Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Силовой критерий локального разрушения стали 15
1.1. Критерий максимальных локальных растягивающих напряжений... 15
1.2. Определение напряженно-деформированного состояния в зоне локального разрушения образца с надрезом 16
1.3. Изучение инвариантности критерия максимальных локальных растягивающих напряжений 21
1.3.1. Основы критерия локальных растягивающих напряжений 21
1.3.2. Изучение инвариантности критерия критических максимальных локальных растягивающих напряжений к скорости нагружения и геометрии надреза 24
1.4. Изучение инвариантности критического максимального локального растягивающего напряжения к надрезу, скорости нагружения и температуре испытания методом механостимулированной фотоэмиссии 27
ГЛАВА 2. Критерий вязко-хрупкого перехода образцов с концентраторами напряжений, основанный на силовом критерии локального разрушения 35
2.1. Основные закономерности вязко-хрупкого перехода при понижении температуры испытаний 36
2.1.1. Внешние факторы, определяющие переход материала в хрупкое состояние 37
2.1.2. Критические температуры хрупкости 38
2.2. Зависимость критической температуры хрупкости от характеристик прочности, текучести и перенапряжения 41
2.3. Влияние внешних факторов на критическую температуру хрупкости 48
2.3.1. Влияние геометрии надреза на критическую температуру хрупкости 48
2.3.2. Влияние скорости нагружения на критическую температуру хрупкости 50
2.3.3. Практические рекомендации по применению критерия оценки порога хладноломкости стальных деталей с концентраторами напряжений различной жесткости 53
ГЛАВА 3. Применение критериев локального разрушения и вязко-хрупкого перехода к оценке влияния внутренних факторов на склонность стали к хрупкому разрушению 59
3.1 .Анализ влияния легирования на порог хладноломкости железа с помощью критерия локального разрушения 59
3.2. Влияние чистоты стали на склонность к хрупкому разрушению при понижении температуры 67
3.2.1. Изучение влияния чистоты стали, обусловленной различными способами выплавки, на сопротивление хрупкому разрушению 67
3.2.2. Оценка склонности стали, подвергнутой газокислородному рафинированию, к хрупкому разрушению при понижении температуры 75
3.3. Применение критериев локального разрушения к оценке влияния размера зерна на сопротивление стали хрупкому разрушению 80
3.4. Изучение механической природы "хрупкости 475" высокохромистого феррита при помощи критерия локального разрушения 85
3.4.1. Параметры структурной механики разрушения стали в исходном и охрупченном состояниях 87
3.4.2. Структурные изменения в ходе старения при 475С 90
3.5. Анализ радиационного охрупчивания с помощью критерия локального разрушения 94
3.6. Влияние остаточных внутренних микронапряжений на процесс локального разрушения закаленной стали 97
3.6.1. Зависимость критического локального растягивающего напряжения от остаточных внутренних микронапряжений 99
3.6.2. Влияние остаточных внутренних микронапряжений
на протяженность пластической зоны в момент зарождения
трещины 104
ГЛАВА 4. Критерий замедленного хрупкого разрушения. 112
4.1. Критерий замедленного хрупкого разрушения стали, вызванного остаточными внутренними микронапряжениями 114
4.1.1. Методика испытаний образцов на замедленное разрушениие... 114
4.1.2. Влияние геометрии надреза на характеристики склонности стали к замедленному разрушению 117
4.1.3. Определение максимальных растягивающих напряжений переднадрезом до и после появления пластической зоны 118
4.1.4.0писание замедленного хрупкого разрушения с применением критерия локальных растягивающих напряжений 122
4.1.5. Влияние способа нагружения образца с надрезом на характеристики склонности стали к замедленному разрушению 124
4.2. Критерий замедленного разрушения метастабильных аустенитных сталей 128
4.2.1. Развитие пластической деформации и мартенситной зоны в вершине концентратора напряжений образца из метастабильной аустенитной стали 128
4.2.2. Механизм зарождения трещины при замедленном разрушении метастабильной аустенитной стали 132
4.2.3. Пороговое максимальное локальное растягивающее напряжение - критерий замедленного разрушения метастабильной аустенитной стали 135
4.3. Критерий замедленного разрушения, вызванного воздействием водорода 138
4.3.1. Замедленное разрушение стали при наводороживании 138
4.3.2. Критерий замедленного разрушения при внутреннем водородном охрупчивании 142
4.4. Способ определения сопротивления стали замедленному
разрушению, основанный на критерии локального разрушения 144
ГЛАВА 5. Структурное состояние стали и зарождение трещины при замедленном хрупком разрушении 149
5.1. Зависимость напряжения зарождения трещины при замедленном хрупком разрушении стали от величины остаточных внутренних микронапряжений 149
5.1.1. Влияние времени отдыха стали после закалки на склонность к замедленному хрупкому разрушению 150
5.1.2. Разделение максимальных локальных растягивающих напряжений и остаточных внутренних микронапряжений 153
5.1.3. Зависимость пороговых максимальных локальных растягивающих напряжений от уровня остаточных внутренних микронапряжений 154
5.2. Разделение вкладов сегрегации примесей и остаточных внутренних микронапряжений в снижение прочности границ зерен при замедленном разрушении стали 157
5.2.1. Влияние времени отдыха стали после закалки и содержания примеси фосфора на склонность к замедленному разрушению 157
5.2.2. Влияние времени отдыха стали после закалки и содержания примеси фосфора на сопротивление зарождению трещины при активном и замедленном разрушении 162
5.2.3. Влияние времени отдыха на величину остаточных внутренних микронапряжений в стали с различным содержанием примеси фосфора 166
5.2.4. Влияние остаточных внутренних микронапряжений на пороговое tfiimax стали с различным содержанием фосфора 167
5.2.5. Количественный анализ влияния сегрегации примеси фосфора и остаточных внутренних микронапряжений на снижение прочности границ зерен высокопрочной стали 169
5.3. Роль остаточных внутренних микронапряжений в термически активированном зарождении трещины при замедленном хрупком разрушении высокопрочной стали 174
5.3.1. Влияние температуры испытаний и скорости нагружения на склонность стали к замедленному разрушению 177
5.3.2. Влияние остаточных внутренних микронапряжений на кинетику зарождения трещины при замедленном разрушении закаленной стали 180
5.4. Влияние конкуренции углерода и фосфора на хрупкую прочность границ исходных аустенитных зерен мартенситной стали 187
5.5. Явление замедленного разрушения в двухфазных аустенитно-мартенситных сталях 198
ГЛАВА 6. Структурно-механическое моделирование локального разрушения стали 204
6.1. Связь микромеханизма зарождения трещины с критерием вязкости разрушения 204
6.2. Структурно-механические условия локального разрушения мартенситностареющих сталей 211
6.2.1. Изучение скоростной чувствительности механических свойств мартенситностареющих сталей 211
6.2.2. Влияние режимов старения на структурно-механические характеристики локального разрушения мартенситностареющей стали при понижении температуры 214
6.2.3. Влияние режима старения на структурно-механические характеристики локального разрушения мартенситностареющей стали Н18М2Т2 при замедленном хрупком разрушении 217
6.3. Структурная чувствительность характеристик локального разрушения при активном и замедленном разрушении мартенситной стали 234
6.3.1. Влияние исходного аустенитного зерна мартенситной стали на структурно - механические характеристики хрупкого разрушения при активном нагружении 235
6.3.2. Влияние размера исходного аустенитного зерна стали на пороговые характеристики локального разрушения при замедленном хрупком разрушении при наводороживании 239
6.4. Структурно-механическое моделирование хрупкого разрушения порошковой стали при пониженных температурах 249
6.4.1. Структура порошковых сталей из частично-легированных порошков 251
6.4.2. Влияние температуры испытаний на хрупкую прочность порошковой стали с различной пористостью 256
6.4.3. Связь трещиностойкости с характеристиками локального разрушения порошковой стали при пониженных температурах 260
6.5. Структурно-механическое моделирование замедленного хрупкого разрушения порошковой стали при наводороживании 266
6.5.1. Явление замедленного хрупкого разрушения порошковой стали при наводороживании 267
6.5.2. Применение критериев локального разрушения к изучению механизма замедленного хрупкого разрушения порошковой стали в присутствии водорода 268
Заключение 276
Библиографический список
- Изучение инвариантности критерия максимальных локальных растягивающих напряжений
- Внешние факторы, определяющие переход материала в хрупкое состояние
- Изучение влияния чистоты стали, обусловленной различными способами выплавки, на сопротивление хрупкому разрушению
- Влияние геометрии надреза на характеристики склонности стали к замедленному разрушению
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших научно-технических проблем физики твердого тела является развитие представлений о природе хрупкого разрушения, и повышение на этой основе надежности конструкционных материалов и снижение их материалоемкости. Одним из направлений решения этой проблемы является более широкое использование сталей в высокопрочных состояниях, обеспечение их работоспособности в жестких условиях эксплуатации и прогнозирование процессов разрушения.
Существует несколько видов хрупкого разрушения сталей. Наиболее часто встречающиеся случаи разрушения связаны с хладноломкостью. С повышением уровня прочности на первое место выдвигаются случаи хрупкого разрушения, развивающегося в условиях длительного воздействия нагрузок и связанные с проявлением временной зависимости прочности -замедленного разрушения. Общим для хрупкого разрушения при кратковременном (хладноломкость) и длительном (замедленное разрушение) нагружении является критическая роль процесса локального разрушения. Поэтому как с научной, так и с практической точек зрения изучение первой стадии - зарождения трещины и условий ее перехода к росту (процесс локального разрушения) представляет первоочередной интерес. Условия зарождения трещины в значительной степени определяются структурным и напряженным состоянием в зоне локального разрушения. В связи с этим необходимым условием изучения процесса локального разрушения является учет напряженного и структурного состояния в локальной области зарождения трещины. Дальнейший прогресс в изучении хрупкого разрушения как первого, так и второго вида, и разработке методов его прогнозирования может быть достигнут путем изучения связи параметров локального разрушения с макромеханическими
8 характеристиками хрупкого разрушения. Локальное разрушение является результатом достижения локальными напряжениями критического уровня -конструктивной прочности. С одной стороны величины локальных напряжений зависят от уровня внешней нагрузки, способа и скорости нагружения и геометрии концентраторов напряжений. С другой стороны уровень конструктивной прочности определяется структурным состоянием стали и охрупчивающим воздействием ряда внутренних факторов: наличием и распределением в стали остаточных внутренних микронапряжений, примесей и их сегрегации, водорода и др. Раздельный учет внешних и внутренних факторов необходим для выяснения условий, определяющих процесс локального разрушения, разработки методов прогнозирования прочности и долговечности стальных деталей.
В существующих методиках оценки склонности стали к кратковременному и замедленному хрупкому разрушению сталей критериальные параметры, как правило, зависят от геометрии образца, надреза, скорости и способа нагружения и не могут непосредственно применяться в расчетах на прочность. Поэтому актуальным вопросом является разработка критериев локального разрушения при кратковременном и длительном нагружении, основанных на характеристиках не зависящих от условий испытаний, применимых в расчетах на прочность.
Цель диссертационной работы; разработка критериев локального разрушения сталей и их применение для оценки и разделения влияния внешних и внутренних охрупчивающих факторов.
Цель работы достигается решением следующих научных задач: 1.Изучение инвариантности силового критерия локального разрушения к внешним условиям испытаний (температура, скорость нагружения, конструктивные концентраторы напряжений) на основе современных методов механики и физики разрушения.
2.У становление критерия замедленного хрупкого разрушения сталей, вызванного остаточными внутренними микронапряжениями и водородом, и, на его основе, разработка способов испытаний на замедленное разрушение, позволяющих определять характеристики прочности стали, применимые в расчетах на прочность.
3.Разработка и создание испытательных установок, способов испытаний и определение характеристик сопротивления стали замедленному хрупкому разрушению, вызванному водородом и остаточными внутренними микронапряжениями, для решения экспериментальных задач.
4.Установление закономерностей влияния внешних (условий испытаний) и внутренних (структурных) факторов, влияющих на сопротивление стали замедленному разрушению и разделение их влияния.
5.У становление критерия вязко-хрупкого перехода сталей и сплавов, основанного на применении критерия локального разрушения, позволяющего прогнозировать критическую температуру хрупкости образцов или деталей с конструктивными концентраторами напряжений по результатам испытаний стандартных образцов.
б.Выявление закономерностей и механизмов влияния состава и структурного состояния сталей на сопротивление хрупкому разрушению при кратковременном и длительном нагружении на основе применения критериев локального разрушения.
Научная новизна работы:
1.Впервые разработан и физически обоснован критерий замедленного хрупкого разрушения высокопрочных сталей, вызванного воздействием остаточных внутренних микронапряжений и водорода. Установлена новая структурно-чувствительная характеристика сопротивления стали замедленному хрупкому разрушению независящая от геометрии концентраторов напряжений и способа нагружения - пороговое максимальное локальное растягивающее напряжение.
2.У становлена роль остаточных внутренних микронапряжений в термически активированном зарождении трещины, их влияние на кинетику зарождения трещины, влияние конкуренции углерода и фосфора на хрупкую прочность границ зерен, разделены вклады сегрегации примесей и остаточных внутренних микронапряжений в снижение прочности границ зерен на сопротивление стали замедленному разрушению.
4.Установлены закономерности влияния размера зерна на изменение пороговых характеристик трещиностойкости и локального разрушения при замедленном разрушении в условиях наводороживания.
5.Впервые обнаружено явление замедленного разрушения в двухфазных аустенито-мартенситных и порошковых сталях. Для замедленного разрушения метастабильных аустенитных сталей установлены закономерности развития локального разрушения. При замедленном разрушении порошковой стали в условиях наводороживания установлено влияние пористости на пороговые характеристики трещиностойкости и локального разрушения.
6.Разработан критерий вязко-хрупкого перехода сталей с ОЦК
решеткой, основанный на силовом критерии локального разрушения,
связывающий критическую температуру хрупкости образцов с
характеристиками сопротивления локальному разрушению, текучести,
перенапряжения (учитывающего в свою очередь скорость нагружения,
геометрию концентраторов напряжений и образцов) и позволяющий по
испытаниям стандартных образцов прогнозировать критическую
температуру хрупкости произвольных образцов или деталей с учетом внешних условий.
7.Развит подход, основанный на рассмотрении процесса локального разрушения, позволяющий количественно оценить и разделить влияние на критическую температуру хрупкости внешних (скорость нагружения, геометрия образца и надреза) и внутренних (размер зерна, чистота стали, влияние легирования и др.) охрупчивающих факторов.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты явились научной основой ряда методических и практических рекомендаций, использованных при решении научно-технических задач в ходе выполнения работ в рамках государственных и отраслевых научно-технических программ и заказов предприятий.
Практические результаты диссертационной работы представлены в научно-технических Отчетах ФГУП ЦНИИчермет.
Разработаны способы оценки сопротивления стали замедленному разрушению, основанные на установленном критерии замедленного разрушения сталей, вызванного как остаточными микронапряжениями так и водородом, дающие возможность по результатам испытаний на замедленное разрушение стандартных образцов прогнозировать путем расчетов пороговые нагрузки для образцов (деталей) других геометрий.
С помощью разработанного способа оценки остаточных внутренних микронапряжений возможно оценивать уровень «эффективных» остаточных микронапряжений в месте зарождения трещины в закаленной стали.
По заказам ряда предприятий на основе разработанных научных подходов и методик испытаний установлены причины разрушения аварийных изделий (сосудов давления, труб, крепежных деталей и др.), работающих в сложных условиях эксплуатации (низкие температуры, воздействие водорода, жесткое напряженное состояние, наличие концентраторов напряжений) и даны рекомендации по оптимизации технологии их изготовления.
Выявлены и количественно описаны основные закономерности процесса замедленного хрупкого разрушения, инициируемого водородом и остаточными внутренними микронапряжениями и обусловливающего падение прочности металлоконструкций с концентраторами напряжений. Установлены закономерности связи силовых характеристик замедленного разрушения с параметрами хрупкой прочности, отражающими структурное состояние стали, на основании которых определены направления изменения
12 структуры стали с целью повышения ее сопротивления инициируемому водородом и остаточными внутренними микронапряжениями замедленному разрушению.
Разработаны способы испытаний, позволяющие определить характеристику сопротивления стали замедленному хрупкому разрушению -пороговое локальное напряжение в условиях заводских лабораторий.
Предложен критерий вязко-хрупкого перехода сталей с ОЦК-решеткой, позволяющий по испытаниям стандартных образцов с надрезом прогнозировать критическую температуру хрупкости образцов (деталей) других типов и формы с учетом влияния геометрии, скорости и способа нагружения.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Критерий замедленного хрупкого разрушения заключается в том, что пороговое локальное растягивающее напряжение не зависит от геометрии концентратора напряжений, геометрии образца и способа приложения нагрузки и является физико-механической характеристикой сопротивления стали замедленному хрупкому разрушению, вызванному остаточными внутренними микронапряжениями или водородом.
2.Представляется возможным разделять вклады внутренних охрупчивающих факторов (остаточных внутренних микронапряжений, водорода и охрупчивающих примесей) в пороговое напряжение замедленного хрупкого разрушения сталей на основе установленного критерия замедленного разрушения.
3.Имеет место явление замедленного разрушения в двухфазных аустенито-мартенситных сталях и порошковых сталях.
4. Существуют установленные закономерности связи параметров локального разрушения с макрохарактеристиками замедленного хрупкого разрушения мартенситных, метастабильных аустенитных, двуфазных аустенито-мартенситных, мартенситно-стареющих и порошковых сталей.
5.Существует установленная теоретически и подтвержденная экспериментально связь критической температуры хрупкости (температуры совпадения разрушающей нагрузки и нагрузки общей текучести) с критическим максимальным локальным растягивающим напряжением, текучестью стали, геометрией концентраторов напряжений, образцов и перенапряжением в зоне локального разрушения.
6.Разработанный способ прогнозирования критической температуры хрупкости образцов (деталей), основанный на установленных критериях локального разрушения, позволяет учитывать геометрию образцов и концентраторов напряжений, а также скорость нагружения, по результатам испытаний стандартных образцов.
7.Физико-механическая модель влияния внутренних факторов (легирования, чистоты стали, способа выплавки, размера зерна, "хрупкости 475") на критическую температуру хрупкости, заключается в проявлении конкуренции двух механизмов: смещения критической температуры хрупкости за счет изменения уровня сопротивления локальному разрушению (критического максимального локального растягивающего напряжения - (Гр) и положения температурной зависимости локального течения.
Результаты настоящей работы можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы, имеющей большое народнохозяйственное значение, связанной с разработкой физико-механических представлений о закономерностях процессов локального разрушения сталей и разработкой на этой основе критериев хрупкого разрушения сталей: критерия замедленного хрупкого разрушения, природа которого связана с остаточными внутренними микронапряжениями и/или воздействием водорода, и критерия вязко-хрупкого перехода сталей при хладноломкости, применимых как для изучения закономерностей изменения свойств сталей, так и для прогнозирования прочности стальных образцов и деталей.
14 Автор признателен научному консультанту д.т.н. Г.А.Филиппову за внимание и рекомендации при выполнении данной работы в докторантуре ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»
Изучение инвариантности критерия максимальных локальных растягивающих напряжений
Одними из существенных факторов приводящих к хрупкому характеру разрушения сталей является скорость нагружения и геометрия концентратора напряжений. В связи с этим проводили изучение влияния скорости нагружения и геометрии концентраторов напряжений на критическое максимальное локальное растягивающее напряжение.
Исследования проводили на стали Юкп, выплавленной в открытой индукционной печи на Экспериментальном заводе ЦНИИчермет, испытывали цилиндрические образцы с кольцевыми проточками глубиной 2,00 мм, углами раскрытия надрезов 30, 60, 120 и U-образными. Термообработку образцов проводили по режиму: нагрев 1000С, 60 мин, охлаждение на воздухе. Испытания проводили растяжением на испытательной машине "Instron" при скоростях нагружения 2,20 и 200 мм/мин и различных температурах испытания в диапазоне от 77 до 293 К.
Испытания заключались в нагружении до разрушения образцов с выточками, а также гладких и установлении нагрузок разрушающей и общей текучести в температурном интервале испытаний 77-293К. Далее определяли температуру совпадения этих нагрузок и соответствующий ей предел текучести. Далее по методике [5] рассчитывали критические максимальные локальные растягивающие напряжения.
По результатам испытаний и расчета критических максимальных локальных растягивающих напряжений была построена их зависимость от температуры испытаний (рис. 1.8). Установлено, что критическое максимальное локальное растягивающее напряжение не зависит от температуры испытания для стали Юкп, что подтверждает результаты полученные в [5]. Таким образом критическое максимальное локальное растягивающее напряжение инвариантно к температуре.
Проводили анализ влияния геометрии надреза на величину критического максимального локального растягивающего напряжения. По аналогичной методике испытывали образцы, различающиеся геометрией надрезов и проводили расчет максимальных локальных растягивающих напряжений. Анализ зависимости критического максимального локального растягивающего напряжения от геометрии надреза указывает на его инвариантность к углу раскрытия надреза.
На рис.1.10 представлена установленная зависимость критического максимального локального растягивающего напряжения от скорости нагружения стали Юкп, полученная по испытаниям образцов с различной геометрией надрезов. Строили зависимость критического максимального локального растягивающего напряжения от геометрии концентратора напряжений, оцениваемую по углу раскрытия надреза (рис. 1.9 ).
Таким образом, критерий локального разрушения - критическое максимальное локальное растягивающее напряжение инвариантен к температуре, скорости нагружения и геометрии концентратора напряжений. Величина критического максимального локального растягивающего напряжения определяет условия зарождения трещины в зоне локального разрушения и ее переход к распространению как в простом так и в сложнонапряженном состоянии.
Ранее критическое максимальное локальное растягивающее напряжение (критическое Сцтах) определяли только методами механики разрушения, что не являлось достаточным условием представления его как фундаментального. Разработанный в последние годы физический метод -механостимулированной фотоэмиссии дает возможность оценить уровень локального разрушающего напряжения в зоне максимальных растягивающих напряжений, которые имеют место в вершине хрупкой трещины [37].
Полагали, что анализ результатов оценки локальной прочности стали с помощью различных подходов физики и механики разрушения позволит решить вопрос о фундаментальности рассматриваемого критерия. Используя возможности данного метода, разработанного Н.П. Валуевым и И.В. Мойшем в ЦНИИЧермет, была проведена оценка величины и рассмотрена зависимость локального разрушающего напряжения от внешних факторов для стали 3. Одновременно на этой же стали было определено критическое максимальное локальное растягивающее напряжение механическими испытаниями.
Эксперименты проводили на горячекатанной стали 3. Использовали образцы на растяжение диаметром 8,00 мм гладкие и с кольцевыми проточками глубиной 2,00 мм, углом раскрытия 60 и U-образные, а также образцы для испытаний на сосредоточенный изгиб тип 11 (ГОСТ 9454-78) и с надрезом глубиной 0,5 мм, углом раскрытия надреза 45 для испытаний с применением механостимулированной фотоэмиссии. Определение критического максимального локального растягивающего напряжения проводили согласно методике [5].
В работах [37-39], посвященных изучению механостимулированной фотоэмиссии установлено, что при деформации и разрушении металлов спектр излучения содержит коротковолновую компоненту 0,2 - 0,5 мкм, имеющую линию флоуресценции атомов, потерявших связь с объемом металла в поле локальных механических и термофлуктуационных напряжений и длинноволновую компоненту 0,7 - 5 мкм, связанную с тепловым излучением атомов нагретых в результате пластического деформирования слоев металла в очаге разрушения.
Внешние факторы, определяющие переход материала в хрупкое состояние
Для металлов с ОЦК - решеткой имеет место выраженное с понижением температуры явление перехода от вязкого разрушения к хрупкому. Этот переход выражается в довольно резком изменении какого-либо свойства в сравнительно узком диапазоне температур.
Физическое толкование природы вязко-хрупкого перехода металлов и смысла критической температуры хрупкости берет начало от первых работ Людвика, Кунце, Иоффе. Известная схема Иоффе [33] основана на различии температурных зависимостей предела текучести и так называемого напряжения отрыва: с понижением температуры достигается точка, где эти зависимости пересекаются. При температурах выше этой точки первым достигается предел текучести и до момента вязкого разрушения протекают существенные пластические деформации, при более низких температурах происходит хрупкое разрушение. В то же время, имеются работы по изучению физической природы зарождения и развития трещины, указывающие на необходимость учета, предшествующей разрушению пластической деформации в вершине надреза или трещины даже в области хрупкого разрушения [3 - 5, 8,46, 54].
Н.Н. Давиденковым [47] была предложена модифицированная схема А.Ф. Иоффе, учитывающая влияние вида напряженного состояния на критическую температуру хрупкости. Степановым В.А. была высказана идея об обязательной связи разрушения с предшествующей пластической деформацией [48]. В то же время, было установлено, что разрушение металлов с ОЦК-решеткой при низкой температуре происходит по достижению критической плотности дислокаций [49] с которой обычно связывали начало разрушения [50].
Склонность ОЦК-металлов к низкотемпературному охрупчиванию в физике разрушения объясняют особенностями электронного строения переходных ОЦК-металлов, а именно проявлением наряду с металлической направленной ковалентной связи, подавляющей подвижность дислокаций [51]. Поскольку неметаллические примеси внедрения усиливают ковалентную составляющую связи, они способствуют охрупчиванию, а очистка материалов от этих примесей, способствует увеличению его вязкости [52, 53].
Снижение температуры. Изменение механических свойств при снижении температуры проявляется главным образом в повышении сопротивления сдвигу и последующему развитию пластической деформации. Так при снижении температуры создаются условия, затрудняющие пластическую деформацию, следует ожидать, что образование пластической зоны в основании надреза или трещины будет задерживаться [55]. Таким образом, понижение температуры является основным фактором, приводящим к охрупчиванию стали.
Скорость нагружения. Скорость нагружения, как и температура испытания, способна привести к смене механизма разрушения от хрупкого к вязкому. Это главным образом вызвано зависимостью предела текучести ОЦК-металлов от скорости деформации, с ростом последней предел текучести возрастает. Увеличение скорости деформации приводит к росту критической температуры хрупкости.
Геометрия концентраторов напряжений и образцов. Изменение напряженного состояния тела может вызвать его переход из пластичного состояния в хрупкое. Причиной такого влияния напряженного состояния на тип разрушения является зависимость напряжения течения от жесткости напряженного состояния. Сложнонапряженное состояние возникает в зоне локальной концентрации напряжений, например, в вершинах надрезов, выточек, галтелей и т.п. При нагружении детали в вершине концентратора напряжений возникает трехосное напряженное состояние, которое затрудняет возможность релаксации напряжений в этой области. В случае увеличения толщины образца также возможно изменение типа разрушения. Причина в этом случае заключается в увеличении стесненности пластической деформации в результате смены напряженного состояния от плосконапряженного состояния к плоско деформированному [5].
Изучение влияния чистоты стали, обусловленной различными способами выплавки, на сопротивление хрупкому разрушению
Установлено, что понижение температуры хладноломкости при легировании железа никелем происходит за счет увеличения уровня критического о ? несмотря на повышение температурно зависящего напряжения локального течения, что дает вклад в некоторое повышение температуры хладноломкости
Анализ влияния легирования железа кремнием показывает, что введение кремния повышает температуру хладноломкости за счет значительного увеличения напряжения локального течения, несмотря на некоторый прирост критического 0
Понижение температуры хладноломкости при легировании никелем железа происходит в основном за счет повышения уровня критического 0V , в то время как повышение температуры хладноломкости при легировании железа кремнием происходит преимущественно за счет общего роста температурной зависимости напряжения локального течения.
Увеличение температуры хладноломкости железа и его сплавов с ростом скорости нагружения связано с общим подъемом температурной зависимости напряжения локального течения без изменения критических максимальных локальных растягивающих напряжений.
Таким образом, влияние легирования на температуру хладноломкости заключается в проявлении конкуренции двух факторов: смещения температуры хладноломкости за счет изменения уровня критического максимального локального растягивающего напряжения и за счет изменения положения температурной зависимости напряжения локального течения. Результат конкуренции этих факторов определяет значение температуры хладноломкости.
Содержание вредных примесей в стали определяется качеством шихтовых материалов, способом производства и типом внепечной обработки стали. В данном разделе монографии рассматриваются свойства стали различного уровня чистоты, который в одном случае определяется использованием чистых шихтовых материалов - железа прямого восстановления производства Оскольского электрометаллургического комбината, а в другом случае выплавкой в электропечах и очисткой стали газокислородным рафинированием. Разработанный в предыдущих главах подход, основанный на рассмотрении условий процесса локального разрушения в вершине концентратора напряжений, позволяет количественно проанализировать влияние чистоты на характеристики локального разрушения и поведение критической температуры хрупкости стали.
С введением в строй Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) впервые удалось отойти от классической схемы металлургического производства (доменная печь - сталеплавильный цех -непрерывная разливка стали - прокатный цех), заменив доменную печь со всеми вспомогательными хозяйствами установкой металлизации - прямого восстановления железной руды газом. Это позволило освоить производство стали на основе высокочистых шихтовых материалов, что обеспечивает низкий уровень содержания вредных примесей в конечном продукте. Использование в качестве шихты металлизованных окатышей, полученных прямым восстановлением железной руды, дает возможность получить сталь не только с низким содержанием таких вредных примесей, как сера и фосфор, но и обеспечивает высокую чистоту по примесям цветных металлов и неметаллическим включениям.
Оценка уровня свойств сталей, полученных на ОЭМК показала, что они имеют более высокую трещиностойкость, меньшую склонность к отпускной хрупкости и замедленному разрушению, чем стали, полученные по обычной технологии. С целью расширения области применения данных материалов необходимо более глубоко изучить поведение данных сталей в различных условиях эксплуатации, исследовать сопротивление хрупкому разрушению и влияние концентрации напряжений. Поэтому весьма интересно провести сравнительный анализ сопротивления хрупкому разрушению сталей, полученных на основе железа прямого восстановления и обычного способа выплавки в рамках предложенной ранее модели, рассмотреть влияние очистки на температуру вязко-хрупкого перехода и величину хрупкой прочности. Кроме того, необходимо разработать и использовать на практике критерии, которые бы позволили оценить качество стали, используя характеристики чувствительные к уровню ее чистоты.
Хорошо известно, что содержание вредных примесей в стали в значительной степени определяет технологические и эксплутационные свойства. С увеличением уровня прочности стали возрастает отрицательное влияние вредных примесей (серы, фосфора и др.) на ее склонность к хрупкому разрушению и эксплутационную надёжность. Поэтому применение стали производства ОЭМК наиболее эффективно в тех случаях, когда низкий уровень содержания вредных примесей и неметаллических включений способен повысить технологичность производства изделий и улучшить комплекс эксплутационных характеристик.
Одно из направлений использования сталей, полученных на основе железа прямого восстановления - производство высокопрочного крепежа. Для производства болтов класса прочности 1100-1300 Мн/м применяли сталь 40Х "селект", однако с целью повышения эксплуатационной надежности была произведена ее замена на 40Х-ПВ. Такая замена обусловлена тем, что сталь 40ХПВ имеет более высокое сопротивление замедленному разрушению и, кроме того, использование стали 40Х-ПВ обеспечивает снижение трудоемкости благодаря лучшему качеству поверхности подката.
С целью изучения влияния чистоты на характеристики хрупкого разрушения, механические и технологические свойства исследования проводили на сталях 40Х "селект" производства МКК и 40Х-ПВ производства ОЭМК. Образцы вырезались непосредственно из полномерных болтов М24, изготовленных на Магнитогорском метизно-металургическом заводе холодной высадкой.
Влияние геометрии надреза на характеристики склонности стали к замедленному разрушению
Замедленное хрупкое разрушение высокопрочных стальных изделий является одним из наиболее опасных видов хрупкого разрушения, поскольку проявляется в результате длительного действия статических нагрузок и происходит, как правило, при номинальных напряжениях ниже предела текучести [94 - 102]. Понимание физической природы процесса преждевременного разрушения высокопроных сталей при статическом нагружении - замедленного разрушения, установление его критериев и на этой основе разработка методов его прогнозирования, имеет важное значение при проектировании и изготовлении изделий из стали в высокопрочных состояниях.
Процесс замедленного хрупкого разрушения протекает в три стадии: зарождение, медленный и быстрый (катастрофический) рост трещины [103, 104]. Появление трещины в высокопрочной стали в результате реализации механизмов замедленного разрушения при действии постоянно приложенной нагрузки неминуемо приводит к ее дальнейшему медленному и, затем, быстрому распространению. Поэтому изучение первой стадии замедленного разрушения - зарождения трещины представляет первоочередной интерес.
В настоящее время является установленным, что определяющую роль в процессе замедленного хрупкого разрушения закаленной и низкоотпущенной стали играют такие факторы, как уровень остаточных внутренних микронапряжений, возникающих в результате мартенситного превращения и достигающих наибольших величин на границах исходных аустенитных зерен, охрупчивающее воздействие водорода и наличие сегрегации вредных примесей на границах зерен [105 - 108]. Действием этих факторов обусловлен интеркристаллитный характер замедленного хрупкого разрушения.
Существующие методы оценки склонности стали к замедленному хрупкому разрушению позволяют определить такие характеристики как номинальное (без учета концентрации напряжений) пороговое напряжение, ниже уровня которого появление трещины не происходит и пороговый коэффициент интенсивности напряжений, при превышении которого наблюдается рост трещины с постоянной скоростью [109].
Однако выше указанная характеристика - номинально пороговое напряжение - носит сравнительный характер, поскольку не является характеристикой склонности к замедленному разрушению только материала, а характеризует склонность к замедленному разрушению образца конкретной геометрии, поэтому не может служить при расчетах допустимых нагрузок для деталей с концентраторами напряжений. В существующих методиках оценки склонности стали к замедленному разрушению пороговое напряжение зависит от геометрии образца, надреза и способа приложения нагрузки. Без учета напряженно-деформированного состояния в локальной области зарождения трещины не представляется возможным достаточно полно описать это явление. Дальнейший прогресс в изучении хрупкого разрушения высокопрочной стали может быть достигнут при использовании методов анализа напряженного состояния в локальной области зарождения трещины.
Зарождение трещины при замедленном разрушении происходит в результате действия локальных напряжений, связанных с действием приложенной извне нагрузки и действия остаточных внутренних микронапряжений [112 - 114]. Поэтому большой интерес представляют оценка величины остаточных микронапряжений и локальных напряжений, вызванных приложением нагрузки извне, действующих в месте и в момент зарождения трещины.
В связи с выше изложенным, целью настоящей главы являлось установление критерия замедленного разрушения сталей, вызванного остаточными внутренними микронапряжениями или воздействием водорода, характеризующего сопротивление замедленному разрушению собственно стали, применимого в расчетах на прочность деталей с концентраторами напряжений.
В качестве модельной стали использовали сталь 18Х2Н4ВА, склонность которой к замедленному хрупкому разрушению наиболее хорошо изучена [118, 123]. Сталь выплавляли в открытой индукционной печи из чистых шихтовых материалов на основе карбонильного железа. Использовали образцы с различной геометрией надрезов. С целью предохранения поверхности образцов от обезуглероживания образцы перед термообработкой помещали в кварцевые ампулы, откачивали воздух и запаивали.
В связи с поставленными задачами, основными требованиями при выборе методики исследования были: 1) возможность определения напряженного состояния в месте зарождения трещины при замедленном разрушении; 2) возможность регистрации момента зарождения трещины и определение времени до ее зарождения.
