Связь механизмов разрушения метастабильных аустенитных сталей при однократных видах нагружения с мартенситными превращениями в пластических зонах у вершины трещины

1

• Авторы
• Файлы

Клевцов Г.В. Клевцова Н.А. Статья в формате PDF 116 KB При разрушении метастабильных аустенитных сталей в пластических зонах у вершины распространяющейся трещины возможны мартенситные превращения, инициируемые пластической деформацией материала и низкими температурами. Такие мартенситные превращения оказывают существенное влияние на сопротивление материала развитию трещины и механизм разрушения данного класса сталей, хотя их роль в вышеуказанных процессах изучена крайне слабо. В частности не достаточно изучена связь мартенситных превращений в пластических зонах с видом нагружения и локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины.

В настоящей работе изучено распределение мартенситных фаз в пластических зонах под поверхностью изломов, полученных при однократных видах нагружения образцов аустенитных сталей, а также рассмотрено влияние на данные мартенситные превращения локального напряженного состояния материала у вершины трещины.

В качестве исследуемых материалов использовали метастабильные аустенитные Fe-Ni и FeCr-Ni стали (Н22Т3, Н26Т3, Н32Т3, Н32Х5Т3) в закаленном и состаренном состоянии, а также Fe-Mn и Fe-Cr-Mn стали (40Г18Н и 03Х13АГ19) в закаленном состоянии. Образцы из данных сталей испытывали при статическом, ударном и высокоскоростном импульсном нагружениях в интервале температур от -196 до 1500С. Рентгеновским методом определяли глубину пластических зон под поверхностью изломов и распределение мартенситных фаз в данных зонах. С этой целью использовали метод послойного стравливания излома с последующим рентгенографированием его поверхности [1, 2]. Локальное напряженное состояние материала в момент разрушения оценивали по критерию h_max/t [1], где h_max - максимальная глубина пластической зоны под поверхностью изломов; t - толщина образца.

В результате проведенных исследований установлено, что при вязком разрушение в условиях плоского напряженного состояния (ПН) у вершины трещины образуются две пластические зоны: сильнодеформированная микрозона h_yh и слободеформированная макрозона h_y,  а  при хрупком и смешанном разрушениях в условиях плоской деформации (ПД) - одна зона h_y. Хаpaктер изменения количества мартенсита по глубине хорошо коррелирует с механизмом разрушения и локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины. При вязком разрушении закаленных Fe-Ni сталей (Н26Т3, Н32Т3) в условиях ПН количество  α-мартенсита слабо изменяется в пределах сильнодеформированной микрозоны h_yh и резко уменьшается при переходе в слабодеформированную макрозону h_y [1] При низкотемпературном хрупком разрушении состаренных Fe-Ni сталей в условиях ПД количество  α-мартенсита непрерывно уменьшается от поверхности изломов вглубь образца. В пластических зонах закаленных Fe-Mn и Fe-Cr-Mn сталей (40Г18Ф и 03Х13АГ19), разрушившихся по смешанному механизму, образуется как α так и ε-мартенсит. Количество  α-мартенсита в этом случае также непрерывно уменьшается от поверхности изломов вглубь образца, а максимальное количество ε-мартенсита образуется на некоторой глубине от поверхности излома. Вышеуказанное распределение мартенситных фаз в пластических зонах хаpaктерно для всех видов однократного разрушения. Вид нагружения сказывается лишь на интенсивности мартенситных превращений в пластических зонах: максимальное количество мартенсита обнаружено при статическом нагружении, минимальное при ударном и высокоскоростном импульсном.

Можно предположить, что при вязком разрушении закаленных сталей Н26Т3, Н32Т3 в условиях ПН из за сильного локального разогрева поверхностных слоев материала, α-мартенсит мог частично или полностью образоваться не в процессе формирования пластической зоны, а после прохождения трещины и последующего охлаждения поверхности изломов. При хрупком разрушении состаренных сталей Н26Т3, Н32Т3 в условиях ПД не следует ожидать значительного локального разогрева материала препятствующего мартенситным превращениям. Однако, образованный в условиях ПД мартенсит должен испытывать сжимающие напряжения, уменьшающие его период решетки. После прохождения трещины в поверхностных слоях изломов может образоваться дополнительное количество α-мартенсита, уже в условиях ПН, решетка которого будет пpaктически не искажена.

При рентгенографировании поверхности низкотемпературных  ударных  изломов  стали Н32Т3, полученных в условиях ПД, на рентгенограммах обнаружены двойные дифpaкционные максимумы линии (110) К_α , соответствующие, по-видимому, двум видам мартенсита с различным периодом решетки. После стравливания с поверхности излома слоя металла толщиной около 2.10^-5 м дифpaкционный максимум, соответствующий мартенситу с меньшем периодом решетки, исчез. Высказано предположение, что α-мартенсит с меньшем периодом решетки образовался в условиях ПД в момент прохождения трещины, а с большем периодом в условиях ПН на свободных поверхностях изломов после прохождения трещины.

Выводы

1. Хаpaктер  распределения  мартенситных фаз в пластических зонах не зависит от вида однократного нагружения, однако связано с механизмом разрушения и локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины. Вид нагружения оказывает влияние, в основном, на интенсивность мартенситных превращений в пластических зонах.
2. После разрушения образцов из аустенитных сталей на поверхности изломов возможно протекание мартенситных превращений, вызванных охлаждением поверхностных слоев металла после локального разогрева и изменением  локального напряженного состояния материала в данных слоях. Причем, первый фактор доминирует при вязком разрушении в условиях ПН, а второй при хрупком или смешанном разрушении в условиях близких к ПД.
3. Вблизи поверхности низкотемпературных ударных изломов, полученных в условиях плоской деформации (состаренная сталь Н32Т3), обнаружены два вида α -мартенсита с различным периодом кристаллической решеткой. Высказано предположение, что α -мартенсит с меньшим периодом решетки образовался в условиях плоской деформации в момент прохождения трещины, а с большим периодом в условиях плоского напряженного состояния на свободных поверхностях изломов после прохождения трещины.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 01-01-96411).

Литература

1. Клевцов Г.В. Пластические зоны и диагностика разрушения металлических материалов.М.: МИСИС, 1999.-112 с.
2. Р 50-54-52-88. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью разрушения.М.: Госстандарт СССР, 1988.-24 с.

---