Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор. Кинетика и механизмы разрушения металлических материалов при различных видах нагружения 10
1.1 Механизмы разрушения металлических материалов при однократных видах нагружения 10
1.2 Стадийность и механизмы усталостного разрушения 22
1.3 Технология получения и свойства металлических материалов после равноканального углового прессования 27
2 Материалы и методики исследования 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.2 Исследование микроструктуры 40
2.2.1 Методика металлографических исследований 40
2.2.2 Исследование структуры стали 10 после РКУП на просвечивающем электронном микроскопе до и после отжига 41
2.3 Механические испытания 42
2.3.1 Испытание материалов на твердость и микротвердость 42
2.3.2 Испытание образцов на растяжение 43
2.3.3 Испытания на ударный изгиб 43
2.3.4 Усталостные испытания титана Grade 2, титанового сплава системы Ti-6Al-4V и магниевого сплава АМ60 43
2.3.5 Методика усталостных испытаний титана Grade 4 на трухточечный изгиб и построение кинетической диаграммы усталостного разрушения 44
2.3.6 Установка для усталостных испытаний образцов при различном значении коэффициента асимметрии цикла нагружения 45
2.4 Определение времени до зарождения усталостной трещины в образцах с использованием акустической эмиссии 46
2.5 Макро- и микрофрактографические исследования 50
2.6 Методика рентгеноструктурного анализа 50
2.6.1 Определение глубины пластических зон под поверхностью изломов методом послойного стравливания поверхности излома 51
2.6.2 Метод последовательной съемки шлифа, расположенного нормально к поверхности излома 56
2.6.3 Погрешности определения глубины пластических зон под поверхностью разрушения 57
2.6.4 Определение количества мартенсита на поверхности образцов и в пластических зонах 59
2.6.5 Оценка локального напряженного состояния материала у вершины трещины рентгеновским методом 61
3 Ударная вязкость и особенности строения ударных изломов металлических материалов после равноканального углового прессования 62
3.1 Прочность и особенности строения ударных изломов материала с ОЦК решеткой в интервале вязко-хрупкого перехода 62
3.1.1 Разрушение стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП 62
3.1.2 Повышение ударной вязкости стали 10 после РКУП 78
3.2 Прочность и особенности строения ударных изломов материала с ГЦК решеткой 82
3.2.1 Разрушение аустенитной стали AISI 321 при комнатной и низкой температурах 82
3.2.2 Ударное разрушение алюминиевого сплава Д16 после различных видов термической обработки и РКУП 94
3.3 Прочность и особенности строения ударных изломов материалов с ГПУ решеткой 100
3.3.1 Статическое разрушение магниевого сплава АМ60 100
3.3.2 Прочность и строение ударных изломов титанового сплава ВТ6 с двухфазной структурой после различных видов обработки 103
Выводы по разделу 3 107
4 Усталостная прочность и особенности строения усталостных изломов металлических материалов после равноканального углового прессования 110
4.1 Повышение усталостной прочности и изучение особенностей строения усталостных изломов титана и титанового сплава после РКУП 110
4.1.1 Усталостное разрушение титана и титанового сплава в микроструктурном и субмикрокристаллическом состояниях 110
4.1.2 Результаты исследования влияния РКУП-конформ на усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения образцов из титана Grade 4 119
4.2 Усталостное разрушение магниевого сплава АМ60 в субмикрокристаллическом состоянии 125
Выводы по разделу 4 131
Общие выводы 133
Список использованных источников 135
- Технология получения и свойства металлических материалов после равноканального углового прессования
- Исследование структуры стали 10 после РКУП на просвечивающем электронном микроскопе до и после отжига
- Разрушение стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП
- Результаты исследования влияния РКУП-конформ на усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения образцов из титана Grade 4
Введение к работе
Актуальность темы. Необходимые требования к современным изделиям во многих областях человеческой деятельности - это, прежде всего, прочность, малые вес и материалоемкость. Поэтому в последнее время значительно возросли требования к прочностным характеристикам материалов и методам их упрочнения. При этом особое внимание уделяется разработке физически обоснованных критериев конструктивной прочности используемых материалов, основанных на глубоком изучении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения.
В последнее время интенсивно разрабатываются технологии получения наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой. Для получения данного класса материалов широко используется технология равноканального углового прессования (РКУП). Материалы, полученные путем РКУП, привлекают внимание специалистов благодаря ряду уникальных свойств, прежде всего высокой твердости и прочности при растяжении. Однако данных об ударной вязкости и усталостной прочности таких материалов крайне мало. Поэтому широкое использование в машиностроении материалов с субмикрокристаллической структурой предполагает расширение наших представлений об их поведении при различных условиях нагружения и механизмах разрушения на различном масштабном уровне.
Настоящая работа выполнялась в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проекты № 1383 и 9687), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ПС № 16.513.11.3018), грантов РФФИ (проект 08-08-99122р_офи, № 11-08-00208).
Цель работы. Установление закономерностей влияния РКУП и последующей обработки на ударную вязкость, усталостную прочность, макро- и микростроение изломов материалов в субмикрокристаллическом состоянии с различным типом кристаллической решетки, а также экспериментальное обоснование путей повышения прочностных свойств данных материалов.
Задачи исследования:
-
Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов стали 10 с субмикрокристаллической структурой (материал с ОЦК решеткой) в интервале вязко-хрупкого перехода после различных режимов РКУП.
-
Экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости стали 10 с субмикрокристаллической структурой путем оптимизации режимов РКУП и последующей обработки.
-
Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов аустенитной стали AISI 321, алюминиевого сплава Діб (материалы с ГЦК решеткой), магниевого сплава АМ60 (материал с ГПУ решеткой) и титанового сплава ВТ6 (материал с ГПУ+ОЦК решеткой) с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП.
-
Определить рентгеновским методом количество и глубину пластических зон под поверхностью ударных изломов стали 10 и аустенитной стали AISI 321 с субмикрокристаллической структурой, оценить трещиностойкость данных материалов по глубине пластических зон и исследовать распределение мартенситной фазы в пластических зонах аустенитной стали AISI 321.
-
Исследовать усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения материалов с субмикрокристаллической структурой (на примере титана Grade 2, Grade 4, титанового сплава системы Ti-6A1-4V, магниевого сплава АМ60), а также исследовать макро- и микростроение усталостных изломов.
Объект исследования. Конструкционные металлические материалы с различными типами кристаллических решеток в исходном микроструктурном состоянии и после РКУП с субмикрокристаллической структурой.
Предмет исследования. Прочностные характеристики, макро- и микростроение изломов металлических материалов, полученных при однократном и циклическом видах нагружения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический анализ, просвечивающую электронную микроскопию, механические испытания образцов, макро- и микрофрактографический анализ (растровая электронная и лазерная микроскопия), рентгеноструктурный анализ.
Научная новизна работы:
-
Установлено, что РКУП при 200 С стали 10, формируя субмикрокристаллическую структуру, практически не изменяет порог хладноломкости стали по сравнению с исходным состоянием, однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода; повышение температуры РКУП до 400 С смещает данный интервал в сторону низких температур, повышая тем самым конструктивную прочность материала.
-
Установлено, что трещиностойкость стали 10 и аустенитной стали AISI 321 после РКУП не уменьшается по сравнению с исходным состоянием.
-
Установлено, что РКУП стабилизирует аустенитную структуру стали AISI 321 в пластических зонах под поверхностью изломов по отношению к у—>а превращениям.
-
Показана (на примере стали 10 и титанового сплава ВТ6) принципиальная возможность повышения ударной вязкости материалов с субмикрокристаллической структурой без существенного снижения твердости и прочности за счет формирования более равновесной структуры путем совершенствования технологических процессов РКУП и последующей обработки материалов.
-
Установлено, что повышение предела усталости титана Grade 4 с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП, происходит за счет увеличения времени до зарождения усталостной трещины и более низкой скорости ее распространения, при этом коэффициент п в уравнении Пэриса практически в 2 раза больше, чем в случае с титаном в исходном состоянии.
-
Установлены закономерности формирования макро- и микростроения изломов материалов с субмикрокристаллической структурой, полученных при различных видах нагружения и температурах испытания.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
-
Разработаны и экспериментально обоснованы режимы РКУП и последующей термической обработки стали 10 с субмикрокристаллической структурой, позволяющие повысить ее конструктивную прочность за счет повышения ударной вязкости при сохранении высоких значений твердости, пределов прочности и текучести.
-
Полученные при выполнении диссертации результаты внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» при подготовке магистров по направлению магистратуры 150600.68 - Материаловедение и технология новых материалов. Разработанный способ идентификации полезных сигналов акустической эмиссии по их профилю принят к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» для проведения усталостных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
-
Механические свойства и особенности макро- и микростроения изломов материалов с различным типом кристаллической решетки в субмикрокристаллическом состоянии, определенные при различных видах нагружения и температурах испытаний.
-
Установленные закономерности сужения после РКУП интервала вязко-хрупкого перехода стали 10 по сравнению с исходным состоянием.
-
Разработанные режимы проведения РКУП и последующей термической обработки стали 10, позволяющие, при незначительном уменьшении твердости и прочности, увеличить ее ударную вязкость.
-
Кинетические диаграммы усталостного разрушения и уравнения Периса для титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на: XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2008, Магнитогорск, 2012); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009, 2011); XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009); Первых Московских чтениях по проблемам прочности (Москва, 2009); Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009 (Москва, 2009, 2011); Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» (Витебск, Беларусь, 2009); 49 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Киев, Украина, 2010); V Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP-2010) (Тамбов, 2010); 50 Международном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2010); V и VI Международных научных конференциях «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008, 2010); 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина, 2011); VI Еврозийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (ПРОСТ 2012) (Москва, 2012).
Личный вклад автора. Испытания материалов на твердость и ударную вязкость были проведены лично автором. Усталостные испытания материалов, а
также исследование макро- и микростроения изломов были выполнены при непосредственном участии автора.
Степень достоверности научных результатов и выводов. Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием комплексных методик исследования, включающих в себя апробированные научные методы и стандартные методики, значительным объемом экспериментальных исследований, а также публикацией в реферируемых научных журналах и обсуждением на российских и международных конференциях.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях из Перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка использованных источников. Работа изложена на 148 страницах, содержит 81 рисунок, 21 таблицы, список использованных источников содержит 104 наименований.
Технология получения и свойства металлических материалов после равноканального углового прессования
К основным видам разрушения металлических материалов при однократных видах нагружения относят вязкое, квазихрупкое, хрупкое, вязкохрупкое и смешанное разрушения. Рассмотрим механизмы разрушения, свойственные каждому виду разрушения. Характерной особенностью вязкого разрушения является медленное развитие трещины и высокая энергоемкость разрушения как на стадии зарождения, так и на стадии распространения трещины. Последнее обусловлено необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины вязкой трещины. Вязкое разрушение является преимущественно внутрезеренным, хотя может быть и межзеренным. Зарождение вязкого разрушения в технических металлических материалах связано с образованием в области локализованной пластической деформации (утяжки) микропор [5, 12].
Микропоры обычно зарождаются в процессе пластического течения на включениях, нерастворенных частицах вторых фаз (например, карбидах), границах зерен, в полосах деформации или в любых других местах, где наличие несплошности приводит к концентрации пластического течения. Декогезия материала в месте зарождения микропоры может происходить через частицу второй фазы или вдоль границы раздела частица – матрица. По мере увеличения пластической деформации микропоры растут, зарождаются новые; расстояние между крупными микропорами уменьшается, тонкие гребни, разделяющие микропоры, разрываются, и происходит разрушение. Образованные таким образом поверхности излома содержат многочисленные чашеподобные углубления в виде ямок (рис. 1.1).
Рассмотренный микромеханизм вязкого разрушения определяет макрофрактографическое строение вязких изломов. Вязкий излом имеет волокнистое строение и большую шероховатость; металлический блеск отсутствует. Излом состоит из относительно плоской центральной части, а в периферийной части образуются губы среза.
Образованные таким образом поверхности излома содержат многочисленные чашеподобные углубления (ямки). Размеры и форма ямок вязких изломов редко бывают однородными. В технических материалах с характерными для них заметными колебаниями размеров и распределений дисперсных частиц может наблюдаться широкий диапазон размеров и форм ямок [56]. По данным Бичема [4] имеется 14 вариантов формирования ямок в зависимости от напряженного состояния вблизи вершины трещины, что позволяет путем детального анализа их формы реконструировать возможные условия нагружения. На форму ямок влияет относительное направление максимального напряжения, вызвавшего разрушение. Различают (рис. 1.2) равноосные ямки (ямки растяжения), ямки сдвига, ямки отрыва [56, 57].
Ямочный микрорельеф поверхности излома аустенитных сталей [56, 40]. а– равноосные ямки (сталь Н26Т3); б– ямки сдвига (сталь Н32Т3); в– ямки отрыва (сталь 40Х4Г18Н8Ф); г- межзеренное вязкое разрушение (сталь 40Г18Ф). а-г– х1000 Равноосные ямки (рис. 1.2 а) образуются, например, в центральной части излома образца, испытанного при одноосном растяжении. На поверхности губ среза можно наблюдать ямки, вытянутые в одном направлении. Такие ямки называют ямками сдвига (рис. 1.2 б). Ямки сдвига на поверхности разрушения вытянуты в одном направлении, а на сопряженной поверхности разрушения – в противоположном. Для ямок сдвига трудно идентифицировать место зарождения микропоры, т.к. карбидная частица или ответственное за нее включение могут быть спрятаны под ее поверхностью, которая может быть деформирована или сглажена в результате сдвигового смещения в процессе разрушения.
Ямки отрыва (рис. 1.2 в) образуются в результате внецентренного напряженного состояния, присущего, например, образцам с надрезом, испытанным на вязкость разрушения или на ударную вязкость. Сильно вытянутые микропоры, которые превращаются в ямки отрыва, как правило, формируются в начальной области роста трещины (в очаге разрушения).
Размер ямок зависит от числа мест зарождения микропор и относительной пластичности матрицы. На поверхности ямок видны признаки деформации: скольжение, волнистость, зоны вытяжки. Скольжение происходит по нескольким почти параллельным благоприятно ориентированным плоскостям. По мере развития деформации отдельные плоскости скольжения сглаживаются и образуют волнистую поверхность ямки. Дальнейшая деформация иногда «стирает» детали рельефа и возникает безрельефная поверхность боковой стенки ямки. Вязкое разрушение является преимущественно внутрезеренным, хотя может быть и межзеренным (рис. 1.2 г).
Как правило, вязко разрушаются материалы с ГЦК решеткой (за исключением случая межзеренного хрупкого и смешанного разрушения), а также материалы с ОЦК решеткой при температурах выше верхней критической температуры хрупкости. Наличие вязкого излома всегда свидетельствует о высокой энергоемкости разрушения (высоких разрушающих напряжениях) и хорошем сопротивлении материала развитию трещины.
Хрупкое разрушение – это быстро протекающий, неуправляемый процесс, который часто является причиной аварийного разрушения деталей и элементов конструкций. Зарождение и развитие хрупкой трещины может произойти вследствие понижения температуры эксплуатации изделия, увеличения скорости нагружения, большой толщины детали, наличия в изделии трещины или трещиноподобных дефектов, присутствия в структуре материала вредных примесей и некоторых других причин [12, 40]. Большинство из перечисленных факторов увеличивают стесненность пластической деформации, вызывая снижение пластических характеристик материала. Особое место занимают водородное охрупчивание, коррозия под напряжением, жидкометаллическое охрупчивание. В этом случае, независимо от структуры материала, разрушение происходит по межзеренному хрупкому механизму [12].
Хрупкие изломы обычно имеют кристаллическое строение. Они блестящие или имеют цвет фаз, расположенных по границам зерен. Как правило, изломы прямые, без видимых признаков пластической деформации (отсутствие скосов и зон среза, связанных с пластической деформацией). Утяжка материала вблизи излома отсутствует.
Хрупкое разрушение может быть как внутризеренным, так и межзеренным (рис. 1.3 а, б).
Внутризеренное (транскристаллитное) хрупкое разрушение происходит по механизму скола с образованием ручьистого микрорельефа (рис. 1.3 а) [61]. Скол представляет собой локальное расщепление по определенным кристаллографическим плоскостям, которое происходит в металлах, обнаруживающих слабую способность или полное отсутствие к поперечному скольжению.
Исследование структуры стали 10 после РКУП на просвечивающем электронном микроскопе до и после отжига
В многофазных сплавах существенную роль при формировании структуры играют природа и морфология вторых фаз. При наличии в исходной структуре сплава более прочных, чем матрица, частиц второй фазы, в процессе ИПД может происходить их дробление и растворение, что приведет к образованию пересыщенного твердого раствора. Например, при ИПД двухфазного сплава Zn-22%Al наблюдали измельчение обеих фаз. После ИПД кручением (5 оборотов) уже при комнатной температуре образовалась дуплексная наноструктура с размером зерен - и -фаз менее 100 нм [68] (рис. 1.15).
Интенсивная пластическая деформация кручением (давление 6 ГПа, истинная деформация е=7) стали У12 в нормализованном состоянии, имеющей перлитную структуру и избыточный цементит (рис. 1.16 а), привела к формированию дисперсной структуры с размером зерна 20 нм (рис. 1.16 б) при полном растворении цементита, т. е. образовался пересыщенный твердый раствор С в -Fe [71]. Образование твердых растворов было обнаружено также в сплавах, компоненты которых взаимно не растворяются и в обычном состоянии образуют механическую смесь: Fe-Cu [87, 88], Cu-50%Al [85], Fe-Be [87], Al-Fe [84]. Метастабильные наноструктурные пересыщенные твердые растворы интересны тем, что распадаясь при нагревании, они обеспечиваются новые необычные свойства материалов.
Структура стали У12 в нормализованном состоянии (а) и после ИПД кручением при комнатной температуре: а - нормализованное состояние; перлитная структура с избыточным цементитом; б -структура после ИПД кручением: давление р = 6 ГПа; истинная деформация е=7
На сегодняшний день механизмы деформационных процессов, протекающих в наоструктурированных материалах, до конца не изучены, но некоторые принципиальные моменты установлены. Сегодня можно однозначно утверждать [9, 15, 81, 95, 96, 100], что: Дислокации в нанокристаллических материалах при деформации не играют большой роли. В нанокристаллических материалах, из-за большого количества разрыхленных границ, облегчаются диффузионные механизмы пластичности, проскальзывание и поворот зерен. Под нагрузкой часть границ релаксирует и аннигилирует, что ведет к появлению вытянутых в направлении действующих напряжений зерен. Известно, что с уменьшением размера зерна вероятность деформации двойникованием снижается. Но при размерах зерен менее 100 нм двойникование снова активизируется. Большую роль в формировании свойств нанокристаллических материалов играют границы зерен и тройные стыки.
По теоретическим оценкам [41, 86, 99] формирование наноструктур в металлах и сплавах может обеспечить высокую прочность, а также низкотемпературную и (или) высокоскоростную сверхпластичность [9, 64, 94]. Но проблемы в получении наноструктурных материалов до недавнего времени ограничивали возможность исследования механических свойств объемных наноструктурных материалов. Возможность получения образцов методами интенсивной пластической деформации позволяет начать систематические исследования механических свойств металлических материалов, в том числе промышленных сталей и сплавов [7].
Известно [7, 15], что соотношение Холла-Петча, предполагающее дислокационные механизмы пластического течения, барьерное действие границ, в области размеров зерен менее 10 нм перестает выполняться (рис. 1.17).
Зависимость предела текучести от размера зерна материала. 1, 2 - экспериментальные зависимости для различных материалов в области нарушения закона Холла-Петча; 3– теоретическая кривая закона Холла-Петча. На рис. 1.18 показаны отклонения от соотношения Холла-Петча (сплошная линия), наблюдаемые в монокристаллических образцах меди, железа, никеля и титана [76]. Предполагается, что причинами этого отклонения являются: блокирование дислокационных механизмов пластичности, увеличение роли диффузии точечных дефектов, зернограничное проскальзывание. Другая проблема заключается в снижении пластичности (деформации до разрушения) по мере уменьшения размера зерна наноструктурных материалов [7, 9, 15, 76]. Рисунок 1.18 – Отклонения от соотношения Холла-Петча (сплошная линия), наблюдаемые в монокристаллических образцах меди, никеля, железа и титана
Одной из важнейших характеристик конструкционных материалов является чувствительность напряжения текучести к скорости относительной деформации. Обычно это выражается с помощью коэффициента скоростной чувствительности m
Для обычных материалов коэффициент m имеет невысокие значения и изменяется в пределах от 10 3 до 10"1. Но по мере уменьшения зерна величина m в ГЦК и ГПУ металлах имеет тенденцию к росту. В материалах с ОЦК решеткой данный эффект не наблюдается. Есть предположение, что такое различие вызвано разными механизмами деформирования. Признаком различий может служить активационный объем , характеризующий деформацию, который можно представить в виде оценочного выражения: у=АкТ/тоу, где А - безразмерный коэффициент порядка 1; к -постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. В ГЦК и ГПУ материалах активационный объем намного больше, чем в ОЦК материалах.
Измельчение зерна в металлах с ГЦК решеткой, как уже говорилось ранее, вызывает рост т, о чем свидетельствует, по данным [76], зависимость (рис. 1.19) активационного объема от размеров зерна. Как видно из рисунка, уменьшение размера зерна от единиц мкм до 10 нм сопровождается снижением от 10V до (1-10)Ъ3. Такое резкое изменение величины активационного объема свидетельствует о смене атомного механизма деформирования.
Разрушение стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП
В средней области вязко-хрупкого перехода разрушение стали 10 в исходном состоянии произошло по сосредоточенному механизму (ямочный микрорельеф и микроскол), а после РКУП при 200 0С как при 4, так и при 6 проходах – с образованием ступенек и малорельефных вытянутых участков. В результате РКУП при 400 0С (4 и 8 проходов) образцы из стали 10 в средней области вязко-хрупкого перехода разрушились с образованием ямочного микрорельефа в периферийной, и участками скола в центральной части изломов.
При температурах верхней области вязко-хрупкого перехода все образцы стали 10 – в исходном состоянии, после различных режимов РКУП– разрушились вязко с образование ямочного микрорельефа. Причем при разрушении образцов после РКУП сформировались более глубокие, по сравнению с исходным состоянием, ямки.
Результаты макро- и микрофрактографического анализов дают основание предположить, что разрушение образцов стали 10 после РКУП при ударном изгибе в условиях низких (-196 и -70 0С), а возможно и нормальной температур, произошло в условиях плоской деформации (ПД), т.к. при этих температурах произошло хрупкое разрушение, а на поверхности изломов во всех случаях отсутствуют губы среза [38, 57, 58]. Оценку локального напряженного состояния материала при температурах разрушения -196, -70 и 20 0С осуществляли с помощью критерия hmax/t [57] (где hmax – максимальная глубина пластической зоны под поверхностью излома, t – толщина образца). Для этого, используя рентгеновский метод, была определена глубина пластической зоны под поверхностью изломов стали 10 после 4 проходов РКУП.
По результаты исследования (табл.3.2), что под поверхностью исследованных изломов имеется одна пластическая зона, а отношение hmax/t при всех температурах испытания меньше 10-2. Следовательно, разрушение образцов из стали 10 в субмикрокристаллическом состоянии произошло в условиях плоской деформации (ПД) (рис. 3.13) [57]. Таблица 3.2 – Сталь 10 (РКУП при 200 0С, 4 прохода). Глубина пластической зоны (hy) под поверхностью ударных изломов и отношение hmax/t
Расчет значения трещиностойкости стали 10 после РКУП в условиях плоской деформации (К1с) проводили по методике [57] оценки трещиностойкости материалов по глубине пластических зон под поверхностью изломов. Результаты расчетов представлены в таблице 3.3. Для сравнения приведены значения статической трещиностойкости стали данного класса в исходном состоянии.
Из приведенных данных видно, что трещиностойкость (К1с) стали 10 после равноканального углового прессования не уменьшается по сравнению с исходным состоянием, причем наблюдается снижение ударной вязкости.
Рисунок 3.13 - Схема формирования пластической зоны у вершины трещины (а) и под поверхностью изломов при ее распространении (б) в условиях плоской деформации (hy - глубина пластической зоны под поверхностью изломов) [67] Таблица 3.3 – Трещиностойкость (К1с) стали 10 в исходном состоянии и после 4 проходов РКУП субмикрокристаллическую структуру, приводит к повышению прочностных характеристик стали 10, но снижает ее характеристики пластичности в сравнении с исходным состоянием. Неоднозначно влияет равноканальное угловое прессование на ударную вязкость стали 10 (материала с ОЦК решеткой). РКУП вызывает сужение интервала вязко-хрупкого перехода, однако прессование при 200 0С не изменяет порог хладноломкости, а при 400 0С – снижет его, смещая интервал вязко-хрупкого перехода в сторону отрицательных температур.
Для понимания природы наблюдаемых закономерностей исследовали тонкую структуру стали после РКУ прессования методом просвечивающей электронной микроскопии. В структуре стали 10 после РКУП при 200 С (4 прохода) ярко выражена полосчатость (рис. 3.14 а). После РКУП при 400 С (4 прохода) полосчатость структуры выражена в меньшей мере (рис. 3.14 б), ниже е дефектность. Размеры фрагментов после РКУП при 200 С – около 300 нм (рис. 3.14 а), а при 400 С – 500 нм (рис. 3.14 б). РКУ прессование, повышая уровень дефектности структуры, приводит к увеличению предела прочности стали, однако снижает е способность деформационному упрочнению, в результате чего разницы между пределами текучести и прочности уменьшается, теряется пластичность по сравнению с исходным состоянием (табл. 3.1). Наблюдаемая после РКУ прессования при 200 С полосчатость структуры повлияла на механизм ударного разрушения, особенно при низкой температуре: разрушение произошло по механизму квазискола, излом косой. Порог хладноломкости остался на прежнем уровне. После РКУ прессования при 400 С сформировалась менее дефектная, по сравнению с прессованием при 200 С, структура. В результате интервал вязко-хрупкого перехода сместился в сторону отрицательных температур.
Исследовали влияние температуры нагрева образцов из стали 10 после РКУП на твердость и ударную вязкость. Образцы из стали 10 после 4 проходов РКУП при 200 0С нагревали до разных температур в интервале от 100 до 700 0С с последующим определением твердости НВ. Результаты исследования показали, что твердость стали 10 начинает снижаться при температурах нагрева выше 450 0С (рис. 3.15).
Прочностные характеристики снижаются примерно в 1,5 раза по сравнению с прочностью стали после РКУП, но более чем в 1,5 раза превышают прочность в исходном состоянии. Нагрев образцов до температур 350 и 550 0С привел к повышению относительного удлинения по сравнению с состоянием после РКУП – относительное удлинение увеличилось в 1,3 и 5,0 раз соответственно (табл. 3.4). Рисунок 3.15 – Сталь 10 (РКУП при 200 0С, 4 прохода). Твердость (НВ) после нагрева до различных температур
При испытании на ударный изгиб образцы из стали 10 после РКУ прессования с последующим нагревом разрушились не полностью, что говорит о значительном повышении ударной вязкости – как минимум в 6 раз в сравнении с состоянием после РКУП, и как минимум в 3 раза в сравнении с исходным состоянием. последующего нагрева до температуры 350 0С характер разрушения волокнистый, вязкий, состоящий из параллельных гребней, напоминающий складчатый макрорельеф. В очаге разрушения наблюдается вязкая зона сдвига с сильно вытянутыми ямками (рис. 3.16 а). При небольшом увеличении в центральной части излома видны вязкие гребни (рис. 3.16 б). В вершинах гребней имеются равноосные, глубокие ямки (рис. 3.16 б), а во впадинах ямки линзообразные, неглубокие (рис. 3.16 в).
Разрушение аустенитной стали AISI 321 при комнатной и низкой температурах Аустенитные стали находят широкое применение в различных отраслях техники благодаря высоким механическим и технологическим свойствам в широком диапазоне температур. Измельчение зерна путем равноканального углового прессования оказывает благоприятное влияние на механические свойства данных сталей [55]. Однако мартенситные превращения, которые могут происходить в пластических зонах у вершины распространяющейся трещины [38], не всегда однозначно влияют на сопротивление материала развитию трещины. Последнее затрудняет прогнозирование поведения аустенитных сталей в реальных условиях эксплуатации и ограничивает возможности их применения.
Результаты исследования влияния РКУП-конформ на усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения образцов из титана Grade 4
Микрорельеф зоны ускоренного развития трещины ямочный, наблюдаются вязкие бороздки и вторичные трещины (рис. 4.5 г, д). Микрорельеф долома образован неглубокими, но ярко выраженными ямками (рис. 4.5 е).
Таким образом видно, что по макростроению все изломы, за исключением изломов образцов из титана с размером зерна 240 мкм, не имеют существенных отличий по величине шероховатости поверхности в зоне усталостного разрушения и профилю данной зоны.
Изломы образца из титана с размером зерна -фазы 240 мкм блестящие, однородные; крупные ровные фасетки чередуются с шероховатыми областями. Выявить зоны усталостного разрушения на поверхности изломов не представляется возможным. Микрофрактографичесий анализ показал наличие участков циклического скола, чередующимися с вязкими областями. На поверхности остальных изломов наблюдаются две четко различимые зоны: зона усталостного разрушения lf и зона долома. Зона lf матовая, бархатистая, с очень малой шероховатостью и расположена перпендикулярно оси образца. В ее пределах можно выделить зону стабильного роста трещины ls, отличающуюся меньшей шероховатостью и более светлым цветом. Зона долома образована фрагментами, ориентированными под углом 450 к плоскости излома.
Микрорельефы изломов также схожи: практически бесструктурные вблизи очага разрушения, вероятно, от взаимодействия поверхностей изломов при нагружении образцов, и с ямочным микрорельефом при увеличении длины усталостной трещины. Иногда просматриваются вязкие усталостные бороздки. Микрорельеф зоны долома ямочный: мелкие равноосные ямки у образцов из титана с размером зерна -фазы 0,15 мкм и сплава ВТ6 с размером зерна 15 мкм, и неглубокими но крупными ямками у образцов из сплава ВТ6 с размером зерна 0,3 мкм. Результаты исследования влияния РКУП-конформ на усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения образцов из титана Grade 4
Как отмечалось выше, титан и титановые сплавы, отличаясь высокими показателями удельной прочности и биосовместимостью, могут весьма эффективно применяться в медицинской технике в качестве материалов для крепежной арматуры, протезов, имплантатов, что предполагает изучение механизмов их разрушения при различных условиях нагружения.
Для понимания механизма повышения усталостной прочности материалов после РКУ прессования была исследована кинетика усталостного разрушения титана Grade 4 и построены кинетические диаграммы усталостного разрушения, отражающие зависимость скорости роста трещины dl/dN от размаха К.
На рисунке 4.7 показана зависимость длины усталостной трещины от числа циклов нагружения для титана Grade 4 в исходном и субмикрокристаллическом состояниях, на рисунке 4.8 – кинетические диаграммы усталостного разрушения.
Из приведенных зависимостей (рис. 4.7) видно, что после РКУП конформ увеличивается долговечность на стадии зарождения трещины. Это связанно, возможно, с более высокой прочностью материала после пластической обработки. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения исследуемого материала в субмикрокристаллическом состоянии расположена ниже аналогичной диаграммы для титана в исходном состоянии, из чего можно сделать вывод, что при равных значениях размаха коэффициента интенсивности напряжения K скорость роста усталостной трещины в титане, подвергнутом РКУП-конформ, ниже, чем в исходном состоянии (рис. 4.8).
На рисунке 4.9 показан характерный вид усталостных изломов титана Grade 4 в исходном и субмикрокристаллическом состояниях. На рисунке 4.10 показан очаг разрушения данных изломов. В изломах хорошо просматриваются две макрозоны (рис. 4.9 а, б): зона усталостного развития трещины lf, имеющая небольшую шероховатость, и зона долома. В очаге разрушения обоих изломов видны ступенки (рис. 4.10 а, б), что свидетельствует об образовании нескольких очагов зарождения трещин на разных кристаллографических плоскостях и последующем их объединении. Видно также, что шероховатость поверхности излома титана Grade 4 после РКУП-конформ вблизи очага разрушения меньше по сравнению с шероховатостью поверхности излома титана в исходном состоянии (рис. 4.10 а, б).
Микрорельеф зоны усталостного разрушения lf титана Grade 4 после РКУП-конформ более мелкий, по сравнению с исходным состоянием, и состоит преимущественно из язычков отрыва, образованных, по-видимому, путем квазимикроскола (рис. 4.11 б, г, е, з). Усталостные бороздки не видны даже при большом увеличении (рис. 4.11 з).
В зоне долома разрушение титана Grade 4 в исходном состоянии произошло путем расслоения по кристаллографическим плоскостям (рис. 4.12 а), а в субмикрокристаллическом состоянии после РКУП-конформ – по механизму микроквазискола (рис. 4.12 б).
Похожие диссертации на Ударная вязкость и усталостная прочность металлических материалов после равноканального углового прессования
