2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

(рис. 3.7, б, в), называемые «плато» (П) [143]. В литературе этот рельеф известен еще как «площадки расслоения по плоскостям скольжения» [144].

Таблица 3 . 2 Характеристики механических свойств сталей 09Г2С, 35 и 80

С повышением температуры отпуска до 650 °С средний размер плато достигает 15–25 мкм, в то время как их площадь занимает 45– 50 % от общей поверхности излома (см. рис. 3.7, в).

Для среднеуглеродистых сталей (С = 0,3…0,5 %) предел трещиностойкости Ic имеет максимальные значения после закалки и отпуска в интервале 500–600 °С. Дополнительное повышение температуры отпуска приводит к известному снижению Ic . При этом чем

выше содержание углерода, тем при более высокой температуре отпуска наблюдается этот максимум.

201

Рис. 3.5. Влияние температуры отпуска на изменение характеристик статической трещиностойкости для углеродистых и низколегированных сталей (сплошная линия – Ic, пунктирная линия – KIс): а – низкоуглеродистые стали; б – среднеуглеродистые стали; в – высокоуглеродистые стали

С повышением температуры отпуска во всем температурном интервале от 200 до 650 °С динамическая трещиностойкость (КСТ) непрерывно растет. Кроме того, как следует из литературных данных [145], температура отпуска, при которой реализуются максимальные значения статической трещиностойкости, существенно зависит и от легирования стали. При наличии сильных карбидообразующих элементов, таких как ванадий и титан, этот максимум перемещается в область более высоких температур отпуска. Другими словами, такая

202

экстремальная зависимость статической трещиностойкости характерна для углеродистых низколегированных сталей со средним содержанием углерода, в состав которых не входят элементыкарбидообразователи.

Рис. 3.6. Рельеф поверхности изломов низкоотпущенных сталей после испытаний на статическую трещиностойкость:

а – сталь 09Г2С; б – сталь 35; в – сталь 80

Исследование микромеханизма разрушения среднеуглеродистых сталей после закалки и низкотемпературного отпуска показывает, что основными рельефными составляющими являются субтранскристаллитные (СТФ) и транскристаллитные фасетки (ТФ) (рис. 3.6, б и рис. 3.8, а). С повышением температуры отпуска этот хрупкий механизм развития трещины сменяется более вязким, и при достижении максимальных значений статической трещиностойкости вместо хрупких фасеток появляются энергоемкие ямки (рис. 3.8, б). Сниже-

203

ние трещиностойкости при еще более высоких температурах отпуска (см. рис. 3.5, б) связано с образованием известного количества площадей, занятых плато (рис. 3.8, в).

Рис. 3.7. Рельеф поверхности изломов стали 09Г2С после испытаний на статическую трещиностойкость: а – отпуск 200 °С;

б– отпуск 400 °С; в – отпуск 650 °С

Всталях с высоким содержанием углерода (С > 0,5 %) с повышением температуры отпуска статическая трещиностойкость увеличивается (рис. 3.5, в). Фрактографически (рис. 3.6, в) этот процесс выражается в образовании при низких температурах отпуска очень хрупких транскристаллитных и интеркристаллитных (ИФ) фасеток.

Сповышением температуры отпуска до средних температур начинают образовываться относительно более энергоемкие субтранскристаллитные фасетки. При высоких температурах образуется характерный энергоемкий ямочный рельеф.

204

Рис. 3.8. Рельеф поверхности изломов стали 35 после испытаний на статическую трещиностойкость: а – отпуск 200 °С;

б – отпуск 500 °С; в – отпуск 650 °С

Изломы исследованных материалов, полученные при динамическом нагружении, имеют фрактографические особенности, аналогичные полученным при статическом нагружении.

3.4. Некоторые общие закономерности изменения трещиностойкости при статическом нагружении закаленных и отпущенных углеродистых и низколегированных сталей

3.4.1. Диаграмма максимальной трещиностойкости

Полученные результаты могут быть обобщены в диаграмме максимальной трещиностойкости [145]. На этой диаграмме (рис. 3.9) в зависимости от содержания углерода в стали показано, при каких температурах отпуска реализуется максимальное значение статической трещиностойкости. При построении диаграммы, кроме собственных, использованы данные и других авторов [145, 147–150].

205

Рис. 3.9. Диаграмма максимальной статической трещиностойкости для углеродистых и низколегированных сталей:

– данные авторов; – литературные данные

3.4.2. Диаграмма предельной трещиностойкости

На рис 3.10 полученные результаты исследований обобщены в виде диаграммы предельной трещиностойкости [79, 80].

Рис. 3.10. Диаграмма предельной трещиностойкости закаленных и отпущенных углеродистых и низколегированных сталей

206

Значения предела трещиностойкости Ic представлены в зависимости от предела текучести σ0,2 . Из представленных данных для рас-

смотренного класса сталей – закаленных и отпущенных в широком температурном интервале – хорошо видно, что максимальные значения Ic могут быть получены при значении σ0,2 ≈ 900 МПа.

3.5. Микромеханизмы разрушения при циклическом нагружении углеродистых и низколегированных сталей с различным

содержанием углерода после закалки и отпуска

3.5.1.Циклическая трещиностойкость после закалки

инизкотемпературного отпуска

Исследованы стали марок: 09Г2С, сталь 35 и сталь 80. На рис. 3.11 приведены диаграммы циклической трещиностойкости для трех сталей. В табл. 3.3 даны некоторые важные характеристики, определенные в результате проведенных исследований. Эти результаты показывают, что в районе первого (припорогового) участка ( v ≈ 10–10м/с) диаграммы циклической трещиностойкости исследованных сталей в низкоотпущенном состоянии (см. рис. 3.11) практически не зависят от содержания углерода, в результате чего пороговые значения Kth

очень близки. Это хорошо видно и из данных, приведенных в табл. 3.3 для значений Kth исследованных сталей после закалки и отпуска при температуре 200 °С.

По своему физическому смыслу Kth – это минимальное значение Kmax , при превышении которого действующие напряжения

в устье трещины могут разрушить кристаллическую решетку. Но так как циклическая пластическая зона, в части которой реализуется разрушение, в этом случае очень мала, то для целого спектра морфологических спектров мартенсита разрушение протекает в субструктурных частях металла, которые в рассмотренных случаях представляют α-железо, т.е. разрушается одна и та же кристаллическая решетка.

207

Рис. 3.11. Диаграммы циклической трещиностойкости низкоотпущенных сталей: 1 – сталь 09Г2С; 2 – сталь 35; 3 – сталь 80

Специально изучался микромеханизм роста усталостной трещины после закалки и низкотемпературного отпуска. Исследования, проведенные на угольных репликах, снятых с участков излома, на

208

которых K ≈ Kth , показывают, что во всех случаях образуются

характерные площадки в виде гирлянд или фестонов (см. рис. 2.72), поверхность которых имеет типичный для усталостного разрушения бороздчатый рельеф (рис. 3.12). Эти площадки расположены на различных уровнях и отделены одна от другой специфическими разрывами (рис. 3.12, а, б). Направление площадок соответствует локальному направлению распространения трещины. Средняя длина этих площадок составляет 10–12 мкм и хорошо совпадает с продольным размером мартенситных пакетов. Ширина площадки (0,4–0,6 мкм) больше толщины отдельных реечных мартенситных кристаллов (0,23 мкм), при этом одна площадка включает в себя 2–3 рейки.

Таблица 3 . 3 Связь структуры, циклической трещиностойкости

имикромеханизмов разрушения закаленных

инизкоотпущенных сталей

Примечания: Мпл, % – доля пластинчатого мартенсита в структуре; процент рельефных составляющих при v = 10–7/10–9 м/цикл – доля площади излома, занятая данной рельефной составляющей при скорости роста трещины 10–7 (числитель) и 10–9 (знаменатель), м/цикл; Kth – значение порогового коэффициента интенсивности напряжений; n – значение показателя степени в уравнении Париса; СТБ – субкристаллические бороздки; ТБ – транскристаллитные бороздки; ИФ – фасетки интеркристаллитного скола.

209

Рис. 3.12. Рельеф поверхности разрушения (а, б) и вторичная дислокационная структура (в, г) низкоотпущенных сталей 09Г2С (а, в) и 35 (б, г) на околопороговом участке

Часто можно наблюдать, как на поверхности площадки возникают характерные разрывы, и она делится на две части. Возможен и обратный эффект, когда эти разрывы исчезают и две соседние площадки сливаются в одну. Эти разрывы, которые появляются или исчезают, напоминают очень тонкие нерегулярные слои остаточного аустенита между мартенситными кристаллами. По всей вероятности, эти разрывы, создающие ступенчатый характер поверхности, образуются в результате разрушения прослоек остаточного аустенита, при этом наиболее крупные из них контролируют ширину площадок. Измеренный шаг усталостных бороздок b ≈ 0,1 мкм.

Известно, что усталостная трещина делает очередной шаг, когда на некотором расстоянии впереди нее, в циклической пластической зоне, перед которой эта трещина остановилась [151], в результате пластической деформации исчерпывается вязкость материала. Другими словами, под воздействием этой локальной пластической деформации происходит эволюция дислокационной структуры, и в конечном счете она превращается в критическую дислокационную структуру (рис. 3.12, в, г), для которой при последующем циклическом нагружении энергетически более выгодно разрушиться. Исследования, проведенные на железе и низкоуглеродистых ферритоперлитных сталях с помощью электронной микроскопии [152] и рентгеновской фрактографии [153], показывают, что критическая дислокационная структура представляет собой мелкоячеистую дис-

210