Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время к используемым и вновь создаваемым сталям предъявляются эксплуатационные требования, среди которых выделяется сопротивление усталости в большом диапазоне нагружений, в том числе при высоких амплитудах напряжений и заданной ограниченной долговечности, а также при напряжениях близких к пределу выносливости сталей со сверхвысокой долговечностью. Обеспечение ресурса по этим показателям является актуальной задачей прикладного материаловедения.
Усталостное разрушение обусловлено процессами развития и накопления циклической пластической деформации, масштабы которой зависят от состава, структурного состояния, степени гетерогенности материала и его запаса пластичности. Проявление циклической пластической деформации можно характеризовать тремя частично перекрывающимися процессами, отличающимися типом и локальностью развития. Это упрочнение и разупрочнение, определяемые структурным состоянием всего объекта; зарождение трещин в локальной области, контролируемые характером структурного строения в микрообъемах; продвижение трещин, в среде с измененными свойствами, отличными от исходных.
Интенсивность данных процессов определяется параметрами циклического нагружения: амплитудой и асимметрией цикла, видом напряженного состояния, градиентом напряжений и др. При этом влияние пластической деформации неоднозначно – она источник накопления поврежденности и роста трещин, с одной стороны, и зона релаксации напряжений, с другой стороны. Несомненным является влияние состава, структурного состояния и степени гетерогенности на развитие циклической макро- и микропластической деформации, а так же на развитие трещин соизмеримых с размерами структурных элементов.
К настоящему времени экспериментально установлено проявление нестабильности процессов усталости, связанных с развитием циклической пластической деформации. Нестабильность формально выражается в форме нарушения монотонности кривой усталости разного рода разрывами и перегибами при испытаниях, как гладких образцов, так и образцов с концентраторами напряжений. В этом случае кривая усталости представляется разделенной на участки разной долговечности до разрушения. По физической сути такая нестабильность связана с изменением механизмов зарождения и распространения усталостных трещин и условий, влияющих на эти процессы. Значительный вклад в исследования стадийности усталостных процессов и влияния циклической пластической деформации на развитие разрушения внесли такие ученые, как В.С. Иванова, В.Т. Трощенко, В.И. Шабалин, Л.Р. Ботвина, Н.А. Махутов, В.Ф. Терентьев, В.В. Панасюк, А. Pukr, С.А. Головин, А.В. Гурьев, T. Yokobori, М. Klesnil, P. Luk, K.J. Miller, Y. Murakami и другие. О значительном интересе к отмеченной проблеме свидетельствуют регулярные международные конференции по вопросам сверхвысокой долговечности и разрушению.
В промышленности используется широкий спектр сплавов с различной гетерогенностью структурного состояния. В последнее десятилетие значительный интерес проявляется к разработке высокопрочных азотосодержащих сталей аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, в которых частичная замена легирующих элементов, а также микролегирование ниобием позволяет сократить расход легирующих материалов и нормировать их структурное состояние и, следовательно, усталостные характеристики. Стали в состоянии среднего отпуска после закалки отличаются хорошим сочетанием прочности, пластичности и вязкости, коррозионной стойкости и хорошей обрабатываемостью. Однако сведения о механизмах сопротивления механической усталости таких сталей весьма ограничены. Учитывая, что фиксирование карбонитридных дисперсных включений в твердом растворе осуществляется посредством термической обработки, необходимы исследования влияния структурного состояния при зарождении и развитии усталостных трещин.
Находят также широкое применение высокопрочные, умереннолегированные качественные стали мартенситного класса. Это стали со средним содержанием углерода и легированные хромом, никелем, молибденом и в небольших количествах, ванадием и др. В нормализованном состоянии основным упрочняющим фактором умереннолегированных сталей является углерод. Роль легирования в упрочнении значительно проявляется при фазовых перестройках в процессах закалки и отпуска. Повышение прочностных свойств достигается за счет измельчения зерна и увеличения дисперсности, изменению гетерогенности структуры и приводит к различным механизмам микро- и макроразрушения. Использование таких сталей для высоконагруженных изделий требует информации о длительности периода до зарождения и продолжительности распространения усталостных трещин.
Целью настоящей работы является установление влияния структуры конструкционных сталей на масштаб локальной циклической деформации, приводящей к зарождению и развитию усталостных трещин, и путей повышения перегрузочной способности конструкций в условиях ограниченной и сверхвысокой долговечности.
В работе использованы комплексные исследования механических свойств сталей при статических и циклических нагружениях, оптический, фрактографический и магнитный методы анализа структурной поврежденности, критерии предельных состояний механики разрушения. На этой базе рассмотрены прикладные вопросы прогнозирования локализованной усталостной поврежденности и ресурса работы стальных конструкций грузоподъемных машин.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Выявление общих закономерностей влияние состава и структурного состояния сталей феррито-перлитного, аустенито-мартенситного и мартенситного классов на форму и параметры кривых усталости в широких диапазонах нагружения и долговечности.
-
Построение кинетических зависимостей размера пластической зоны и роста усталостных трещин в феррито-перлитных и аустенито-мартенситных сталях с использованием различных методов их идентификации.
-
Определение механизмов формирования подповерхностного зарождения разрушения на включениях при напряжениях ниже нормированного предела усталости при сверхвысоком числе циклов.
-
Построение регрессионных зависимостей роста скорости роста трещин от значений коэффициентов интенсивности напряжений для высокопрочных сталей и определение показателей их трещиностойкости.
-
Установление влияния режимов термической обработки на параметры усталостного разрушения и разработка рекомендаций, удовлетворяющих эксплуатационным свойствам долговечности до зарождения трещин и живучести с трещиной высокопрочных сталей.
-
Разработка и обоснование основных положений диагностики интенсивно нагруженных стальных конструкций грузоподъемных кранов на базе анализа структурного состояния и критериев механики разрушения.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Для сталей с различной структурной неоднородностью, включающих феррито-перлитные с мягкой матрицей и твердыми составляющими, аустенито-мартенситные с твердой матрицей и пластичными прослойками, а также мартенситные с жесткими структурами, получены регрессионные кривые усталости в широком диапазоне амплитуд напряжений устанавливающие зависимости числа циклов до образования трещин и до разрушения от масштабов циклических пластических деформаций и степени гетерогенности структур.
-
Установлены: монотонный характер роста пластической слабодеформированной макрозоны в феррито-перлитных малоуглеродистых сталях в условиях асимметричных циклов и плосконапряженного состояния, сопровождающийся утяжкой поперечного сечения, и негомогенный характер упрочнения сильнодеформированной микрозоны у вершины продвигающейся трещины.
-
Механизмом формирования пластической микрозоны в аустенито-мартенситных сталях является образование ориентированного мартенсита деформации перед вершиной растущей трещины в условиях плоскодеформированного состояния.
-
Механизмы зарождения и развития трещин в стали аустенито-мартенситного класса на сверхвысокой базе (>10 8 циклов) проявляются в двух формах: посредством развития микропластических деформаций на включениях и слиянием пор на мартенситных субграницах.
-
Получены кинетические зависимости скорости роста трещин в областях 510-10…10-8 м/цикл. в аустенито-мартенситных и 10-8…10-4 м/цикл. в мартенситных высокопрочных сталях от амплитуд коэффициента интенсивности напряжений для нагружений. Определены показатели живучести высокопрочных сталей с трещиной в зоне многоцикловой усталости. Оба диапазона изменения скорости роста трещин описываются зависимостями одного типа и соответствуют стабильному участку кинетической диаграммы усталостного разрушения.
-
Предложена обобщенная кривая усталости, на которой выделены критические напряжения, отвечающие сменам механизмов зарождения и развития трещин, определяемым в зависимости от масштаба циклической пластической деформации, структурного и напряженного состояний сталей (феррито-перлитных, мартенситных и аустенито-мартенситных).
-
Установлено, что при средних перегрузках наибольшей долговечностью обладают азотосодержащие аустенито-мартенситные стали (для стали 08Х14АН4МДБ закалка от 1050 С с отпуском при 400 С). Для промышленных изделий, требующих высокую перегрузочную способность, рекомендуется сталь 30ХН2МФА изотермической закалки от 860 С с отпуском при 300 С, удовлетворяющая показателям ограниченной долговечности и трещиностойкости.
-
Разработаны и апробированы методики технического диагностирования интенсивно нагруженных металлоконструкций и расчетные оценки остаточного ресурса конструкций, выполненных из малоуглеродистых и низколегированных сталей, основными предельными состояниями которых являются накопленная усталостная поврежденность и развитие усталостных трещин критической величины.
Основные положения, выносимые на защиту:
- регрессионные зависимости долговечности сталей основных структурных классов от уровня приложенных амплитуд номинальных напряжений, с учетом влияния масштабов развития циклических пластических деформаций и их влияние на условия зарождения и роста трещин;
- закономерности развития структурной поврежденности в пластических зонах у надрезов и перед фронтом развивающейся трещины для сталей феррито-перлитных и аустенито-мартенситных структур;
- механизмы зарождения разрушения в аустенито-мартенситной стали с упрочнением дисперсными карбонитридными включениями на сверхвысокой базе испытаний;
- кинетические зависимости роста усталостных трещин в высокопрочных сталях мартенситного и аустенито-мартенситного классов и показатели долговечности до зарождения трещин и живучести с трещиной высокопрочных сталей;
- выбор составов и режимов термической обработки высокопрочных сталей по показателям долговечности до разрушения, трещиностойкости и перегрузочной способности;
- разработанную методологию оценки предельного состояния и остаточного ресурса интенсивно нагруженных металлоконструкций, выполненных из малоуглеродистых и низколегированных сталей.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием современных методов исследований и оборудования, стандартных и оригинальных методик, согласованностью результатов лабораторных и эксплуатационных испытаний с учетом статистических и компьютерных методов обработки данных, а также согласованность результатов с работами и выводами отечественных и зарубежных авторов.
Практическая значимость работы
Проведенные исследования нашли практическое использование:
- для выбора составов и термической обработки высокопрочных сталей по показателям ограниченной долговечности и трещиностойкости при высоких уровнях перегрузки (ГУП КБ приборостроения, г. Тула, заключение об использовании от 22.01.2004);
- для выбора режима отпуска закаленной аустенито-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ, отвечающего требуемому сопротивлению усталости (ИМЕТ РАН, г. Москва);
- при разработке способа диагностики стальных конструкций по накопленной макропластической деформации локальных участков поверхности (патент РФ №2170923, G01N21/88, G01B11/30);
- при выполнении экспертных работ и технического диагностирования металлоконструкций грузоподъемных кранов по показателям живучести (НИИ промышленной и экологической безопасности ЮРГТУ, г. Новочеркасск, заключение об использовании от 16.05.2008).
- в учебном процессе для студентов подготовки бакалавров, специалистов, магистров и аспирантов по курсам дисциплин «Физика прочности и пластичности» «Проблемы качества и материаловедение, экспертиза и причины отказов» (спец. 150702), «Конструкционная прочность» (спец. 190100), для которых подготовлено и издано учебное пособие («Механика разрушения», Тула, ТулГУ, 1999. - 273 с.)
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Х-я международная конференция “Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах (Тула - 2001); международная научно-техническая конференция “ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2001” (Санкт-Петербург - 2001); II Всероссийская конференция Разрушение и мониторинг свойств материалов” (Екатеринбург - 2003); 4-я международная конференция “Прочность и разрушение материалов и конструкций” (Оренбург - 2005); XVI Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург - 2006); III-я евразийская научно-практическая конференция “Прочность неоднородных структур” (Москва - 2006); I-я международная конференция “Деформация и разрушение материалов” DFM2006 (Москва - 2006); научно-практический семинар “Техническое регулирование в обеспечении безопасности опасных производств, использующих подъемные сооружения” (Новочеркасск – 2006); IV-я евразийская научно-практическая конференция “Прочность неоднородных структур” (Москва - 2008).
Результаты работы экспонировались на выставках: Специализированная выставка “Подъемно-транспортная техника и технологии” (Москва - 2003, медаль оргкомитета); VII международный салон промышленной собственности “АРХИМЕД-2004”(Москва – 2004, диплом оргкомитета); специализированная выставка “Подъемно-транспортная техника и технологии” (Москва - 2006).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 34 печатных работах, включая монографию, патент РФ, 28 статьи в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 4 в сборниках трудов и материалов различных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, приложения и списка цитируемой литературы из 246 наименований. Работа изложена на 250 страницах машинописного текста, содержит 100 рисунков и 18 таблиц.
Работа выполнена в Тульском государственном университете в соответствии с тематическим планом НИР, координируемым Министерством общего и профессионального образования РФ (темы № 57-91 и 35-01) , а также в рамках Договора о содружестве с ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 03-01-00653-а, № 06-01-00753-а)
Автор благодарит сотрудников кафедр ФММ и ПТМиО ТулГУ за товарищескую поддержку, коллектив лаборатории конструкционных сталей и сплавов ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова за внимание к работе и дискуссии.
