Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [ 56 ] 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

талла в микротрещинах на ней, как в капиллярах, конденсируется роса -атмосферная влага. В ней растворяются оксиды азота и углерода из аэродромного воздуха, образуя электролит. Разность химических потенциалов структурных составляющих стали создает микроскопические гальванические элементы. В них электролиз воды на кромке трещины дает атомарный водород, поглощаемый металлом и участвующий в раз-рущении. Поэтому критическая интенсивность напряжений К (sec -stress corrosion cracicing) даже при сравнительно безобидных кратковременных испытаниях в воде оказывается в несколько раз ниже, чем на воздухе [9].

Ударная вязкость. При знании К сохраняется необходимость измерять и более простую характеристику вязкости - ударную вязкость, не только потому, что изготовление образцов и испытание много проще, быстрее и требует меньше металла. Это несколько иная характеристика работы разрушения. Если при измерении К цель - воспроизвести стационарные условия распространения трещины (с постоянной удельной работой G), то ударная вязкость суммирует работу пластического изгиба надрезанного образца при ударе с работой зарождения и распространения трещины в нем.

Пропорция этих составляющих зависит от остроты надреза - его радиуса в корне : 1 мм в образце Менаже (тип I по ГОСТ 9454) - ударная вязкость KCU; 0,25 мм - по Шарпи - KCV (тип IV по ГОСТ 9454). (Размерность МДж/м - работа делится на начальную площадь живого сечения образца =0,8 см). Поскольку в образце для измерения AJ трещина готовая, только KCU или KCV как-то косвенно отражают возможности появления трещины. Какая из величин - KCU или KCV - ближе к условиям зарождения трещины в конструкции - зависит от геометрии концентраторов напряжений в ней.

Излом ударного образца имеет плоское дно - хрупкий квадрат (хотя по микростроению это часто вязкий ямочный излом). Он окружен с трех сторон откосами среза - выбега трещины , когда ее пластическая зона достигнет поверхности образца. Поэтому легко измеряемая ширина откоса и есть радиус пластической зоны трещины. Это почти та же величина, которую мы ищем в конечном счете, измеряя К. Только здесь трещина двигалась в пластически деформированном материале, отчего может быть ниже, чем при измерении вязкости разрушения.

Но вместо имеющего очевидный смысл рядом стандартов предписано измерять долю хрупкого излома в процентах: отношение площади хрупкого квадрата ко всему сечению образца. Тем самым скда-

Таблица 5.4. Предел текучести и вязкость разрушения Х, высокопрочных сталей

№ п/п

Марка стали

Og 2, МПа

Aj, МПал/м

.10ХГСН2А

1350

ВКС8 (35ХНЗСМФ)

1500

ЗООМ (35ХН2С2МФ)

1580

ВКС9 (35ХНЗС2МФ)

1600

AermetlOO (23X3H1IKI3M1)

1720

25Х5Н11М2Ю

1950

ЭП637 (25Н12К10М6)

2150

Н18К9М5Т (ВКС210)

2250

2400

дываются вместе две разные площади: с трех сторон - пластической зоны стационарной трещины, а с четвертой - зоны ее зарождения под надрезом.

Хладноломкость. Все перечисленные испытания выполняют при -1-20 °С, тогда как конструкция работает в диапазоне температур - хотя бы климатическом, от +60 °С до -60 °С. Когда сталь разрушается вязко (в шейке), излом волокнистый , из ямок размером 0,5...5 мкм - следов слияния пор, возникавших в процессе разрушения от неких мелких включений иных фаз. С охлаждением ниже комнатной температуры предел текучести (qjT) всех структур на основе а-железа растет При некоторой температуре он сравняется с напряжением а хрупкого скола (по кристаллографической плоскости наименьшего сцепления в решетке), которое не зависит от температуры. Чем ближе (siT) к а, тем меньше предшествующая сколу пластическая деформация ф, работа разрушения - площадь под диаграммой 5(ф) и ударная вязкость.

В отличие от сталей, содержащих крупные зерна феррита, в высокопрочных сталях нет резкого порога хладноломкости [10]: KCU(7) и К(.{Т) при охлаждении плавно падают в интервале шириной >100К. Например, К при температуре жидкого азота (-196°С) в стали ВКС9 (табл. 5.4) составляет 37 % от К при +20 °С. Для общей характеристики хладноломкости измеряют ударную вязкость KCU(7) для ряда температур, а для сдаточных норм обычно задают KCU (по температуре эксплуатации) или же, с запасом , KCU~.

Усталость. Долговечность почти всей техники определяют процессы усталости - зарождения и роста трещины от циклической нагрузки



а < 2 ниже предела текучести. (Для усталостного разрушения сталей с углеродистым мартенситом - 30ХГСН2А, ВКС8, ВКС9 - достаточно напряжения всего в (0,45...0,49)aQ[Ю, 11].

Трешина зарождается в месте поверхностной перегрузки - от микропластических сдвигов близ царапин, рисок, надрезов. От разности сдвигов, совпадающих при нагружении и разгрузке не полностью, на поверхности металла появляется щель (или выступ) размерами в доли микрометра. Для одной из многих щелей случайные сдвиги за множество циклов нагружения сложатся так, что размер ее станет макроскопическим - появится трещина.

Далее тот же процесс повторяется уже в зоне перегрузки на кромке трещины. Перегрузку описывает интенсивность напряжений ~ oVT, а цикл нагружения - размах интенсивности напряжений АК = (К - К ). После N циклов средний прирост трещины за один цикл (AL/AN) = = (0,01...100) мкм. Чем больше АК, тем больше прирост трещины за цикл: (AL/AN) = С(АК{) (закон Париса), где измеренные т - 2...6. Поскольку Aj ~ а >/Z, при постоянном номинальном напряжении а усталостная I трещина по мере роста самоускоряется.

Например, если /и = 2, то уравнение роста {dL/dN) ~ CaL и тогда L ~ ехр(СаЛО, - т. е. с числом циклов N длина трещины нарастает экспоненциально. (А в показателе экспоненты - приложенное напряжение в квадрате!). Когда трещина достигает критического для данного напряжения а размера L = (KJa)/M, образец разрушается мгновенно (разница в рельефе усталостной части излома - в виде серии бороздок как годичных колец на пне - и хрупкого долома видна и невооруженным глазом). Заметим, что число циклов до разрущения Лр ~ In(Aj) зависит не только от темпа роста трещины, но и от статической вязкости разрущения: чем больше К, тем при большей площади трещины образец еще держит нагрузку.

Прогноз сложен потому, что темп (AL/AN) зависит еще и от асимметрии цикла R = cTmin/max- Р одинаковом AAj можно испытывать по симметричному циклу R = -\; ioJ = -аах) только разгружая до нуля (R = 0; о- = 0), или не полностью (0<R < I). В разных условиях работы обратная деформация у вершины трещины разная разное и накопление повреждения.

Для некоторых узлов конструкций важно обеспечить высокое допустимое напряжение всего на Ю,.. 10 циклов (например, циклов взлет-посадка для шасси), другие должны вьщерживать Ю... Ю циклов (от вибраций и аэродинамического шума двигателя). Принятое в ГОСТ

испытание до 10 циклов задано всего лишь по возможности испытать за несколько суток образец, задавая частоту мотором от сети 50 Гц.

Расчеты конструкций на усталость исходят из испытаний двух типов. По ГОСТ испытывается в симметричном цикле (R = -l) серия образцов при разных напряжениях и определяется предел выносливости (предел усталости) a j - наибольшее напряжение, при котором за 10 циклов разрушение не наступило. Однако это вовсе не гарантирует, что разрушения не будет и при большем числе циклов. Например, предел выносливости а , мартенситно-стареюшей стати Н18К9М5Т на базе 10 циклов на 8 % ниже, чем на стандартной базе 10 циклов [12].

Более информативно испытание с непрерывным измерением длины трещины L: при постоянной нагрузке а интенсивность напряжений А[ ~ Ол/Х растет, так что испытание одного образца дает всю кривую (AL/AN) ~ (AKi) (а попутно и величину .j,). Здесь легко реализуются и испытания при разной асимметрии цикла R.

Догадка если прочнее вообще, то прочнее и при усталости не подтвердилась. Поэтому испытание на усталость необходимо, и его схему желательно выбирать поближе к условиям нагружения в конструкции. (В том числе с учетом температуры и коррозионной агрессивности среды).

Комплекс требований. Все рассмотренные выше характеристики необходимы, не взаимозаменяемы и интуитивно учитываются при выборе материала. Но только две из них могут непосредственно входить в расчеты конструкции: ад 2 и К (и константы С и /и закона усталости (AL/AN) = C(AKi) - если известны достаточно надежно).

С ростом энергонапряженности конструкций изменилась психология конструктора. Появилась концепция безопасного разрушения: надо обеспечить не отсутствие всегда и любых трещин (что невозможно), а возможно больший допустимый (докритический) размер для них. Например, если перечисленные в табл. 5.4 высокопрочные стали будут работать при напряжении, близком к пределу усталости а то критический размер трещины Zp = (K/c! )/M = 10 мм. Тогда регламент и разрешение дефектоскопии должны гарантированно выявлять в любом месте конструкции трещину размером около 1 мм.

Качество таких сталей и сопоставляется прежде всего на поле Gq 2 -(см. табл. 5.4). Не формализуемая на сегодня задача - выбор стали (и ее состояния) по совокупности характеристик прочности ад 2, <ъ, вязкости 1с, КСи, KCV и пластичности 5, v)/. В их наборе нет избыточности, а Оптимальное их сочетание для каждого применения стали может оказаться разным. Хотя трудно сочетать высокий предел текучести Од 2 и высокую



Сам по себе безуглеродистый мартенсит - не рабочая структура еще потому, что его дислокационная структура неустойчива. Дислокаций так много, что их смещения только внутри рейки достаточно для де-1 пмацииу- 10-2 без упрочнения и даже с аннигиляцией дислокаций ри их встрече на фанице реек). Поэтому упрочнение пакетного мартенсита в начале деформации слабое (показатель упрочнения п<0,01), отчего течение сразу локализуется в шейке, при низком равномерном

удлинении Ф авн =

Преодолеть это неотьемлемое свойство пакетного мартенсита за счет состава твердого раствора нельзя. Углерод как примесь внедрения сильно тормозит все дислокации. При его атомной доле Cq< 2 -10- концентрационное упрочнение К = (daQ2/dcQ)/E = 0,4. Уже при умеренных концентрациях Cq~ 6-\0~ упрочнение от углерода AgJE= Kcq превосходит субструктурное. Но поскольку он воздействует непосредственно на подвижность одиночной дислокации, вся диаграмма деформации а(е) поднимается вместе с пределом текучести, не меняясь в остальном -течение неустойчиво по-прежнему, и только напряжение скола а достигается раньше - углеродистый мартенсит хрупкий.

Если примесь внедрения - сильное препятствие, то примеси замещения в сравнении с ней - слабое, прозрачное для дислокаций. Поэтому предел текучести, например, нелегированного и высоколегированного - до 31 % Ni - мартенсита при равном содержании углерода {cq> 1 - IQ-) не различается.

Упрочнение частицами. Исправить диафамму деформации мартенсита а(е) - увеличить показатель упрочнения п - можно, вводя частицы второй фазы за счет распада твердого раствора.

На ранних стадиях распада решетка мелких вьщелений может быть хорошо сопряжена с решеткой железа. Тогда дислокации при движении их перерезают. Крупные несопряженные частицы не перерезаемы, и тогда скольжение идет только в матрице. В первом случае частицы вносят сопротивление движению дислокации Ао/Е ~ v, зависящее только от объемной доли частиц v. Во втором случае дислокации продавливаются в промежуток между частицами тем труднее, чем меньше расстояние между ними, пропорциональное их размеру d. Тогда Ао/Е ~Vv/d зависит и от размера частиц.

Другое отличие в том, что сопряженные, перерезаемые частицы действуют независимо от остальной структуры и поднимают всю диафамму деформации мартенсита а(е) равномерно. Если же частица не перерезаема, то всякая дислокация, обойдя ее вокруг, оставит около нее

вязкость разрушения К, но наиболее трудным считают получение высоких значений К, К и вместе.

Подразумевается также, что материал должен быть однородным в больших сечениях и изотропным - все эти характеристики одинаковы на образцах, вырезанных в любом направлении (например, вдоль и поперек оси вытяжки при ковке или прокатке) и в любом месте поковки. Иначе при сложном распределении напряжений в конструкции разрушение пройдет по слабой зоне поперечного нафужения.

Микроструктура. Уровень прочности и пластичности стали определен ее микроструктурой. При прочих равных условиях сочетание Oq2~K лучше всех у пакетного мартенсита. Именно он - основа структуры всех высокопрочных сталей, применяемых в больших сечениях (т. е. без упрочнения пластической деформацией).

Во-первых, прочность мартенсита необычно высока в сравнении с остальными структурами в стали. Во-вторых, такую структуру можно получить одинаковой по всей толщине изделия, если легированием обеспечить сквозную прокаливаемость - на 100% мартенсита при возможно медленном, мягком охлаждении - без термических напряжений, закалочных трещин или коробления детали. (Если же не получить 100% мартенсита после закалки, то остаток свободного феррита или перлита приведет к хладноломкости).

Прокаливаемость стали растет с содержанием легирующих элементов, а особенно углерода. Но при концентрациях > 0,4 % С пакетный мартенсит сменяется более хрупким двойникованным. И кроме того, утле-род резко понижает свариваемость. Поэтому высокопрочные стали либо безуглеродистые, либо содержат не более 0,35...0,40 % С.

Субструктурное упрочнение. Одно исходное зерно аустенита при образовании из него мартенсита разбивается на несколько пакетов, упакованных из длинных и тонких (0,1...1 мкм) переплетающихся кристаллов-реек с разной ориентировкой решетки. При росте реек фаница фаз а/у испускает дислокации, и их плотность достигает р ~10...102см.

Границы реек и дислокации внутри реек - два равноправных фактора упрочнения. Вклад дислокаций А<з/Е Ь<р, где b = 2,6-10- см -кратчайшее межатомное расстояние, Е - модуль Юнга. Вклад фаниц реек Аа = ку/7я , где Я - их толщина я ку - коэффициент Петча. В безуглеродистом мартенсите эти два вклада в предел текучести примерно равны [13]: Аа/Е= 1,1 10 и 1,35- 10 соответственно. Но их сумма - менее половины от желаемого для высокопрочной стали Аа/Е = = 1,0-10-2.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [ 56 ] 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка