2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
М.Н. ГЕОРГИЕВ, Ю.Н. СИМОНОВ
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Монография
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
1
УДК 539.4 Г36
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А.М. Ханов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р физ.-мат. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет)
Георгиев, М.Н.
Г36 Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов : моногр. / М.Н. Георгиев, Ю.Н. Симонов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 419 с.
ISBN 978-5-398-00979-8
Изложены основы структурных изменений при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов, рассмотрены основные положения механики разрушения и методы определения трещиностойкости металлических материалов, представлены структурные аспекты прочности и трещиностойкости различных классовсталейивысокопрочныхчугунов.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям магистерской подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов»
и150400 «Металлургия». Может быть полезно аспирантам, преподавателям
идругимспециалистам, работающимвобластимеханикиразрушения.
УДК 539.4
Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки (уровень – магистратура), ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурнымипокрытиями.
ISBN 978-5-398-00979-8 |
© ПНИПУ, 2013 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
От авторов................................................................................................. |
6 |
Предисловие.............................................................................................. |
8 |
Некоторые основные обозначения и сокращения, |
|
использованные в тексте........................................................................ |
10 |
Глава 1. Структурные изменения при нагреве |
|
и охлаждении железоуглеродистых сплавов ....................................... |
13 |
1.1. Обозначения и терминология .................................................. |
13 |
1.2. Образование аустенита при нагреве........................................ |
16 |
1.3. Дифузионное превращение аустенита при охлаждении ....... |
20 |
1.4. Бездиффузионное (мартенситное) превращение |
|
аустенита при охлаждении....................................................... |
27 |
1.5. Бейнитное превращение аустенита ......................................... |
51 |
1.6. Закалка из межкритического температурного интервала ..... |
55 |
1.7. Влияние различных факторов на распад аустенита............... |
56 |
1.8. Превращения при отпуске закаленных сталей....................... |
62 |
1.9. Влияние структуры на механические свойства сталей.......... |
64 |
1.10. Получение пакетного мартенсита в низкоуглеродистых |
|
конструкционных сталях ......................................................... |
69 |
1.11. Формирование фазового состава чугунов |
|
в соответствии с диаграммой «железо – углерод»................. |
73 |
Глава 2. Методы определения трещиностойкости |
|
металлических материалов.................................................................... |
77 |
2.1. Разрушение металлических конструкций |
|
и проблемы трещиностойкости............................................... |
77 |
2.2. Трещины в конструкциях......................................................... |
82 |
2.3. Элементы механики непрерывных сред ................................. |
88 |
2.4. Энергетический подход в упругой механике разрушения.... |
95 |
2.5. Силовой подход в упругой механике разрушения............... |
103 |
2.6. Пластическая зона перед фронтом трещины........................ |
109 |
2.7. Трещиностойкость металлических материалов |
|
в условиях упругопластической механики разрушения...... |
115 |
2.8. Определение трещиностойкости металлов |
|
при статическом нагружении................................................. |
118 |
2.9. Определение трещиностойкости металлов |
|
при ударном нагружении........................................................ |
125 |
|
3 |
2.10. Критические температуры................................................... |
143 |
2.11. Определение трещиностойкости металлов |
|
при циклическом нагружении ............................................... |
149 |
Глава 3. Структурные аспекты прочности |
|
и трещиностойкости низколегированных сталей.............................. |
192 |
3.1. Общие соображения ............................................................... |
192 |
3.2. Структурные изменения при закалке и отпуске сталей |
|
с различным содержанием углерода..................................... |
192 |
3.3. Микромеханизмы разрушения при однократном |
|
нагружении углеродистых и низколегированных сталей |
|
с различным содержанием углерода, закаленных |
|
и отпущенных в широком температурном интервале......... |
200 |
3.4.Некоторые общие закономерности изменения трещиностойкости при статическом нагружении закаленных и отпущенных углеродистых
и низколегированных сталей................................................. |
205 |
3.5. Микромеханизмы разрушения |
|
при циклическом нагружении углеродистых |
|
и низколегированных сталей с различным |
|
содержанием углерода после закалки и отпуска ................. |
207 |
3.6. Влияние режима термической обработки |
|
на трещиностойкость углеродистых сталей |
|
при ударном нагружении....................................................... |
228 |
3.7. Влияние химического состава на динамическую |
|
трещиностойкость низкоуглеродистых |
|
нормализованных сталей........................................................ |
233 |
3.8. Трещиностойкость низкоуглеродистых сталей, |
|
упрочненных карбонитридной фазой................................... |
254 |
3.9. Влияние степени раскисления на трещиностойкость |
|
низкоуглеродистых сталей..................................................... |
264 |
3.10. Влияние неметаллических включений |
|
на трещиностойкость низкоуглеродистых сталей ............ |
268 |
3.11. Влияние направления прокатки |
|
на трещиностойкость низкоуглеродистых сталей............. |
279 |
3.12. Влияние размера зерна, количества перлита |
|
и игольчатых структур на трещиностойкость |
|
углеродистых сталей.............................................................. |
282 |
3.13. Циклическая трещиностойкость сталей |
|
с ферритомартенситной структурой ..................................... |
286 |
4
3.14. Циклическая трещиностойкость рельсовой стали............. |
291 |
Глава 4. Прочность и трещиностойкость низкоуглеродистых |
|
мартенситных сталей (НМС) ............................................................... |
301 |
4.1. Формирование структуры пакетного мартенсита |
|
при медленном охлаждении НМС......................................... |
301 |
4.2. Конструкционная вязкость НМС........................................... |
313 |
4.3. Влияние структурных факторов на прочность |
|
и трещиностойкость НМС...................................................... |
318 |
4.4. Технологичность НМС........................................................... |
335 |
Глава 5. Прочность и трещиностойкость |
|
мартенситно-стареющих сталей (МСС) ............................................. |
339 |
5.1. Общие соображения................................................................ |
339 |
5.2. Структурные особенности МСС............................................ |
340 |
5.3. Изменение прочности и трещиностойкости МСС |
|
в процессе отпуска.................................................................. |
344 |
5.4. Влияние рафинирования на прочность |
|
и трещиностойкость МСС...................................................... |
352 |
Глава 6. Аустенит как фактор повышения трещиностойкости |
|
железоуглеродистых сплавов.............................................................. |
354 |
6.1. Состояние вопроса.................................................................. |
354 |
6.2.Исследование влияния режима изотермической обработки на количество и стабильность остаточного
аустенита в кремнистых сталях с различным |
|
содержанием углерода............................................................ |
357 |
6.3. Структура бескарбидного бейнита в кремнистых сталях ... |
359 |
6.4. Механические свойства бескарбидных |
|
бейнитных кремнистых сталей.............................................. |
360 |
6.5. Сравнительный анализ прочности и трещиностойкости |
|
стали 38ХС со структурой бескарбидного бейнита |
|
и структурой пакетного мартенсита...................................... |
368 |
6.6. Влияние аустенита на прочность и трещиностойкость |
|
мартенситно-стареющих сталей (МСС)................................ |
370 |
Глава 7. Трещиностойкость высокопрочных ферритныхчугунов....... |
387 |
7.1. Трещиностойкость ферритных высокопрочных чугунов |
|
при однократном нагружении................................................ |
387 |
7.2. Трещиностойкость ферритных высокопрочных чугунов |
|
при циклическом нагружении................................................ |
398 |
Список литературы............................................................................... |
402 |
|
5 |
ОТ АВТОРОВ
Металлические сооружения широко используются в самых разных областях человеческой деятельности. Требования к самому металлу, из которого они изготовлены, все более ужесточаются. Для того чтобы уменьшить металлоемкость конструкций, необходимо непрерывно увеличивать прочность используемых материалов. Одновременно растут динамические нагрузки, снижаются эксплуатационные температуры
иусиливается воздействие агрессивных ирадиационных сред.
Впроцессе получения металла, а также при изготовлении и эксплуатации конструкций в них создаются различные дефекты, нарушающие целостность металла, которые с инженерной точки зрения могут рассматриваться как трещины. По этой причине, чтобы оценить реальную конструкционную надежность данного сооружения, необходимо изучить сопротивление металла, из которого оно изготовлено, развитию возникших в нем трещин, то есть определить его трещиностойкость.
Исследование трещиностойкости металлических материалов является относительно новой междисциплинарной проблемой. Это связано с тем обстоятельством, что поведение трещин в твердом теле, которое рассматривается как непрерывная среда (континуум), изучается механикой разрушения, в то время как сопротивление, которое реальная металллографическая структура оказывает при развитии в ней трещины, является предметом металловедения. Отсутствие определенных знаний, связанных с двумя различными областями науки, в известной степени затрудняет первоначальное изучение трещиностойкости металлических материалов.
Чтобы облегчить читателю усвоение изложенного в монографии материала, кратко рассмотрены некоторые общие вопросы из области металловедения железоуглеродистых сплавов (глава 1) и методы определения их трещиностойкости (глава 2).
Впредлагаемой монографии рассматриваются и обобщаются результаты проведенных авторами многолетних исследований, связанных с изучением работы, затраченной при развитии трещины
6
в железоуглеродистых сплавах в зависимости от их структуры и условий нагружения.
Надеемся, что эта книга будет полезна широкому кругу специалистов, интересующихся проблемами безопасной эксплуатации металлических конструкций.
Выражаем свою искреннюю благодарность доктору Наталии Межовой за огромный труд по переводу с болгарского и подготовке рукописи к изданию и доценту, доктору Татьяне Авджиевой за неоценимую помощь при редактировании текста.
Благодарим члена-корреспондента БАН профессора Димитра Бучкова за написание предисловия к настоящей монографии.
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Монография «Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов» посвящена проблеме, которая становится все более актуальной для развития современной индустрии. Непрерывный рост требований
кувеличению их прочности, способности выдерживать большие динамические нагрузки и экстремальные температурные колебания, воздействие агрессивных и радиационных сред должен обеспечить их эксплуатационную надежность, в основе которой лежит трещиностойкость, т.е. сопротивление росту возникших трещин, приводящих
кразрушению конструкций. С этим связано существенное увеличение количества исследований и разнообразных методов и средств, надежно определяющих трещиностойкость металлических сплавов.
Исторически начало |
таких исследований положено работами |
в области механики, где |
формируется направление, известное как |
«Механика разрушения». Однако постепенно интерес к проблеме проявляют металловеды, поскольку они разрабатывают новые металлические материалы. В связи с этим исследования трещиностойкости становятся междисциплинарными и гарантируют бóльшую достоверность результатов и надежность конструкций. Вместе с тем обзорные и монографические публикации все еще посвящены либо чисто механическому, либо чисто металловедческому подходу к определению трещиностойкости, при которых используется специфический аппарат, который не всегда знаком и доступен широкому кругу специалистов, занимающихся наукой и практикой.
Для данной монографии характерно следующее: в ней, кроме результатов исследований, полученных авторами на протяжении многих лет, представлены базовые знания как в области металловедения железоуглеродистых сплавов (глава 1), так и в области методов определения трещиностойкости при различных видах нагружения (глава 2). Это, несомненно, облегчает читателю усвоение материала.
Достаточно подробно рассмотрены процессы, происходящие при развитии трещины в низколегированных сталях, широко используемых в строительстве и машиностроении (глава 3).
8
Особый интерес представляют исследования, связанные с развитием трещины в пакетном мартенсите, образующемся в низкоуглеродистых мартенситных сталях (глава 4). Такая мартенситная структура может быть получена при охлаждении на воздухе в сечениях вплоть до 1500 мм и сохраняется после сварки.
Отдельно рассмотрена трещиностойкость мартенситно-старею- щих сталей (глава 5), которые независимо от своей высокой себестоимости в результате сложного легирования имеют такие хорошие механические свойства, что их использование в особо нагруженных деталях обеспечено.
Специально рассмотрена роль остаточного аустенита (глава 6) как фактора, повышающего трещиностойкость бейнитных структур, особенно когда они не содержат цементитную фазу (бескарбидный бейнит).
Последний раздел монографии (глава 7) посвящен трещиностойкости высокопрочных ферритных чугунов.
Имея в виду высокую научную эрудицию и известность авторов как видных специалистов по проблемам трещиностойкости и полезность подобной книги для специалистов-практиков, считаю целесообразным и своевременным ее издание.
Чл.-корр. БАН, профессор Димитър Бучков
9
НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕКСТЕ
Емодуль упругости (модуль I рода)
μ модуль упругости при скольжении (модуль II рода)
νкоэффициент Пуассона
σ0,2 |
предел текучести (условный) |
σт |
предел текучести (физический) |
σв |
предел прочности при растяжении (временное сопротив- |
|
ление) |
δ |
относительное удлинение |
ψ |
относительное сужение |
ℓдлина трещины
R энергия, которая поглощается при развитии трещины
Gэнергия упругой деформации, которая освобождается при развитии трещины
Gc |
|
энергетический критерий разрушения при плосконапря- |
|
|
|
|
женном состоянии |
GIc |
|
энергетический критерий разрушения при плоскодефор- |
|
|
|
|
мированном состоянии для трещин I типа |
K |
|
коэффициент интенсивности напряжений |
|
KI (II, III) |
K для трещины I типа (II типа или III типа) |
||
Kc |
|
критическое значение K при плосконапряженном состоя- |
|
|
|
|
нии |
KIc |
|
критическое значение K при плоскодеформированном |
|
|
|
|
состоянии |
|
|
K-тарировка (коррегирующая функция) |
|
Y |
|
|
|
|
|
||
b |
|
предел трещиностойкости |
|
Ic |
|
||
υраскрытие трещины
δc |
критическое раскрытие в конце трещины |
J |
J-интеграл |
Jc |
критическое значение J при плосконапряженномсостоянии |
JIc |
критическое значение J при плоскодеформированном |
|
состоянии |
10