CC BY
26
УДК 669.017:548.73
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-772-775
ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОЦК И ГЦК РЕШЕТКОЙ
© Г.В. Клевцов1*, Н.А. Клевцова1*, Р.З. Валиев2), И.Н. Пигалева1*, О.А. Фролова3*
1)1 Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Российская Федерация, e-mail: [email protected] 2) НИИ Физики перспективных материалов Уфимского государственного авиационного технического университета,
г. Уфа, Российская Федерация, e-mail: [email protected] 3) Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, Российская Федерация,
e-mail:[email protected]
Показано, что для оценки локального напряженного состояния у вершины трещины в наноструктурированных материалах может быть использован критерий АтахЛ. Если ктах/Х < 10-2, то разрушение произошло в условиях плоской деформации (ПД); если ктах/Х > 10-1 - то в условиях плоское напряженное состояние (ПН); если 10-2 < Ашах/? < 10-1 - то разрушение произошло в переходной области от ПД к ПН. При испытании наноструктурированных материалов на статическую трещиностойкость (К1С) оценку условия плоской деформации (ПД) по критерию механики разрушения ¿/(Х1С/а0-2)2 необходимо проводить с учетом типа кристаллической решетки материала. Для материалов с ОЦК решеткой условие ПД реализуются при ¿/(Х1С/ат)2 > 5, а для материалов с ГЦК решеткой - при ¿/(Х1С/а0-2)2 > 10.
Ключевые слова: локальное напряженное состояние материала; наноструктурированные материалы; рентгено-структурый анализ; пластические зоны; статическая трещиностойкость.
Известно, что наиболее объективную информацию о локальном напряженном состоянии материала в момент разрушения дает анализ количества, размеров и формы пластических зон, образующихся у вершины трещины [1-2]. В работах [1-2] предложен количественный критерий оценки локального напряженного состояния материала как отношение максимальной глубины пластической зоны под поверхностью изломов Ьтах к толщине образца или детали ^ т. е. Атх/Г. В работах [1-3] показано, что разрушение материалов как с ОЦК, так и с ГЦК решетками в условиях плоской деформации (ПД) сопровождается образованием у вершины трещины одной пластической зоны. При этом отношение Ашах/Г < 10-2. Материалы с ОЦК решеткой разрушаются при плоской деформации (ПД) всегда хрупко по механизму скола, квазискола или межзерен-ного хрупкого разрушения. Разрушение материалов с ГЦК решеткой в условиях ПД происходит, как правило, по механизму межзеренного хрупкого разрушения. Разрушение материалов в условиях плоского напряженного состояния (ПН) сопровождается образованием под поверхностью изломов двух пластических зон: сильнодеформированной микрозоны Нук и слабодефор-мированной макрозоны Ну [1-3]; при этом отношение Ашах/Г > 10-1. Чаще всего такое разрушение происходит вязко с образованием ямочного микрорельефа. В условиях ПН могут разрушаться материалы как с ОЦК, так и с ГЦК решеткой. В переходной области от ПД к ПН разрушаются преимущественно материалы с ГЦК решеткой, как правило, по смешанному механизму [1].
При смешанном разрушении нет единого механизма разрушения, а следовательно, невозможно изобразить единую схему формирования пластических зон под поверхностью изломов. При разрушении впереходной области отношение 10-2 < Атх/Г < 10-1 [1-3]. Однако остается открытым вопрос о возможности использования критерия Атх/Г при исследовании наноструктурированных материалов с УМЗ структурой.
Целью настоящей работы является установление связи критерия локального напряженного состояния материала Ашах/Г с критериями механики разрушения и механизмами разрушения крупнозернистых (КЗ) и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с ОЦК и ГЦК решеткой.
В качестве материалов с ОЦК решеткой использовали углеродистую сталь 10 (0,11 % С); в качестве материала с ГЦК решеткой - аустенитную сталь АК1 321 (0,06 % С; 1,2 % Мп; 17,5 % Сг; 9,4 % №; 0,48 % ТС) и алюминиевый термически упрочняемый сплав АК4-1 (2,48 % Си; 0,21 % 1,47 % 1,16 % Ее; 1,06 % N1; 0,057 % Мп; 0,033 % 7п; 0,082 % Сг; 0,056 % Т1). Нано-структурированное состояние стали 10 было получено путем равноканального углового прессования (РКУП) [4] при температуре 200 °С, количество проходов - 4, с поворотом образца вокруг продольной оси на 90° после каждого прохода (маршрут Вс). Угол пересечения каналов инструмента составлял ф = 120°. Средний размер зерна стали 10 в УМЗ состоянии составил 300 нм. Аустенитную сталь АК1 321 исследовали в исходном (горячекатаном) состоянии и наноструктурированном
состоянии. УМЗ состояние аустенитной стали AISI 321 было получено путем РКУП при температуре 20 °С, количество проходов - 4, маршрут Bc, ф = 120°. Средний размер зерна составил 300 нм. Алюминиевый сплав АК4-1 исследовали в двух состояниях: после стандартной обработки Т6 (закалка + старение) и после РКУП. Стандартная обработка (Т6) включала в себя нагрев до температуры 530 °С, выдержку при этой температуре в течение одного часа, закалку в воде и старение при температуре 190 °С в течение 7 ч, охлаждение на воздухе. Для получения УМЗ структуры сплав подвергали РКУП при температуре 160 °С, 6 проходов, угол ф = 90°. Средний размер зерна после вышеуказанной обработки (РКУП) составил 300 нм.
Для оценки трещиностойкости материала образцы испытывали на машине Instron 8802. Исследование микрорельефа изломов проводили в растровых электронных микроскопах JSM-6490LV и SIGMA фирмы "ZEISS". Количество и глубину пластических зон под поверхностью изломов определяли рентгеновским методом. С этой целью проводили послойное стравливание изломов с последующим рентгенографированием поверхности [1; 5]. Для определения локального напряженного состояния материала у вершины трещины использовали критерий hmax/t. Съемку поверхности изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-2.0 в Fe и Со Ka излучении.
Как видно из табл. 1, наноструктурирование незначительно и неоднозначно влияет на трещиностойкость исследуемых материалов. При этом разрушение стали 10 произошло в условиях ПД, стали AISI 321 - в условиях ПН. Разрушение сплава АК4-1, согласно критерию hmax/t, произошло в переходной области от ПД к ПН, однако критерии механики разрушения [6] удовлетворяют условию ПД (табл. 2).
Для разрешения данного противоречия сравним для широкого класса материалов с КЗ и УМЗ структурой предложенный критерий реализации условий плоской деформации (ПД) hmax/t < 10-2 с известным критерием
Таблица 1
Трещиностойкость (К1С, КС) исследуемых материалов и отношение hmax/t
Материал Состояние К1С (Kc), МПа^м h /t hmax/t
Сталь 10 После РКУП 31 (Kic) 5,00 10-3
Сталь После РКУП 106,4 (КС) 4,1710-1
AISI 321 Горячекатанное 99,8 (КС) 5,6510-1
Сплав После РКУП 25,0 (КС) 3,75-10-2
АК4-1 Т6 27,5 (КС) 4,00-10-2
w<
/ .... 1.. . 1 о 6
'г . J ■ 4 С 7 □ 8 □ 9 £
j- ❖ 5 ф 10 I §
. « ... .1 N Вч ill III I.I К 1 1 . 1
цг Ц9 ^ г у ю 20
Рис. 1. Связь критериев Итаки и //(К1с(Кс)/а0,2)2 для материалов с ОЦК решеткой (темные точки) и ГЦК решеткой (светлые точки) при испытании на статическую трещиностойкость обычных материалов (1-4, 6-8) и наноструктурированных материалов (5, 9, 10). Пунктиром отмечен критерий ?/(Кю/ао,2)2 > 2,5: 1 - сталь 20; 2 - сталь 40; 3 - 15Х2МФА; 4 - сталь 15; 5 - сталь 10 (после РКУП); 6 - Д16; 7 -03Х13АГ19; 8 - АК4-1; 9 - АК4-1 (после РКУП); 10 - сталь ЛШ 321 (после РКУП)
механики разрушения Г/(К/а02)2 > 2,5 [6] (рис. 1). Из приведенного рисунка видно, что разрушение сплава АК4-1 как после РКУП, так и в состоянии Т6, произошло в переходной области от ПД к ПН. Следовательно, полученные значения статической трещиностойкости сплава соответствуют КС.
Из рис. 1 также видно, что критерий механики разрушения Г/(К/а0,2)2 > 2,5, используемый для оценки условия ПД [3-4] (на графике отмечен пунктирной линией), является менее жестким, чем предложенный критерий Ашах/Г < 10-2, и соответствует средней части переходной области от ПД к ПН. Критерий оценки локального напряженного состояния материала Ашах/Г, основанный на анализе глубины пластических зон под поверхностью изломов, дает возможность уточнить известный критерий механики разрушения Г/(К/а0,2)2 > 2,5. Из рис. 4 можно сделать вывод, что при определении условий плоской деформации (ПД) необходимо учитывать тип кристаллической решетки материала. Для материалов с ОЦК решеткой условия ПД можно записать в виде:
Г/(Кю/ат)2 > 5,
а для материалов с ГЦК-решеткой - в виде: Г/(К1с/ао,2)2 > 10.
Таблица 2
Статическая трещиностойкость и критерии механики разрушения при реализации условий ПД в образцах из сплава АК4-1
Состояние сплава кс МПа^м t/(K1e/ac,2)2 s, % Pmax/PQ
После РКУП 25,0 4,70 0,94 1,0
Т6 27,5 3,95 0,80 1,0
Именно в этих случаях разрушение материалов происходит сколом, квазисколом или путем межзерен-ного хрупкого разрушения; под поверхностью изломов образуется только одна пластическая зона, а отношение Ашах/Г становится меньшим 10-2. В частности, для алюминиевого сплава АК4-1, который является материалом с ГЦК решеткой, плоская деформация может быть реализована при условии: Г/(К1С/а02)2 > 10 (рис. 4). Это будет иметь место, например, при межзеренном хрупком разрушении.
ВЫВОДЫ
1. Наноструктурирование путем РКУП углеродистой стали 10 (материал с ОЦК решеткой), аустенит-ной стали АК1 321 и алюминиевого сплава АК4-1 (материалы с ГЦК решеткой) незначительно и неоднозначно влияет на трещиностойкость.
2. Для оценки локального напряженного состояния у вершины трещины в наноструктурированных материалах с ОЦК и ГЦК структурой может быть использован критерий Ашах/Г, где Атх - максимальная глубина пластической зоны под поверхностью изломов; Г - толщина образца или детали.
3. При испытании наноструктурированных материалов на статическую трещиностойкость (К1С) оценку условия плоской деформации (ПД) по критерию механики разрушения Г/(К1С/а0д)2 необходимо проводить с учетом типа кристаллической решетки материала. Для материалов с ОЦК решеткой условие ПД реализуются при Г/(К1С/ат)2 > 5, а для материалов с ГЦК решеткой - при Г/(К1С/а0,2)2 > 10.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фракто-диагностика разрушения металлических материалов и конструкций. М. : МИСиС, 2007. 264 с.
2. Р 50-54-52/2-94. Расчеты и испытания на прочность. Метод рент-геноструктурного анализа изломов. Определение характеристик разрушения металлических материалов рентгеновским методом. М.: ВНИИНМАШ Госстандарта России, 1994. 28 с.
3. Klevtsov G.V., Botvina L.P., Klevtsova N.A. X-ray Diffraction Technique for Analyzing Failed Components // ISIJ International. 1996. V. 36. № 2. P. 222-228.
4. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications. TMS, WILEY, 2014. 440 p.
5. Р 50-54-52-88. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентге-ноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью разрушения. М. : ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, 1988. 24 с.
6. Braun W., Srouly J. Fracture Toughness Test of Metallic Materials under Plane Deformation Conditions. M., 1972. 246 p.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-08-00301_а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 669.017:548.73
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-772-775
ESTIMATION OF LOCAL STRESS STATE AT DESTRUCTION OF NANOSTRUCTURIZED MATERIALS WITH BODY-CENTERED-CUBIC AND FACE-CENTRERED CUBIC LATTICE
© G.V. Klevtsov", N.A. Klevtsova", R.Z. Valiev2), I.N. Pigaleva1), O.A. Frolova3)
1)1 Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Scientific Research Institute of Prospective Materials Physics of Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation, e-mail: [email protected] 3) Orenburg State University, Orenburg, Russian Federation, e-mail:[email protected]
It is shown that for estimation of local stress state at the crack point in nanostructurized materials can be used criteria hmax/t. If hmax/t < 10-2, then destruction was in the conditions of plain strain (PS); if hmax/t > 10-1 then in the conditions of biaxial stress field (BSF); if 10-2 < hmx/f < 10-1 then the destruction was in transition area from PS to BSF. At testing nanostructurized materials on static crack resistance (K1C) estimation of condition of plain strain (PS) according to criteria of destruction mechanics f/(K1c/a02)2 it is necessary to carry out it taking into consideration type of crystalline grid of material. For materials with body-centered-cubic lattice the condition of PS is realized at f/(K1C/aT)2 > 5 and for materials with face-centered cubic lattice at
i/(Kic/M2 > 10.
Key words: local stress state of material; nanostructurized materials; X-ray diffraction analysis; plastic zone; static crack resistance.
REFERENCES
1. Klevcov G.V., Botvina L.R., Klevcova N.A., Limar' L.V. Fraktodiagnostika razrushenija metallicheskih materialov i konstrukcij. Moscow, MISiS Publ., 2007. 264 p.
2. R 50-54-52/2-94. Raschety i ispytanija na prochnost'. Metod rentgenostrukturnogo analiza izlomov. Opredelenie harakteristik razrushenija metallicheskih materialov rentgenovskim metodom. Moscow, VNIINMASh Gosstandarta Rossii, 1994. 28 p.
3. Klevtsov G.V., Botvina L.P., Klevtsova N.A. X-ray Diffraction Technique for Analyzing Failed Components. ISIJ International, 1996, vol. 36, no. 2, pp. 222-228.
4. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk NanostructuredMaterials: Fundamentals and Applications. TMS, WILEY, 2014. 440 p.
5. R 50-54-52-88. Raschety i ispytanija na prochnost'. Metod rentgenostrukturnogo analiza izlomov. Opredelenie glubiny zon plasticheskoj deformaciipod poverhnostju razrushenija. Moscow, VNIINMASh Gosstandarta SSSR, 1988. 24 p.
6. Braun W., Srouly J. Fracture Toughness Test of Metallic Materials under Plane Deformation Conditions. Moscow, 1972. 246 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 14-08-00301_a).
Received 10 April 2016
Клевцов Геннадий Всеволодович, Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика», e-mail: [email protected]
Klevtsov Gennadiy Vsevolodovich, Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Professor of Nanotechnologies, Materials Science and Mechanics Department, e-mail: [email protected]
Клевцова Наталья Артуровна, Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Российская Федерация, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика», e-mail: [email protected]
Klevtsova Natalya Arturovna, Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation, Doctor of Technics, Associate Professor, Professor of Nanotechnologies, Materials Science and Mechanics Department, e-mail: [email protected]
Валиев Руслан Зуфарович, НИИ Физики перспективных материалов Уфимского государственного технического университета, г. Уфа, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, директор, e-mail: [email protected]
Valiev Ruslan Zufarovich, Scientific Research Institute of Physics of Advanced Materials of Ufa State Aviation Technology University, Ufa, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Director, e-mail: [email protected]
Пигалева Ирина Николаевна, Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Российская Федерация, инженер, e-mail: [email protected]
Pigaleva Irina Nikolaevna, Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation, Engineer, e-mail: [email protected]
Фролова Олеся Александровна, Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры машиноведения, e-mail: [email protected]
Frolova Olesya Aleksandrovna, Orenburg State University, Orenburg, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Machine Science Department, e-mail: [email protected].
