CC BY
169
УДК 669.1
А. В. Кушнарев, А. В. Сухов, Ю. П. Петренко, Г. А. Филиппов
О ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ КОЛЕСНОЙ СТАЛИ
Вязкость разрушения или критический ко -эффициенг интенсивности напряжений Кіс отражает интенсивность напряжений в вершине трещины при наступлении момента ее нестабильного распространения.
Для ответственных деталей железнодорожного транспорта, в частности для цельнокатаных колес, величина этого параметра имеет важное значение, так как характеризует сопротивление металла лавинообразному хрупкому разрушению при наличии в нем острого концентратора в виде трещины и напрямую влияет на безопасность эксплуатации.
В европейских ставдартах [1, 2] на железнодорожные колеса величина вязкости разрушения Кіс, также называемой трещиностойкостью, является сдаточной характеристикой и нормируется для различных марок колесной стали
С 1998 года определение трещиностойкости введено в Нормы безопасности [3] на железнодорожном транспорте и стало обязательным при проведении сертификационных испытаний колес для российских железных дорог.
Согласно п. 1.6 Норм безопасности величина Кіс определяется на образцах, вырезанных с глубины обода 20 мм и свыше 20 мм, и должна составлять не менее 50 МПа>/м для первых и не менее 75 МПа>/м для вторых. При этом данное требование относится ко всем маркам колесной стали и должно выполняться для всех образцов, вырезанных с той или иной глубины обода.
Однако обоснованность таких требований, как с точки зрения абсолютной величины, так и в вопросе распределения по сечению обода, вызывает определенные сомнения. Вязкость разрушения - сложный многофакторный показатель металла, зависящий от его химического состава, структурного состояния, предела текучести. При этом известно, что одним из наиболее значимых факторов является содержание углерода: с повышением содержания углерода (увеличением прочности и хрупкости стали) величина Кю снижается. Данная зависимость отражена во многих международных ставдартах при регламентации вязкости разрушения. В табл. 1 для сравнения представлены значения Кіс из германских норм ВК 918277 и отечественные требования.
Следует отметить, что образцы, согласно европейским ставдартам, вырезаются только с глубины 20 мм.
Анализ табл. 1 показывает, что отечественные требования коррелируют с немецкими толь -
ко для стали марки 1, колеса из которой на сегодняшний день не выпускаются. Практически для всего диапазона сталей марок 2 иТ (колеса повышенной твердости) величина трещиностойкости по немецким нормам не регламентируется.
Дополнительное определение ве лич ины вязкости разрушения на образцах с глубины обода более 20 мм также не имеет аналогов в мировой практике. По всей видимости, предполагалось, что в глубинных слоях обода сталь «более вязкая», т.к. скорости охлаждения при закалке здесь ниже, чем на поверхности, а значит, и величина вязкости разрушения должна
быть выше - 75 МПа>/^ или в полтора раза выше, чем на поверхности. Однако на практике ни одна из механических характеристик колесной стали не имеет столь высокого градиента по сечению обода, трудно ожидать этого и от трещиностойкости
Считается, что вязкость разрушения является константой материала, не зависящей от размеров образцов, но чувствительной к условиям испы-таний и структурному состоянию [4]. Структура перлитной стали характеризуется несколькими параметрами (толщина цеменгигных пластин и расстояние между ними, размер колоний и размер исходного аустенигного зерна), и в зависимости от условий нагружения и соотношения между структурными параметрами механизмы пластической деформации и разрушения могут быть различными.
При разрушении перлитной стали сколом,
Таблица 1
Марка стали Содержание углерода, % Среднее значениеКіс в ободе, МПал/м (по 6 образцам), не менее Минимальное индивидуальное значение, МПа\/м , не менее
Германскиенормы
Не более 0,48 100 80
Р7 Не более 0,52 80 70
Не более 0,56 60 50
Не более 0,60 Не регламентируется Не регламентируется
Отечественные нормы
1 0,44-0,52 50 - на глубине 20 мм 75 - на глубине > 20 мм
2 0,55-0,65
Т 0,55-0,70
отдельные фасетки скола имеют размеры порядка диаметра зерна аустенига. При данном механизме разрушения вязкость разрушения будет определяться в основном размером зерна аустенига и слабо зависеть от размеров колоний и межпластиннатого расстояния перлита.
Чем больше вклад пластической деформации в процесс разрушения перлита, тем более чувствительным к субструктуре материала, в частности к размеру перлитных колоний и расстоянию между пластинами цементита, становится процесс развития трещины. Диаграмма прочности, отражающая связь между пределом текучести и вязкостью разрушения стали, имеет ввд кривой с максимумом. Так, максимальное значение трещиностойкости перлитной стали У8 соответствует пределу текучести, равному примерно 700 МПа [5]. Такие же свойства перлита обеспечивает структура с оптимальными значениями межпластинчатого расстояния, толщины цеменгигных пластин и ферригных промежутков между ними равными 0,15, 0,02 и
0,13 мкм соответственно.
Если уменьшение вязкости разрушения с ростом прочности материала считается нормальным явлением, характерным для большинства механизмов деформационного упрочне-ния, то уменьшение трещиностойкости с понижением предела текучести - нетривиальный факт. Объяснение этого может быть основано на учете структурных особенностей перлита -сложной зависимости прочности и предела те -кучести от различных размерных параметров структуры. Способность к деформации цемен-тигных пластин определяется главным образом их толщиной - чем тоньше цеменгигные пла-стины, тем большую пластическую деформацию выдерживают они без образования трещин Однако с уменьшением толщины пластин одновременно уменьшается и размер ферригных промежутков между ними. При этом уве-
П у».
Рис. 1. Схемавырезки образцов с острым надрезом из обода колеса
личивается предел текучести и снижается вязкость разрушения в стали Наибольшее значение трещиностойкости достигается с оптимальной толщиной карбвдов (0,02 мкм) и меж-пластинчатым расстоянием (0,10-0,15 мкм).
Увеличение толщины ферригных прослоек снижает предел текучести перлитной стали, что должно приводить к росту вязкости разрушения. Однако при этом увеличивается толщина карбидной фазы и снижается уровень прочности.
Таким образом, величина вязкости разрушения перлитной стали зависит от соотноше-ния прочности и предела текучести, что определяется размерами исходного аустенигного зерна и субструктуры перлита.
Для определения фактически достижимых значений Кю и распределения параметров сопротивления разрушению по сечению обода колеса проведено исследование ударных образцов с острым надрезом на статический изгиб при скорости нагружения 0,2 см/мин
В качестве объекта исследования было взято ставдартное колесо производства ОАО «НТМК» из стали марки 2 с содержанием углерода 0,62%. Образцы с острым надрезом выре-зали на трех уровнях, расположенных на разном расстоянии от поверхности катания колеса, по месту расположения образца К1С для глубины 20 мм: I уровень - на расстоянии ~ 5 мм; II уровень - на расстоянии ~ 20 мм; III уровень -на расстоянии ~ 35 мм. Схема вырезки образцов приведена на рис. 1.
По результатам испытаний определяли разрушающее напряжение стр, предел общей текучести стот, стрелу пластического прогиба ^, работу зарождения А3, распространения трещины Ар и суммарную работу разрушения А2, а также вязкость разрушения Кс. Результаты испытаний представлены на рис. 2.
Анализ данных рис. 2 показывает, что наибольшие значения прочностных характеристик имеют образцы Ьго уровня, наиболее близкого к поверхности катания. По мере удаления от нее стр уменьшается и для образцов Ш-го уровня (~ 35 мм от поверхности катания) достигает наименьшего значения.
Снижение уровня прочности сопровождается уменьшением предела общей текучести и твердости Образцы Ьго уровня имеют также самые высокие значения работы разрушения А^ и вязкости разрушения Кс (см. рис. 2). По мере удаления от поверхности эти параметры, а также величины Аз и Ар (работа зарождения и распространения трещины) снижаются. Одновременно меняется и характер разрушения -оно становится хрупким (стрела пластического прогиба равна 0).
Таким образом, при удалении от поверхности происходит одновременное снижение прочностных и пластических характеристик колесной стали, что и является основной причиной уменьшения вязкости разрушения при удалении от поверхности обода колеса.
Снижение предела текучести при удалении от поверхности казалось бы должно облегчать развитие пластической деформации в вершине надреза или трещины. Однако при этом снижаются пластичность и сопротивление зарождению трещины, что вызывает ее хрупкое распространение.
Поскольку при удалении от поверхности обода размер исходного аустенигного зерна не меняется (его величина определяется температурой нагрева колеса под закалку), можно полагать, что основной причиной снижения перечисленных параметров является изменение дисперсности структуры перлита.
Одновременно проведено исследование распределения ударной вязкости (KCU) по всей толщине обода колеса как величины, коррелирующей с Кіс. Для этого из обода колеса вырезались об -разцы с и-образным надрезом глубиной 2 мм на расстоянии 10, 30, 50 и 70 мм ог поверхности ка -тания. Результаты представлены на рис. 3.
Из графика ввдно, что ударная вязкость практически не меняется по толщине ободьев колес: увеличение данного показателя с
28 Дж/см2 на глубине 10 мм до 31 Дж/см2 на глубине 70 мм (или на 9%) находится в пределах погрешности измерений Такое поведение ударной вязкости можно объяснить тем, что по мере удаления от поверхности катания в структуре металла, с одной стороны, снижается дисперсность перлита и меняется соотношение ферриг-ной и перлитной составляющих в сторону увеличения количества феррита, что обусловливает повышение пластичности и ударной вязкости; а с другой - укрупняется размер зерен, структура становится менее проработанной в процессе горячей деформации, с унаследованной от заготовки неоднородностью и ликвацией, что, в свою
очередь, определяет снижение работы Можно предположить, что уравнове-шивающее влияние этих двух факторов и является причиной малого изменения ударной вязкости.
Полученные результаты позволя-ют сделать два важных вывода.
Во-первых, закономерность изме-нения механических свойств по сечению обода позволяет предположить, что величина статической вязкости разрушения Кю колесной стали по мере углубления в обод не может уве-личигься в полтора раза, как того требуют Нормы безопасности Более то-
45-
40-
и 3 5-
Й 30-
сэ
и 2 5-
и:
20.
15
удара.
0
40
5 10 15 20 25 30 35
Расстояние от поверхности, мм Рис. 2. Изменениепараметров сопротивления разрушению в зависимости от расстояния от оверхности катания
го, эта величина скорее уменьшится по сравнению с приповерхностным металлом.
Во-вторых, термическая обработка колесной стали с содержанием углерода 0,62% создает в поверхностном слое обода, откуда и вырезаются образцы на трещиностойкость, достаточно высокий градиент свойств. Соответственно образец, вырезаемый с глубины 20 мм и имеющий собственную толщину 30 мм, наследует по своему сечению высокую неоднород-ность физико-механических свойств, что затрудняет однозначную интерпретацию получаемых при испытаниях результатов Кю.
Для оценки зависимости уровня статиче-ской вязкости разрушения колесной стали от содержания углерода в диапазоне стали марки 2 по ГОСТ 10791-2004 проводились испытания колес двух плавок производства ОАО «НТМК». Химический состав и механические свойства плавок представлены в табл. 2 и 3.
Для испытаний использовались прямоугольные образцы типа 3 толщиной 30 мм по ГОСТ 25.506-85. Результаты испытаний образ -цов, вырезанных с глубины 20 мм, представле-ны в табл. 4.
< > >
^ < 1 -4 У
і г < >
. < 1
10
20 30 40 50 60 70
Расстояние от поверхности катания, мм Рис. 3. Распределениезначений ударной вязкости по глубине обода колеса
80
0
Из оценки данных табл. 4 хорошо ввдно, что значения вязкости разрушения Кхс даже для колес одной плавки могут существенно различаться (до 26,6 МПал/м ). Данный факт кор-респовдируется с результатами фрактографи-ческого анализа разрушившихся образцов.
По внешнему виду изломов, представленных на рис. 4 и 5 для образцов колеса плавки 532286, ввден различный характер распростра-нения трещины и ее хрупкого долома. Особенно хорошо это различимо для образцов № 5 и 6 (рис. 4, а-б, 5, а-б), имеющих соответственно наименьшее и наибольшее значение Кхс. У образца № 5 хорошо видна зона неравномерной пластической деформации с характерной грубой поверхностью, начинающаяся сразу от границы усталостной трещины. Площадь области пластической деформации невелика, что и определяет невысокое значение К1С.
У образца № 6 отчетливо различимы три ха -рактерные области, расположенные одна за другой: зона вязкого разрушения с микропластиче-ской деформацией, зона выраженного пластического течения и область хрупкого долома. Общая площадь вязкой составляющей излома у этого образца максимальна (см. рис. 5, б).
Изломы образцов плавки 522922 практиче-ски идентичны (рис. 6) и характеризуются отсутствием области выраженной пластической деформации. Данный факт, по всей ввдимости, является следствием более высокой прочности
и меньшей пластичности этой группы образцов.
Испытания показали, что среднее значение Кю для образцов с различным содержанием углерода , вырезанных с глубины обода 20 мм,
составило 71,0 и 58,6 МПал/м , что на 20-40% превосходит уровень, заложенный в НБ ЖТ ТМ
02-98 (50 МПа>/м ). При этом в обоих случаях значения К1С не превысили норматива для глубины более 20 мм (75 МПа>/^), хотя, как было показано ранее, значения К1С у поверхности обода максимальны.
Результаты четко подтвердили обратно пропорциональную зависимость вязкости разрушения от содержания углерода. Так, с его увеличением от 0,61 до 0,64% Кхсуменьшается на 12 единиц (примерно 15%). Полученные значения хорошо соотносятся с упоминавшимися ранее немецкими нормами, по которым прирост 0,04% углерода сопровождается снижением К1С на 20 единиц.
В табл. 5 приведены сравнительные результаты определения Кхс, полученные на основании проведенного исследования, и данные испытательного центра ВНИИЖТ, полученные при испытаниях колес марки 2 по ГОСТ 10791 различных производителей.
Анализ данных табл. 5 показывает, что существует зависимость между содержанием углерода , качеством колесной стали и значениями вяз -кости разрушения Кхс. Так, максимальные значения трещиностойкости, при среднем для марки 2 содержании углерода, получены на колесах производства ОАО «НТМК». С увеличением содержания углерода уровень Кхс снижается, при этом абсолютные величины для отечестве иных про из -водителей колес достаточно близки. У колес
Таблица 2
Номер плавки М ассовая доля элементов, %
C Mn Si P S Ni Cr Cu
532286 0,61 0,83 0,37 0,016 0,011 0,05 0,03 0,01
522922 0,64 0,83 0,35 0,018 0,013 0,05 0,05 0,01
Таблица 3
Номер плавки Временное сопротивление талиобода ств Н/мм2 Относительное удлинение стали обода 5, % Относительное сужение стали обода ^, % Твердость обода на глубине 30 мм от поверхности катания, НВ Ударная вязкость дискапри +20°С KCU, Дж/см2
532286 959 16,9 38,0 283 30
522922 1024 15,5 36,0 302 29
Таблица 4
Плавка колес № 532286 (С = 0,61%) Плавка колес № 522922 (С = 0,64%) Требования НБЖТТМ 02-98 (п. 1.8), МПа>/м
Номер обр. Kic, МПа>/м Среднее значение Kic, МПа>/м (без учета min и max) Номер обр. Kic, МПа>/м Среднее значение Kic, МПа>/м (без учета min и max)
1 75,4 1 56,5
2 69,6 2 57,6
3 61,4 3 61,7
4 62,3 71,0 4 52 58,6 Не менее
5 min 58,9 5 min 50,5 50,0
6 max 85,5 6 63,5
7 83,1 7 60,2
8 74,3 8 max 63,7
Рис. 6. Типичные изломы образцов плавки 522922 (0,64% С)
производства ОАО «ВМЗ» в интервале 0,630,65% углерода значения Кіс стабильны (6065 МПал/м ) и находятся на том же уровне, что и румынские колеса с минимальным для марки 2 содержанием углерода. Данный факт косвенно подтверждает качество термообработки и наличие в ободе перлитной микроструктуры оптимальной дисперс ности.
Испытания образцов, вырезанных с глубины обода более 20 мм, во всех случаях подтвердили, что по мере удаления от поверхности катания величина Кіс снижается. Более того, из 6 образцов, по которым определяется среднее значение тре-щиностойкости, отдельные показали значения
менее 50 МПал/м . Таким образом, нормативный
показатель Кіс в 75 МПал/м , установленный нормами безопасности для образцов, вырезанных с глубины обода более 20 мм, не имеет физических предпосылок и недостижим на практике.
Выводы
1. Проведенное исследование распределения параметров сопротивления разрушению по сечению обода колес марки 2 показало, что по мере удаления от поверхности катания эти показатели снижаются или изменяются крайне слабо. Таким образом, имеются физические предпосылки для снижения значений трещино-СТОЙКОСТиКіс по мере углубления в обод.
2. Испытания на вязкость разрушения образцов , вырезанных с глубины обода более 20 мм, во всех случаях показали снижение величины Кіс (от 4 до 15%). Полученные данные однозначно указывают на необоснованность требований Норм безопасности в части значения Кіс на глубине более 20 мм в полтора раза большего, чем у поверхности катания. Указанное требование про-
Таблица5
Содержание углерода, % Колеса производства ОАО "НТМК", МПа>/м Колеса производства ОАО "ВМЗ", МПа>/м Колеса производства завода SMR ВаІБ, Румыния, МПа>/м
ГОСТ 10791, марка 2
0,56 62,5
0,61 71,0
0,63 63,2 / 60,7
0,64 58,6
0,65 62,0 / 52, 7
тиворечиг закономерностям поведения механических свойств по сечению металла обода колеса и недостижимо на практике.
3. Исследование образцов ставдартных колес производства ОАО «НТМК» выявило зависимость между величиной Кю и содержанием углерода. При увеличении содержания углерода от 0,61 до 0,64% получено снижение вязкости разрушения с 71,0 до 58,6 МПа л/м , или на 17%, что хорошо корресповдируется с данными зарубежных источников. В то же время сравнение данных по различным производителям показало, что для содержаний углерода более 0,61% эта зависимость неоднозначна и на величину К1С существенное влияние оказывает структурное состояние металла.
4. Обобщенные данные по различным заво-дам-изготовигелям показывают, что для колесных сталей с содержанием углерода более
0,60% норматив статической вязкости разрушения К1С должен сохраняться на уровне
50 МПа л/м . Для меньшего содержания угле -рода в стали норматив может быть повышен после набора соответствующей статистики
Библиографический список
1. UIC 812-3. Международныйжелезнодорожный союз. Техническиетребования на поставку цельнокатаных колес.
2. EN 13262. Европейские нормы. Продукция для железных дорог. Цельнокатаные колеса. Требования к готовой продукции.
3. НБ ЖТ ТМ 02-98. Нормы безопасности на железнодорожном транспорте. М еталлопродукция для железнодорожного подвижного состава.
4. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении / Трощенко В.Г. и др. Киев, 1987. 250 с.
5. Структураперлитаи конструктивная прочность стали / ТушинскийЛ.И. идр. Новосибирск: ВО «Наука», 1993. 280 с.
