MECHANISM FOR THE ACCUMULATION OF FATIGUE DAMAGE AND CRACK GROWTH IN HIGH STRENGTH CARBON STEEL AT OVERLOAD

М.Ю. Репков

 аспирант, Тульский государственный университет

В.С. Дронов

 д.т.н., проф., Тульский государственный университет

МЕХАНИЗМЫ НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕННИЙ И РОСТ ТРЕЩИН В ВЫСОКОПРОЧНОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ПЕРЕГРУЗКАХ

Получены данные о закономерностях накопления поврежденности при ступенчатых нагружениях высокопрочной мартенситной стали. Для данного структурного состояния выявлено два механизма накопления повреждений сопровождающихся разупрочнением при стационарном  нагружении и упрочнением при испытаниях с перегрузкой. Исследована кинетика усталостных повреждений при различных режимах нагружения.

Ключевые слова: сталь, усталость, ступенчатые нагружения, поврежденность.

M.U. Repkov

 Postgraduate student, Tula State University,

V.S. Dronov

 doctor of technical science, professor, Tula State University,

MECHANISM FOR THE ACCUMULATION OF FATIGUE DAMAGE AND CRACK GROWTH IN HIGH STRENGTH CARBON STEEL AT OVERLOAD

It’s got the data on the regularity of damage accumulation under stepped loadings of high strength martensitic steel. For a given structural state identified two mechanisms of damage accumulation accompanied by a steady softening and hardening of the loading when tested with overload. It’s analyzed the kinetics and mechanisms of fatigue damage under various loading conditions.

Keywords: steel, fatigue, stepped loading, damage.  

В современном представлении закон линейного суммирования усталостных повреждений Пальмгрена–Майнера получил расширенную формулировку: накопленная поврежденность при сочетании разных амплитуд напряжений зависит не только от суммы относительных чисел циклов наработки, но и от величины амплитуд напряжений, последовательности чередования амплитуд, и от свойств материалов [1]. Вследствие этого величина накопленной поврежденности может существенно отличаться от единицы, как это устанавливает закон линейного суммирования, учитывающий только относительную величину наработки.

При нагружении происходит изменение физико-механических свойств локальных зон, являющееся откликом структуры всех уровней на силовое воздействие. Этот отклик проявляется в виде релаксационных процессов различного типа и зависит от структурного состояния материала и параметров структуры.

Настоящее исследование проводится с целью получения данных о закономерностях накопления поврежденности при ступенчатом нагружении, кинетике роста трещин и долговечности в высокопрочной углеродистой стали в области многоцикловой усталости.

Материал и методы эксперимента. Циклические испытания проводили на цилиндрических образцах с пятью V-образными надрезами одинаковой глубины (радиус в вершине надреза 0,1 мм) в условиях консольного изгиба с вращением [2] высокопрочной стали 30ХН2МФА, имеющей после закалки и отпуска σ_В = 1610 МПа, σ_0,2 = 1360 МПа, δ₅ = 12,5 % , ψ = 37,5 %, показатель степенного упрочнения диаграммы статического деформирования m = 0,15. Структура стали мартенсит отпуска.

Образцы испытывали с постоянной амплитудой напряжений (базовая кривая усталости) и двухступенчатыми нагружениями с амплитудами и числом циклов , где – напряжение перегрузки равное – базовая (основная) амплитуда; – число циклов перегрузки принимали 5 % от числа циклов до базовой кривой – число циклов до разрушения при амплитуде . Накопленную поврежденность вычисляли по формуле  по данным разрушения образца по первому, наиболее нагруженному надрезу.

После разрушения образца по наиболее нагруженному сечению остальную его рабочую часть разрезали электроискровым методом в продольном направлении по диагональной плоскости, заливали эпоксидной смолой и подготавливали шлиф для металлографических исследований. На оптическом микроскопе Zeiss D1m наблюдали зародившиеся в вершинах надрезов усталостные трещины, измеряли длины трещин, изучали развитие их в структурных составляющих и измеряли микротвердость в окрестности трещин.

По данным измерения длин малых трещин, в оставшихся неразрушенными сечениях с надрезами, строили зависимости изменения длин трещин в зависимости от величин напряжений в сечениях для каждого образца и соответствующей схемы нагружения. Кинетику трещин исследовали по зависимостям их роста от числа циклов для схем нагружения с постоянной амплитудой напряжений и с перегрузкой. В однотипных испытаниях амплитуды напряжений в разных надрезах с отклонениями от 10 до 30 МПа усредняли.

Расчет значений коэффициентов интенсивности напряжений выполняли по выражению [3]:

             (1)

где М – изгибающий момент; b – диаметр образца брутто; Y – поправочная функция, зависящая от относительных размеров надреза  и глубины трещины .

Результаты исследований.

Влияние ступенчатого нагружения на ограниченную долговечность стали 30ХН2МФА структуры мартенсит отпуска неоднозначно. При испытании с перегрузкой наблюдается как снижение долговечности (рис. 1), когда соотношение суммарной долговечности ступенчатого нагружения к долговечности при постоянной амплитуде нагружения N/N_f  < 1 (образцы 7, 8), так и увеличение – N/N_f  > 1 (образцы 3, 9). В испытания с недогрузкой на первой ступени (образцы 4, 5) наблюдается незначительный прирост соотношения N/N_f.

Рис. 1 – Результаты усталостных испытаний: 1 – базовая кривая усталости при постоянной амплитуде напряжения; ▲ – испытания с перегрузкой; ● – испытания с недогрузкой; цифры у точек – номера образцов

На фоне данных о долговечности и накопленной поврежденности представляет интерес зависимостей роста трещин от напряжений в надрезах (рис. 2) для образцов испытанных по приведенным выше схемам нагружения.

Рис. 2 – Размеры трещин от напряжений в надрезах по схемам нагружения (в первом надрезе): с постоянной амплитудой 1 – 267 МПа, 2 – 400 МПа; образцы с перегрузкой 3, 8, 9; с недогрузкой 4.

Осмотр полей всех надрезов образцов  при увеличении от × 100 до × 500 показал наличие трещин в основном во втором и третьем надрезах, в четвертом надрезе трещины были обнаружены при стационарном нагружении (см. рис. 2, образец 1) и испытании с недогрузкой (см. рис. 2, образец 4). Результаты осмотра представлены на графике для каждого образца четырьмя точками, соответствующими по оси абсцисс величинам нетто напряжений в неразрушенных надрезах. По оси ординат точкой указана, осредненная из двух значений в верхней и нижней части надреза, длина трещины, соответствующая напряжению в данном надрезе образца.

Для стационарных нагружений (кривые 1 и 2, см. рис. 2) зависимость длин трещин от напряжений имеет линейный характер, что тождественно упруголинейному деформируемому объему с однородными свойствами. В испытаниях с перегрузками (кривые 3, 8 и 9, см. рис. 3) выявлено три особенности: во-первых, на участках от второго до третьего надреза меняется угол наклона зависимости, что связано со снижением скорости роста трещин (число циклов нагружения для каждого образца постоянная величина); во- вторых, на участках от третьего до четвертого надреза угол наклона зависимости остается таким же, как и для стационарного нагружения кроме образца 9; в третьих, для образцов 3 и 9 напряжения  и  одинаковые, но перегрузка для образца 9 осуществлена примерно в середине испытания (см. табл. 1), в связи с чем размеры трещин во втором и третьем надрезах меньше в 3,4 и 3,8 раза соответственно.

Образцы, испытанные с недогрузкой, качественно отличаются от предыдущих испытаний. В образце 4 (см. рис. 3) размер трещин на участке 3, 4 одинаковый, но прирост трещин больше по сравнению с образцом 2, у которых базовое напряжение одинаковое = 400 МПа.

Для оценки процессов разупрочнения и упрочнения в окрестности растущей усталостной трещины использовали метод микротвердости. Замеры микротвердости выполняли на шлифах (см. рис. 3) в надрезах 2 - 5 поперек берегов трещины слева и справа, а результаты усредняли, также измеряли микротвердость перед вершиной трещины. Результаты измерений представляли в виде зависимостей изменения микротвердости от расстояний до берега и вершины трещины, что позволило кроме того оценить размер макрозон пластической деформации.

Рис. 3 – Макрозоны разупрочнения (а) и упрочнения (б) по изменению микротвердости относительно исходного значения – 1, замеренные нормально берегам трещины на расстояниях от надреза: а – ■ – 0,2 мм, ▲ – 0,6 мм, ♦ – 0,8 мм, ● – у вершины надреза до образования трещины; (σ = 240 МПа); б – : ■ – 0,2 мм, ▲ – 0,6 мм, (σ = 360+240 МПа);  ● – 0,1 мм ♦ – 0,4 мм; (σ = 306+207 МПа)

По данным измерения длин трещин в неразрушенных надрезах (рис. 2) строили зависимости роста трещин от числа циклов для усредненных напряжений в надрезах всего диапазона усталостных испытаний, как при постоянной амплитуде напряжений, так и с перегрузками.

Кривые роста трещин удовлетворительно описываются степенными и экспоненциальными зависимостями. Методом аналитического дифференцирования вычисляли скорости роста трещин . По экспериментальным значениям длин трещин и соответствующим брутто напряжениям вычисляли коэффициенты интенсивности напряжений  кинетической диаграммы усталостного разрушения.

На рис. 4 представлены кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР) для малых трещин в двух видах испытаний: с постоянной амплитудой напряжений (кривая 1) и с перегрузкой (кривая 2).

На графиках отражены зависимости для малой и средних скорости роста трещин. В припороговой области значения  примерно составляют: в испытаниях с постоянной амплитудой 4 МПа √м; в испытаниях с перегрузкой  ≈ 4,8 МПа √м. Средние участки КДУР аппроксимировали зависимостями Пэриса , для которых значения числовых коэффициентов были получены в испытаниях с постоянной амплитудой n₁ = 3,95; C₁ = 7∙10^-12; коэффициент корреляции R₁ = 0,8537, для испытаний с перегрузкой эти значения составили n₂ = 4,23; C₂ = 3∙10^-12; R₂ = 0,7276.

Рис. 4 – Кинетические диаграммы усталостного разрушения: 1 – испытания с постоянной амплитудой напряжения; 2 – двухступенчатые нагружения с перегрузкой

Кривые КДУР для двух приведенных видов испытаний близки по расположению и вычисленным параметрам, при этом однократная перегрузка увеличивает сопротивление росту трещин, что соответствует данным по долговечности, накопленной поврежденности и размерам трещин в надрезах.

Обсуждение результатов. Проведенные исследования стали 30ХН2МФА в структурном состоянии мартенсит отпуска в условиях циклических нагружений подтвердили предположение о том, что подобные структуры склонны к разупрочнению [4], отмеченному по снижению микротвердости по сравнению с исходным значением. Макрозона с пониженной микротвердостью образуется у надрезов и трещин во всем диапазоне испытаний с постоянными амплитудами напряжений выше предела усталости. Размер такой разупрочненной макрозоны зависит от уровня напряжений и длины трещины.

При двухступенчатых нагружениях с перегрузкой 1,5 на первой ступени уровень амплитудных напряжений достаточно велик, а мартенсит отпуска имеет способность к пластической деформации в ограниченном диапазоне (, коэффициент степенного упрочнения m = 0,15), что обусловливает возможность деформационного упрочнения при циклических напряжениях. Уровень амплитудных напряжений, соответствующий условию макротекучести у вершины надреза, примерно определяется условием  [2]. Величина амплитуды, получаемая из данного условия, составляет 234 МПа. Это означает, что при циклических испытаниях с перегрузкой  МПа должна появляться упрочненная макрозона, размеры которой были определенны по увеличению микротвердости.

Как было показано [2] упрочненная зона образуется ранее появления трещины. Зарождение трещины и последующий рост малой трещины происходит в упрочненной зоне до момента прорастания ее через эту зону. В связи с этим, наибольшее различие в развитии трещин при испытаниях с постоянной амплитудой напряжений и испытаниях с перегрузкой наблюдается на стадиях роста малых трещин. На фоне образования этих зон механизмы зарождения и роста трещин будут отличаться, что отражается так же на КДУР, которые для высоких скоростей трещин имеют тенденцию к сближению, а в припороговой области наоборот разница больше.

Выводы. Проведенные исследования показали, что усталостное повреждение и разрушение высокопрочной стали 30ХН2МФА структуры отпущенного мартенсита при перегрузках сопровождается образованием пластической зоны способной к упрочнению у вершины надреза в соответствии с имеющейся характеристикой степенного упрочнения. Образование зоны упрочнения зависит от остроты надреза, а следовательно от значения теоретического коэффициента концентрации напряжений, который определяет уровень амплитудных напряжений на кривой усталости, выше которых возможно образование зоны упрочнения. Ниже этого уровня и в испытания при стационарных режимах работает механизм разупрочнения. В результате при перегрузках накопленная относительная поврежденность и долговечность выше, чем при стационарных  нагружениях.