Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Усталость металлов и сплавов и роль импульсного токового воздействия в изменении пластичности и прочности 19
1.1. Периоды и стадии усталости 19
1.2. Факторы, влияющие на сопротивление усталости металлов 24
1.3. Методы контроля структурно-фазовых изменений при усталости.. 26
1.4. Закономерности накопления повреждаемости, зарождения и развития усталостных трещин 28
1.5. Эволюция дислокационных субструктур при усталости 38
Глава 2. Материалы, обоснование и разработка аппаратурного обеспечения исследований 86
2.1. Материалы для исследований и методики усталостных испытаний. 86
2.2. Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений
2.3. Природа изменения скорости ультразвука при усталости 94
2.4. Генератор мощных токовых импульсов 103
2.5. Рост усталостной прочности за счет электрической обработки j 20
Глава 3. Методы структурных, оптических и электронно-микроскопических исследований и определения количественных характеристик 128
3.1. Методики структурных исследований 128
3.2. Методика количественной обработки результатов измерений 131
Глава 4. Структурно-фазовые превращения и эволюция ДСС стали 08Х18Н10Т при малоцикловой усталости 138
4.1. Структура стали в исходном состоянии 138
4.2. Эволюция дефектной структуры и фазового состава стали при малоцикловых испытаниях 148
Выводы по главе 4 165
Глава 5. Роль токового воздействия в эволюции структуры и фазового состава нержавеющей стали 08Х18Н10Т 167
5.1. Влияние токового воздействия на эволюцию зеренной структуры и зоны разрушения 167
5.2. Влияние токовых импульсов на эволюцию дефектной структуры и фазового состава стали 08Х18Н10Т при малоцикловой усталости 180
5.3. Микромеханизмы восстановления усталостного ресурса стали 08Х18Н1 ОТ токовым воздействием 183
Выводы по главе 5 193
Глава 6. Металлографический анализ структурно- фазовых состояний стали 45Г17ЮЗ, сформированных многоцикловой усталостью и токовой обработкой 197
6.1. Эволюция зеренной структуры стали при многоцикловом усталостном нагружении до разрушения 197
6.2. Изменения в зеренной структуре стали после токового воздействия при усталости 210
Выводы по главе 6 223
Глава 7. Эволюция тонкой структуры и природа повышения усталостного ресурса стали 45Г17ЮЗ под действием токовых импульсов 225
7.1. Электронно-микроскопические исследования эволюции структуры стали при усталостных испытаниях 225
7.2. Электроимпульсное модифицирование структурно-фазовых состояний и ДСС стали подвергнутой многоцикловым усталостным испытаниям 237
7.3. Фазовый состав, дефектная субструктура зоны разрушения и физическая природа повышения усталостной выносливости токовым воздействием 247
Выводы по главе 7 253
Заключение 400
Литература 407
Приложение
- Факторы, влияющие на сопротивление усталости металлов
- Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений
- Методика количественной обработки результатов измерений
- Эволюция дефектной структуры и фазового состава стали при малоцикловых испытаниях
Введение к работе
Несмотря на широкое распространение синтетических, полимерных и композиционных материалов, ответственные детали конструкций и сооружений, тем не менее, изготавливаются из сталей. Это обусловлено высокими физико-механическими характеристиками сталей. В современных условиях эксплуатации машин и конструкций в число основных задач выдвигается повышение прочности, ресурса, живучести и долговечности. Экстремальные условия по уровню механических, тепловых, электромагнитных, гидро- и аэродинамических повторных нагрузок обуславливают наличие в нагруженных зонах циклических пластических деформаций. Наиболее ответственные и уникальные изделия, машины и конструкции эксплуатируются в режимах циклических деформаций, определяющих разрушение уже при незначительных нагрузках. Долговечность и надежность машин во многом определяется их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные нагрузки, а основной вид разрушения - усталостный. Вопросы усталости и прочности являются предметом самого тщательного рассмотрения с точки зрения, как научных исследований, так и опытно-конструкторских и технологических разработок. Усталостная прочность и долговечность являются важными критериями оценки работоспособности и ресурса многочисленных деталей и конструкций. Их роль особенно возрастает для современных высоконагруженных ответственных изделий, подвергающихся воздействию циклических нагрузок в области не только много-, но и малоцикловой усталости. Сложность оценки циклической прочности конструкционных материалов связана с тем, что на усталостное разрушение оказывают влияние много различных факторов (структура, состояние поверхностного слоя, температура и среда испытания, частота нагружения, концентрация напряжений, асимметрия цикла, масштабный фактор и ряд других). В общем случае процесс усталости связан с постепенным нако-
плением и взаимодействием дефектов кристаллической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дисклинаций, двойников, границ блоков и зерен и т.д.) и, как следствие этого, с развитием усталостных повреждений в виде образования и распространения микро- и макроскопических трещин.
Хотя со времени построения первой кривой усталости прошло более 140 лет и в настоящее время кривые усталости построены для всех известных конструкционных материалов, однако, все еще не удалось полностью решить проблему циклической прочности ни в области изучения физической природы этого явления, ни в области инженерного подхода к этому вопросу. Огромный материал, накопленный и проанализированный в ранних монографиях и изданиях последних лет [1-19], подчеркивает сложность поведения металлов и сплавов при усталости.
Внутренняя логика развития науки об усталости определяется необходимостью построения последовательных описаний, основанных на эволюции структуры и фазового состава материала. Подходы и модели, используемые в механике деформируемого твердого тела, отражают, как правило, внешнюю реакцию материалов на циклические нагрузки и не учитывают структурных изменений. В их основе лежат деформационные, энергетические и силовые параметры напряженно-деформированного состояния, критерии развития трещин и уравнения линейной и нелинейной механики циклического разрушения для получения основной расчетной характеристики - скорости роста трещин. Однако совершенно очевидно, что для установления закономерностей накопления повреждений при усталости и физической природы явления на разных его стадиях важное значение имеет знание эволюции дислокационных субструктур и структурно-фазового состояния [19, 20].
Прогресс в развитии современной техники неразрывно связан с повышением усталостной прочности материалов. В настоящий момент времени существует ряд способов повышения усталостного ресурса, среди которых
особое место занимают внешние энергетические воздействия (плазменная, радиационная, лазерная обработка, ионная имплантация, импульсные токи и т.д.). Несмотря на растущее использование импульсных токовых воздействий для целей интенсификации различных технологических процессов формоизменения, надежные экспериментальные и теоретические представления о процессах пластической деформации весьма ограничены, а физическая природа эффекта пластификации металлов изучена явно недостаточно, несмотря на обширный экспериментальный и теоретический материал [21-41].
Внешние импульсные токовые воздействия, являющиеся универсальным инструментом для изменения физико-механических свойств, несомненно, могут быть эффективными для восстановления усталостного ресурса то-копроводящих изделий. Однако для развития такого подхода к управлению усталостными характеристиками необходима надежная диагностика усталостных повреждений, знание эволюции структурно-фазовых состояний и закономерностей взаимодействия с ними импульсных токов.
В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных в последние десять лет в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, Сибирском государственном индустриальном и Томском государственном архитектурно-строительном университетах.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность моим учителям докторам Л.Б. Зуеву (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН), Э.В. Козлову (Томский государственный архитектурно-строительный университет), В.Е. Громову (Сибирский государственный индустриальный университет) за неоценимую помощь в проведении экспериментов и анализе результатов работы. Все годы выполнение работы автор ощущал постоянное внимание, доброжелательность, деловое и творческое обсуждение со стороны докторов физ-мат. наук, профессоров Н.А. Коневой, Л.А. Тепляковой, Ю.Ф. Иванова, A.M. Глезера, В.И. Бетехтина, В.Я. Целлер-маера, А.А. Викарчука, В.Г. Малинина, Ю.И. Головина, В.А. Федорова, В.В.
Муравьева, Г.Муграби, М.Д. Старостенкова, B.C. Хмелевской, которым автор выражает глубокую признательность. Совместная научная работа с кандидатами наук, доцентами В.В. Коваленко, СВ. Коноваловым, В.Д. Сарыче-вым, В.И. Петровым, В.А. Петруниным, старшими научными сотрудниками Н.А. Поповой, Л.Н. Игнатенко, аспирантами В.В. Целлермаером, О.С. Лей-киной, Е.Ю. Сучковой, И.В. Кузнецовым определила во многом возможность выполнения работы, за что я им очень благодарен. Признателен сотрудникам кафедры физики СибГИУ и ТГАСУ, ИФПМ СО РАН за доброжелательное отношение и содействие.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
Многие ответственные детали, изделия, машины и конструкции эксплуатируются в режимах циклических нагрузок, что необратимо ведет к накоплению повреждений и их разрушению в связи с исчерпанием ресурса. Проблема усталостного разрушения металлов и сплавов остается актуальной до настоящего времени, несмотря на многолетнюю историю исследований. Значительный экспериментальный материал, накопленный к настоящему времени, в большей степени подчеркивает ее сложность, чем указывает пути решения. Существует достаточно много неясностей как в объяснении природы повреждаемости при усталостном нагружении, так и при диагностировании усталости. Работы последних лет указывают на сложную природу явления усталости, связанную с самоорганизацией, накоплением и взаимодействием решеточных дефектов в процессе усталостного нагружения, эволюцией дислокационных субструктур и структурно-фазовых состояний.
Решение проблемы усталостного разрушения металлов и сплавов определяет прогресс в повышении надежности конструкций, машин и механизмов. В этом плане весьма актуальны исследования по разработке способов определения стадии усталостного разрушения и методики восстановления
ресурса деталей с помощью обработки токовыми импульсами и установлению физической природы такого эффекта.
Сказанное определяет актуальность выполненной работы. Действительно, следует считать, что наиболее часто встречающимся видом нагруже-ния при эксплуатации конструкций, машин и механизмов является циклическое (знакопеременное или более сложное) нагружение, при котором развиваются усталостные явления. Оно характерно для авиационной и ракетной техники, двигателестроения разного типа, транспорта и других отраслей техники. Неожиданное в большинстве случаев наступление заключительной стадии усталостного разрушения (хрупкий долом) может приводить к катастрофическим событиям с трудно прогнозируемыми тяжелыми последствиями. Для диагностики усталостного разрушения используются различные методики. В частности, определенные перспективы имеет методика, основанная на измерении малых изменений скорости распространения ультразвука. Помимо надежного определения приближения усталостного разрушения желательной является возможность восстановления ресурса деталей за счет каких-либо внешних воздействий. Большие возможности в этом отношении представляет применение электроимпульсной обработки.
Цель работы: установление физической природы эволюции дислокационных субструктур, структурно-фазовых превращений, разрушения сталей различных структурных классов и частичного восстановления их ресурса в условиях стимулирования токовыми импульсами при усталости.
Для реализации этой цели необходимо решение следующих частных задач:
1. Определение критической стадии развития усталостного разрушения для широкого класса практически важных конструкционных сталей и методики восстановления ресурса деталей с помощью токовой импульсной обработки.
Установление эффективных параметров импульсного токового воздействия на сталях для повышения их усталостной прочности.
Исследование формирования зеренной структуры, дислокационных субструктур и фазового состава стали 08Х18Н10Т в исходном состоянии и их эволюция в процессе малоцикловой усталости при обычном нагружении и в условиях действия токовых импульсов.
Исследование залечивания микротрещин в сталях 70ХГСА, 40, 40Х и сварных соединениях 40Х-Р6М5 при малоцикловой усталости с токовым воздействием.
Исследование зеренной структуры, дислокационных субструктур и фазового состава стали 45Г17ЮЗ в исходном состоянии и их эволюция при обычной многоцикловой усталости и в условиях воздействия токовыми импульсами.
Анализ фазового состава и дефектной субструктуры зоны разрушения стали 45Г17ЮЗ, сформировавшейся в результате усталостных электро-стимулированных испытаний.
Качественные и количественные исследования эволюции феррито-перлитной и мартенситной структуры стали 60ГС2 (отожженной и закаленной) и дислокационных субструктур при обычном многоцикловом усталостном нагружении и в условиях воздействия токовыми импульсами.
Установление количественных закономерностей параметров структурно-фазового состава зоны разрушения стали 60ГС2 и повышения ее ресурса после электростимулированных многоцикловых испытаний.
Анализ надежностных показателей при восстановлении ресурса деталей, работающих в условиях усталостного нагружения.
10.Выяснение механизмов и физической природы увеличения числа циклов до разрушения сталей различных структурных классов на основе анализа факторов, определяющих повышение предела выносливости.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые на разных масштабных уровнях пластической деформации проведены сравнительные исследования формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дислокационных субструктур сталей различных структурных классов, подвергнутых мало и многоцикловым усталостным испытаниям в условиях промежуточного воздействия импульсным током высокой плотности. Выявлены и подвергнуты детальному анализу основные факторы, определяющие мало и многоцикловую усталостную прочность сталей в условиях токового воздействия и установлена физическая природа и механизмы частичного восстановления ресурса материалов при такой обработке.
Научная и практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований определяется тем, что предложен методически простой и надежный способ определения наступления критической стадии эксплуатации индивидуального изделия и доказана принципиальная возможность частичного восстановления ресурса такого изделия путем его электроимпульсной обработки. Развитие представления о механизмах электростиму-лированной мало и многоцикловой усталости и разрушения сталей различных структурных классов открыли возможности для разработки физико-технических основ технологии импульсной токовой обработки, увеличивающей ресурс изделий. Создан тиристорный генератор мощных токовых импульсов нового поколения с регулируемыми параметрами.
Достоверность результатов и правомерность сделанных выводов обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения, сопоставлением полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов, использованием статистических методов обработки результатов экспериментов, комплексными методами и специальным контролем за параметрами физического эксперимента.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении усталостных испытаний, обработке результатов оптических и электронно-микроскопических исследований, их анализе и формулировании выводов, и создании установки изучения электростимулированной усталости.
Настоящая работа проводилась в соответствии с Программой фундаментальных исследований «Повышение надежности систем: «Машина-человек-среда» РАН на 1989-2000гг. (раздел 3.3.1), Федеральной целевой программой «Интеграция» на 1997-2002гг. (направление 1.4. проект П0043 «Фундаментальные проблемы материаловедения и современные технологии»), региональной научно-технической программой «Кузбасс» (1997-2000гг.), едиными заказ-нарядами Министерства образования РФ (1996-2004гг.), грантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии (1996-2004гг.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Установление по изменению скорости распространения ультразвука критической стадии усталостного разрушения сталей различных структурных классов и способ подавления усталостного разрушения и частичного восстановления ресурса деталей с помощью обработки импульсами электрического тока большой амплитуды.
Сравнительные результаты исследования формирования и эволюции зе-ренной структуры, дислокационных субструктур и фазового состава сталей различных структурных классов в процессе обычной мало и многоцикловой усталости и в условиях воздействия токовыми импульсами.
Количественные закономерности параметров дислокационных субструктур и структурно-фазового состава зоны разрушения сталей после обычных и электростимулированных многоцикловых усталостных испытаний.
Физическая природа и механизмы эволюции дислокационных субструктур, структурно-фазовых превращений и разрушения сталей различных
структурных классов и частичного восстановления их ресурса при усталости за счет обработки токовыми импульсами. Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на: III собрании металловедов России, Рязань, 1996; IV Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Воронеж, 1996; VII международном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 1996; XIII Гагаринских чтениях, Москва, 1997; Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении», С.-Петербург, 1997; научно-технической конференции «Физика и техника ультразвука», С.-Петербург, 1997; I Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Новгород, 1997; IV Китайско-российском симпозиуме «Advanced materials and processes», Пекин, КНР, 1997; научно-технической конференции «Новые технологии в машиностроении и приборостроении», Пенза, 1997; XIV Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического материаловедения перспективных материалов», Ижевск, 1998; II научно-технической конференции «Материалы Сибири», Барнаул, 1998; IV собрании металловедов России, Пенза, 1998; Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах», Кемерово, 1998; XXXIV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Тамбов, 1998; VI Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», Барнаул, 1998; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиноведения», Гомель, 1998; III Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», Санкт-Петербург, 1999; Международной конференции KUMICOM-99, Москва, 1999; Международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков». Пенза. 2000; Международной конфе-
ренции «Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций». Киев.2000; European Metallographic Conference and Exhibition. Saarbrucken. Germany.2000; European Conference «Junior Euromat 2000». Lausanne, Switzerland. 2000; XXXVI Международном семинаре «Актуальные проблемы проч-ности».Витебск. Белоруссия. 2000; IV Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им. В.А.Лихачева. Новгород.2000; Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков». Томск. 2000; научно-практической конференции материа-ловедческих обществ России «Новые конструкционные технологии». Звенигород. Россия.2000; III Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». Томск.2000; IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Пенза. 2001; 10th International metallurgical and materials Conference. Ostrava, Czech Republic. 2001; Computer - Aided Design of Advanced Materials and Technoligies. Tomsk. 2001; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 30-летию лаборатории ТМО. Москва. 2001; Temperature-Fatigue Interaction (Ninth International Spring Meeting). France. Paris, 2001; IX, X Международных конференциях «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах». Тула. 1997, 2001; Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства ме-таллов и сплавов». Екатеринбург. 2001; 7 European Conference on Advanced Materials and Processes. Rimini. Italy. 2001; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». Томск. 2001; VI Chino-Russian International Symposium on new materials and technologies "New Materials and Technologies in 21st Century" Beijing. China. 2001; V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. Старая Русса. 2001; конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия». Липецк. 2001; XXXVIII, XXXIX Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности». Санкт-Петербург. 2001 Черноголовка.
2002; XVI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». Уфа. 2002; XIII Петербургских чтениях по проблемам прочности. Санкт-Петербург. 2002; 2-d Russia-Chineese School-Seminar "Fundamental problems and modern technologies of material science (FP MTMS). Барнаул. 2002; I, II Евразийских научно-практических конференциях "Прочность неоднородных структур". Москва. 2002, 2004; Symposium of Croatian metallurgical society "Materials and Metallurgy" Opatia. Croatia. 2002; 11th International Metallurgical & Materials Conference METAL. Ostrava. Czech Republic. 2002; Всероссийском научном семинаре и выставке инновационных проектов на тему "Действие электрических полей и магнитных полей на объекты и материалы". Москва. 2002; VI Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении". Пенза. 2003; VI Международном семинаре "Современные проблемы прочности" им. В.А.Лихачева. Старая Русса. 2003; И, III, IV, V Международных конференциях по электромеханике, электротехнологии и электроматериаловедению. Москва, Клязьма, Алушта. 1996, 1998, 2000, 2003; V Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Воронеж. 2003; VII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». Барнаул. 2003; IV, V, VI, VII Международных семинарах «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий». Обнинск. 1997, 1999, 2001, 2003; 13th International Conference on the Strength of Materials "Fundamental Aspects of the Deformation and Fracture of Materials", Budapest, Hungary, 2003; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти. 2003; II, III Международных конференциях "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений". Тамбов. 2000, 2003; China-Russia Seminar on Materials Physics Under Ultra-conditions. Qinhuangdao, China 2003; XLII семинаре «Актуальные проблемы прочности». Калуга. 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 150 работ, включая 3 монографии и свыше 70 статей. Перечень основных публикаций в изданиях, рекомендованных ВАКом России для докторских диссертаций, приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 12 глав, основных выводов, списка литературы из 495 наименований, содержит 461 страниц машинописного текста, включая 41 таблицу и 155 рисунков.
Факторы, влияющие на сопротивление усталости металлов
Сложность прогнозирования поведения металлических материалов при циклическом нагружении связана с тем, что оно зависит от многих факторов, причем различные факторы по-разному влияют на циклическую прочность. Кратко остановимся на основных.
Влияние структурного состояния и состояния поверхностного слоя. Важнейшим структурным параметром металлических материалов является размер зерна. В высокопрочных металлических материалах часто определяющим структурным фактором является размер субзерна или одной из структурных составляющих [70]. Чаще всего с уменьшением размера зерна предел выносливости возрастает, хотя в ряде работ показано, что измельчение структуры металла не всегда приводит к изменению долговечности [45, 71].
Как правило, усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация при усталости протекает в приповерхностных слоях глубиной порядка размера зерна. Поведение и состояние этого слоя определяет долговечность до зарождения усталостных трещин и во взаимосвязи с деформационными характеристиками всего объема металла определяет уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для старта усталостной трещины [72].
Влияние температуры и среды испытания. При повышенных температурах испытания на усталость обычно наблюдается снижение пределов выносливости в связи с влиянием процессов ползучести, особенно в случае, если среднее напряжение цикла не равно нулю. Снижение температуры испытания ниже комнатной у гладких образцов приводит к повышению прочностных характеристик механических свойств и пределов выносливости [73,74].
Масштабный фактор. Под масштабным фактором понимают снижение пределов выносливости образцов или деталей с ростом их абсолютных размеров. Для оценки влияния масштабного фактора вводят коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения e0=o"Rd/o-R, где (oRd -предел выносливости образцов с диаметром большим 7,5 мм; oR - предел выносливости образцов с диаметром меньше d=7,5 мм [42]. Влияние частоты нагружения. При испытании в условиях комнатной температуры и отсутствия коррозии с ростом частоты нагружения несколько возрастают величины пределов выносливости и число циклов до разрушения образцов, так увеличение частоты от 30 до 10 Гц приводит к повышению пределов выносливости до 20%. Объяснение этого заключается в том, что долговечность связана с величиной пластической деформации в процессе каждого цикла изменения нагружения, а при высоких частотах это время мало для того, чтобы произошла деформация, так что результирующее повреждение может быть меньше [13-16].
Анализ других многочисленных факторов приведен в работах [52-60]. 1.3. Методы контроля структурно-фазовых изменений при усталости
Выбор метода и прибора неразрушающего контроля для решения задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии и технической диагностики зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования [75]. Ниже будут рассмотрены основные методы неразрушающего контроля, применяемые для анализа изменений, происходящих с металлом при различных видах деформации.
Магнитные методы применяют в основном для неразрушающего контроля изделия из ферромагнитных материалов, находящихся в намагниченном состоянии. Дефекты оптимально обнаруживаются в случае, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта. Поэтому простые детали намагничивают в двух направлениях, а детали сложной формы - в нескольких направлениях [76].
Магнитопорошковый метод позволяет обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин (закалочных, усталостных, шлифовочных и.т.п.), расслоение, заковов, непроваров стыковых сварных соединений, надрывов и.т.п. Подповерхностные дефекты на глубине примерно до 100 мкм могут быть обнаружены практически при такой же высокой чувствительности, что и поверхностные дефекты [77-79].
Применение акустических методов контроля особенно актуально, так как в последнее время установлена связь между акустическими и прочностными свойствами металлов [80].
Методы акустического контроля могут быть разделены на две группы: 1) методы, основанные на излучении и приеме акустических волн; 2) методы, основанные на регистрации акустических волн, возникающих в металле.
В первой группе различают методы контроля с использованием бегущих и стоящих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. Это: 1.Теневой метод. 2.Эхо-метод. 3.Зеркально-теневой метод. 4.Импедансный метод [81-83]. Ко второй группе методов относится метод акустической эмиссии, основанный на регистрации упругих волн, возникающих в момент образования или развития трещин. В этом случае излучателем ультразвука является образующийся дефект. Признаком достижения опасного состояния конструкции является увеличение частоты следования или амплитуды сигналов [83-92].
Большое применение нашел метод автоциркуляции импульсов, суть которого заключается в том, что прошедший по образцу ультразвуковой импульс преобразуется в приемном пьезопреобразователе в электрический сигнал, формирующий следующий вводимый в образец импульс [93]. При этом частота импульсов автоциркуляции зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, а значит - от скорости распространения ультразвука (СУЗ) в образце. Авторы [94,95] использовали этот метод и установили, что во время усталостных испытаний СУЗ непрерывно падает, и зависимость СУЗ от числа циклов нагружения имеет вид трехста-дийной убывающей кривой. Для других сталей зависимость полностью аналогична. Отличия могут касаться только длительности отдельных стадий. Так, например, авторами [96,97] установлено, что общая продолжительность такого рода процесса для рельсовой стали М76 значительно меньше и составляет всего около 3,5-103 циклов нагружения. Для среднеуглеродистых сталей при амплитуде напряжения 160 МПа длительность первого этапа составляет 10 циклов, второго около 10 циклов, а длительность заключительного этапа 1,5-103 циклов нагружения. Т.е. зависимость СУЗ от числа циклов нагружения VR(n) или AV/VROI) может служить характеристикой поведения индивидуального объекта в условиях усталостного нагружения, указывая, насколько близок исследуемый объект к разрушению. По мнению авторов [94-99], резкий спад СУЗ при усталостных испытаниях связан с появлением усталостных трещин и сигнализирует о приближении заключитель-ного этапа процесса - перехода к хрупкому долому и разрушению образца или изделия. Такой признак является информативным для конкретного об разца и с достаточной степенью точности предупреждает о начале разрушения.
Говоря о методах неразрушающего контроля нельзя не упомянуть о рентгеновских методах. Эти методы вполне можно считать неразрушающим методом контроля, однако они требуют модифицирования гониометрической приставки для съемки образцов больших размеров. Рентгеновскими методами можно определять изменение межатомных расстояний, фазовый состав материала, напряжения первого и второго родов, размер областей когерентного рассеяния [100].
Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений
Для контроля состояния материала в процессе усталостных испытаний параллельно использовалась ультразвуковая методика, основанная на измерении малых изменений скорости распространения ультразвука при изменений состояния металла [83-93]. Принцип метода состоит в том, что скорость ультразвука является структурно чувствительной величиной и зависит от состава, состояния структуры, дефектности материала. Для ее определения методом автоциркуляции звуковых импульсов использовался измеритель структурных превращений ИСП-12 [93] (рис.2.3), позволяющий находить скорость распространения ультразвука с точностью 10"3...10"4. Прибор работает на несущей частоте 2,5 МГц и с помощью пьезокерамических преобразователей генерирует поверхностные упругие волны (волны Релея) [344], скорость распространения которых V более чувствительна к структурными изменениям, чем скорость продольных упругих волн [93]. Измерения скорости распространения ультразвука производились при остановках нагружающего устройства на разгруженном образце. Для обеспечения акустического контакта преобразователя с поверхностью образца последняя перед измерением смазывалась трансформаторным маслом. Для повышения точности измерений в каждой точке производилось 5 замеров, результаты которых далее усреднялись. Полученные данные представлялись в виде зависимости скорости V распространения ультразвука от числа циклов нагружения N V(N) для каждого образца, усреднения по нескольким образцам из одной марки стали не производилось.
Поскольку ультразвуковые измерения являются нетрадиционными металловедческими методиками, то остановимся подробней на работе прибора ИСП-12. Автоциркуляционный прибор ИСП-12 состоит из блока обеспечения автоциркуляции акустического импульса по заданной базе и блока индикации результатов измерений. Начало работы блока обеспечения автоциркуляции состоит в формировании генератором 8 на входе коммутатора 10 короткого электрического импульса, который затем запускает ключ 1 и первую ступень генератора 7. Этот импульс засылает акустический сигнал в объект посредством преобразователя /. В данном приборе измеряется скорость распространения поверхностных волн, которая оказалась наиболее удобной и чувствительной для исследования структурных превращений. Введение таких волн в материал и их регистрация производятся идентичными пьезопре-образователями 2 и 4. Каждый из них представляет собой призматические датчики, состоящие из пьезопластины и волновода. Пьезопреобразователи изготовлены из пьезокерамики ЦТС 19 и волноводы из органического стекла, которое обладает низким акустическим сопротивлением. Продольные акустические волны, возбуждающиеся в пьезокерамике, передаются волноводом и преобразуются в изделии в поверхностные за счет специального расположения пьезопластин относительно поверхности исследуемого образца и формы волноводов. Акустический сигнал, пройдя по объекту, принимается преобразователем 4 и передается им на вход усилителя-формирователя 5. Формирователь, собранный по схеме одновибратора, срабатывая по переднему фронту данного импульса, на выходе вырабатывает сигнал, который поступает на генератор 5. Этот генератор в свою очередь выдает импульсы регулируемой длительности, которые являются по существу откликом на время пробега акустической волны по заданной базе контролируемого образца. Они поступают затем на один из входов схемы совпадения коммутатора 10. По заднему фронту импульса парафазного напряжения первой ступени генератора 7 срабатывает вторая ступень его. Образуемый ею стробирующий импульс поступает на второй вход схемы совпадений электронного коммутатора 10. При совпадении по времени сигналов на входах данной схемы на выходе коммутатора возникает импульс, возобновляющий этот процесс.
Таким образом, при установлении автоциркуляции прекращается звуковой сигнал и зажигается светодиод, служащий оптическим индикатором автоциркуляции. Функционирование блока индикации происходит так. Генератор 11 вырабатывает сигнал, поступающий на вход делителя 12. С делителя часть сигнала поступает на один из входов 10, реализующий схему «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». На сопряженный вход приходят импульсы, отражающие автоциркуляцию. Сформированный в 10 пакет импульсов поступает на вход счетчика 14. Затем информация подается в регистр памяти 15, дешифруется в семисигментный код в дешифраторе результатов и индикаторе 17. Дешифратор 13 по сигналам, полученным от делителя 12 после окончания импульсов «автоциркуляция» вырабатывает импульс загрузки регистра памяти, а затем импульс сброса делителя 12 и счетчика 14. Затем процесс повторяется.
Методика количественной обработки результатов измерений
Определение средних размеров зерен Определение средних размеров зерен проводилось методом случайных секущих по микрошлифам. Границы зерен вытравливали электролитически в реактиве, подобранном индивидуально для каждого состояния материала. Средний размер зерен (D) в объеме материала определяли исходя из средних размеров зерен, измеренных по микрошлифам [370]: D = 0,57i(d- )_1, (3.1) где d - средний размер зерна, определенный по микрошлифу: d-»=N- i;d. " , (3.2) i=l где N - число измерений, d; -текущий размер зерна на микрошлифе. Среднеквадратичное отклонение (GD) определялось по следующей формуле: aD = V4/7t(d-D)-(D)2. (3.3) Определение объемных долей типов зерен В работе был использован планиметрический метод, который сводится к измерению суммарной площади сечений данного типа зерен на определенной площади образца. Вывод рабочей формулы этого метода основан на принципе Кавальєри - Акера - Глаголева [371]. Он устанавливает связь между долями площади (Ps) и объема (Pv): 131 PV=PS. (3.4) Это одно из фундаментальных соотношений стереологии, рассмотренной С.А. Салтыковым [372]. Рабочая формула планиметрического метода имеет следующий вид: S V Ps= — = — = PV, (3.5) s L2 L3 где S и V - площадь и объем, занятые соответствующим типом зерен в образце, представляющим куб с ребром L. Среднее квадратичное отклонение объемной доли определялось по формуле: сг =Ш Ь- ї? ц (3.6) где N - объем выборки, Ру - среднее и Руі - случайное значение объемной доли соответствующего типа зерен.
Определение объемной доли дислокационной субструктуры (Pv) Применительно к дислокационным субструктурам (ДСС), формирующимся в процессе деформации однофазных сплавов, этот метод был впервые использован в работах Н.А. Коневой с сотрудниками [373-375]. В связи с тем, что размер структурного элемента в формирующемся типе дислокационных субструктур больше или соизмерим с толщиной фольги, то с их изображениями в фольге можно работать как со случайными сечениями в шлифе [370]. Поэтому в работе использовался метод определения объемной доли по случайным сечениям, основанный на измерении доли площади фольги Ps, занятой определенным типом ДСС, т.е. был использован планиметрический метод. Согласно этому методу, измерялись площади изображений каждого из типов ДСС на плоскости наблюдения. Затем величины таких площадей сум 132 мировались. Полученная сумма делилась на величину площади изучаемого участка плоскости наблюдения.
В случае изотропной структуры Pv можно определить на одном представительном случайном сечении кристалла. Для неоднородной структуры представительную выборку необходимо осуществлять по нескольким различно ориентированным сечениям.
Определение скалярной плотности дислокаций Скалярная плотность дислокаций измерялась методом секущих с поправкой на невидимость дислокаций [375]. В качестве испытательной линии использовалась прямоугольная сетка. Тогда скалярную плотность дислокаций на микрофотографиях, полученных при электронно-микроскопическом исследовании, можно определить по формуле: М (3.7) где М - увеличение микрофотографии, щ и п2 - число пересечений дислокациями горизонтальных /j и вертикальных /2 линий, соответственно (/] и /2 -суммарная длина горизонтальных и вертикальных линий).
Электронно-микроскопические исследования проведены на электронных микроскопах ЭМ-125 и ЭМ-125К с использованием гониометрических приставок и при ускоряющем напряжении 125кВ. Рабочее увеличение в колонне микроскопа выбиралось равным 10000 - 30000 крат. Определение размеров и объемных долей деформационных микродвойников и є-мартенсита проводилось по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в рефлексах соответствующих фаз.
Для приготовления фольг для просмотра в электронном микроскопе образцы разрезались на тонкие пластинки толщиной 0,2 - 0,3 мм на электроискровом станке. Режим вырезки был подобран таким образом, что не вносил дополнительной деформации и, следовательно, не влиял на структуру образца. Места вырезки фольг для исследования были выбраны следующим образом. Это - максимальная зона нагружения (или поверхность разрушения), находящаяся в центральной части образцов, затем (при удалении от этой зоны) на разных расстояниях. Вырезанные таким образом фольги утонялись химически и полировались электролитически. Составы электролитов следующие: для химического утонения - 50мл Н3РО4 + 100мл Н202, для электрополировки - насыщенный раствор Сг2С 2 в Н3РО4. Режим полировки — плотность тока 0,5-0,7А/см , температура полировки - 60 С. Химическое утонение образцов проводилось при комнатной температуре.
Для идентификации фаз, присутствующих в материале, применялся дифракционный анализ с использованием темнопольной методики. Изображения тонкой структуры материала были использованы для классификации структуры по морфологическим признакам; определение размеров, объемной доли и мест локализации вторичных фаз и выделений; скалярной р и избыточной р+ плотности дислокаций; амплитуды кривизны-кручения аэ и мо-ментных напряжений т, плотности двойников, пластин є-мартенсита и трещин.
Эволюция дефектной структуры и фазового состава стали при малоцикловых испытаниях
При анализе микрофотографий обращает на себя внимание особенность зеренной структуры стали, прошедшей малоцикловые испытания — практически полное отсутствие мелких изотропных зерен (зерен второго типа, по нашей классификации), являющихся зародышами рекристаллизации. В исходной материале они часто располагались цепочками вдоль границ вытянутых зерен.
Малоцикловые усталостные испытания приводят к заметным изменениям количественных характеристик зеренной структуры стали, представленных в табл.4.6 - 4.8. Обсуждение приведенных результатов начнем с анализа состояния зерен первого типа, а именно длинных вытянутых зерен с коэффициентом анизотропии К»5. В результате испытаний уменьшается их количество. При этом в зоне разрушения их становится в 3 раза меньше, чем было в исходном состоянии (табл.4.6).Уменьшаются их продольные размеры (примерно в 1,5 раза); поперечные размеры при этом практически не изменяются. Оба эти процесса естественным образом приводят к уменьшению коэффициента анизотропии зерен первого типа.
Возможен следующий механизм измельчения зерен первого типа. В ходе деформации фрагментированная дислокационная субструктура, присутствующая в стали в исходном состоянии, преобразуется в субзеренную с переходом части малоугловых границ в болынеугловые. Это возможно в результате захвата границами движущихся дислокаций. Крупные зерна (они и являются зернами первого типа) являются наименее прочными агрегатами поликристаллического ансамбля исследуемой стали. По этой причине они легко деформируются и, вследствие этого, разбиваются на более мелкие. Заметим, что разбиение вытянутых зерен на мелкие приводит к переходу некоторой их части в разряд зерен третьего типа (зерен без двойников). Вследствие этого количество первых уменьшается при малоцикловых испытаниях, а вторых — увеличивается (см. табл.4.8).
Примечания: AV(N) - объемная доля зерен, рассчитанная из отношения количества зерен данного типа (Nj) к общему числу зерен (N); AV(S) - объемная доля зерен, рассчитанная из отношения площади, занятой зернами данного типа (S;) к общей площади шлифа; L, a(L), D, a(D) — продольные и поперечные размеры зерен и их среднеквадратичные отклонения соответственно; К — коэффициент анизотропии; п - число двойников в зерне
Рассмотрим поведение при малоцикловых усталостных испытаниях зерен третьего типа, а именно зерен, содержащих двойники отжига, которые образовались в процессе статической рекристаллизации. Как следует из анализа результатов, представленных в табл.4.7., количество их заметно (более чем в 3 раза) уменьшилось в зоне разрушения материала. Вполне очевидно, что это произошло вследствие того, что двойниковые границы, поглащая движущиеся дислокации, искривились, преобразуясь в границы общего типа. Такое преобразование двойниковых границ повлекло за собой переход части зерен этого типа в группу зерен, ранее отнесенных нами к зернам третьего типа без двойников. В пользу выдвинутого механизма свидетельствует также факт уменьшения в ходе малоцикловых испытаний среднего количества двойников, обнаруживаемых в зернах третьего типа (табл.4.7).
Количественные характеристики зерен третьего типа не содержащих двойников отжига, приведены в табл.4.8. Наиболее характерным для них является заметное увеличение их количества на шлифе. Этот факт объясняется, как отмечалось выше, переходом в данный разряд части зерен первого типа и зерен третьего типа с двойниками. Средние размеры этих зерен при этбм с деформацией практически не изменяются.
В результате малоцикловых испытаний, как было показано выше, такие зерна исчезли вследствие формирования в них продольных большеуг-ловых границ. Снижение количества зерен с нулевой структурной текстурой, а также формирование на их месте новых зерен с некоторой, отличной от нуля, структурной текстурой и привело, в конечном результате, к росту при малоцикловых испытаниях величины структурной текстуры зерен первого типа. При этом максимальное увеличение данного параметра отмечается вдали от зоны разрушения. Очевидно, что в зоне разрушения изменение структурной текстуры материала затушевывается процессами зарождения и распространения трещин.
В зернах третьего типа, содержащих двойники, структурная текстура при малоцикловых испытаниях практически не изменяется (рис.4.2б, 4.66 и 4.76). Структурная текстура их максимальна для анализируемых типов зерен, т.е. они оказались максимальным образом рассеяны относительно продольной оси образца. Возможно, что это связано с процессами термического двойникования, характерными для данного типа зерен, сформировавшими и, что более важно, закрепившими возникшую текстуру зерен.
Увеличение структурной текстуры отмечается и в случае зерен третьего типа, не содержащих двойники (рис.4.2в, 4.6в и 4.7в). Очевидно, что это происходит в основном за счет поступления в данный разряд зерен двух первых типов.
Карбидная строчечность при малоцикловых испытаниях исследуемой стали практически не разрушается. Количественный анализ, однако, выявил пути эволюции строчечное. Из результатов, представленных в табл.4.9 следует, что в результате деформации строчки становятся плотнее, ширина их уменьшается, доля зерен содержащих строчки, увеличивается. Следовательно при малоцикловых испытаниях происходит некоторое разрушение карбидной строчечное стали в основном путем переноса атомов углерода и легирующих элементов движущимися дислокациями. Перенос атомов вторых элементов движущимися дислокациями особенно характерен для объема материала, расположенного вдали от зоны разрушения. Этот вывод вполне закономерен, т.к. в зоне разрушения определяющую роль в эволюции структуры материала играют процессы зарождения и распространения трещин. Вдали от зоны разрушения определяющая роль принадлежит движущимся дислокациям.
