нижней части надреза, длина трещины, соответствующая напряжению в данном надрезе образца.

Для стационарных нагружений (см. рис. 4, кривые 1 и 2) зависимость длин трещин от напряжений имеет линейный характер, что тождественно упруголинейному деформируемому объему с однородными свойствами.

В испытаниях с перегрузками (см. рис. 4, кривые 3, 8 и 9) выявлено три особенности: во-первых, на участках от второго до третьего надреза

меняется угол наклона зависимости, что связано со снижением скорости роста трещин (число циклов нагружения для каждого образца постоянная величина); во- вторых, на участках от третьего до четвертого надреза угол наклона зависимости остается таким же, как и для стационарного нагружения кроме образца 9; в третьих, для образцов 3 и 9 напряжения 01 и 02 одинаковые, но перегрузка для образца 9 осуществлена примерно в середине испытания (см. таблицу), в связи с чем размеры трещин во втором и третьем надрезах меньше в 3,4 и 3,8 раза соответственно.

Образцы, испытанные с недогрузкой, качественно отличаются от предыдущих испытаний. В образце 4 (см. рис. 4) размер трещин на участке 3, 4 одинаковый, но прирост трещин больше по сравнению с образцом 2, у которых базовое напряжение одинаковое 02 = 400 МПа.

Данные результаты подтверждаются исследованием микротвердости в окрестности трещин при различных режимах нагружений (рис. 5, 6).

Рис. 5. Изменение микротвердости при постоянной амплитуде о = 237 МПа: а;... г - нормально к берегам трещины на расстоянии от надреза: а - 0,2 мм, б - 0,4 мм, в - 0,6мм, г - 0,8 мм; д - перед вершиной трещины; е;... ж - у вершины надреза до образования трещины, е - нормально надрезу, ж - вдоль надреза

Для оценки процессов разупрочнения и упрочнения в окрестности растущей усталостной трещины использовали метод микротвердости. Замеры микротвердости выполняли на шлифах (см. рис. 1) в надрезах 2 - 5 поперек берегов трещины слева и справа, а результаты усредняли, также измеряли микротвердость перед вершиной трещины. Результаты измерений представлены в виде зависимостей изменения микротвердости от расстояний до берега и вершины трещины, что позволило кроме того оценить размер макрозон пластической деформации.

В испытаниях с постоянной амплитудой напряжений (образец № 1) росту трещины предшествует разупрочнение, отмеченное снижением микротвердости (см. рис. 5, кривая 1) по сравнению с ее исходным значением (см. рис. 5, кривая 2).

При испытаниях с перегрузкой (образец № 3) в окрестности трещины образуется пластическая зона, которая способствует увеличению микротвердости (см. рис. 6, кривая 1) по сравнению с ее исходным значением (см. рис. 6, кривая 2).

Рис. 6. Изменение микротвердости при испытании с перегрузкой: а - в - о = 400+237 МПа; а - б - нормально берегам трещины на расстоянии от надреза а - 0,1 мм, б - 0,4 мм, в - перед вершиной трещины; г - е - о = 340+224 МПа; г - д - нормально берегам трещины на расстоянии от надреза г - 0,1 мм, д - 0,4 мм, е - перед вершиной

трещины

Склонность металлических материалов к циклическому упрочнению или разупрочнению условно определяется отношением предела прочности к условному пределу текучести. Известно, что все материалы с ов / от < 1,2 разупрочняются при циклическом деформировании, тогда как

материалы для которых ов / от > 1,2 и выше, циклически упрочняются. При 1,2 < ов / от < 1,4 может происходить либо упрочнение, либо разупрочнение. Как видно из результатов исследований микротвердости мартенситная сталь показала как упрочнение при перегрузке, так и разупрочнение при постоянной амплитуде.

Сталь в закаленном состоянии имеет значительные остаточные внутренние напряжения и большую плотность дислокаций в структуре. С целью снять эти напряжения проводят отпуск. При низком отпуске все напряжения снять не удается. При действии постоянной циклической нагрузки релаксационные процессы происходят за счет снижения плотности дислокаций, вследствие чего начинает снижаться микротвердость, именно с этим связанна зона разупрочнения при постоянной амплитуде.

Обладая свойствами пластичности (5 = 12,5 %; у = 37,5 %, коэффициент степенного упрочнения m = 0,14) при высоких sQ у вершины

надреза образуется пластическая зона. На кривой усталости (см. рис. 2) уровень таких напряжений лежит выше sQ = ^02/= 1350/5,82 = 232

МПа. При испытаниях с перегрузкой амплитуда напряжений превышала этот уровень, поэтому и происходило упрочнение материала. Данный факт объясняет замедление развития трещин во втором и третьем сечении образцов с перегрузкой (см. рис. 4). Самое большое влияние на развитие усталостных повреждений оказывала перегрузка при ее действии в момент трещинообразования.

Список литературы

1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчет деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

2. Дронов В. С., Репков М.Ю. Нестационарные процессы при ступенчатых нагружениях и накопленная поврежденность феритно-перлитной стали // Известия ТулГУ. Технические науки. В 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. Вып. 10. Ч. 2. С. 58 - 66.

3. Кинетика развития малых усталостных трещин в стали при циклическом нагружении / В.С. Дронов [и др.] // Металлы, 2006. № 5. С. 112 -122.

Дронов Виктор Степанович, д-р техн. наук, проф., dronov.vs@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

Репков Михаил Юрьевич, магистрант, RepkovMihail@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ACCUMULATION OF FATIGUE DAMAGE AND CRACK GROWTH IN HIGH STRENGTH CARBON STEEL UNDER UNSTEADY LOADINGS

V.S. Dronov, M.U. Repkov

It’s got the data on the regularity of damage accumulation under stepped loadings of high strength martensitic steel. It’s adduced the comparison of the total accumulated damage and durability under the unsteady loads. It’s analyzed the kinetics and mechanisms of fatigue damage under various loading conditions.

Key words: steel, fatigue, stepped loading, damage.

Dronov Viktor Stepanovich, doctor of technical science, professor, dronov.vs@gmail.com. Russia, Tula, Tula State University,

Repkov Mikhail Yurevich, undergraduate, RepkovMihail@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University.

Получено 28.06.2013 г.