Пластические зоны у вершины трещины как критерий оценки локального напряженного состояния при разрушении крупнозернистых и УМЗ материалов с ОЦК и ГЦК решеткой

Клевцов Геннадий Всеволодович; Клевцова Наталья Артуровна; Валиев Руслан Зуфарович; Пигалева Ирина Николаевна

УДК 669.017: 548.73

ПЛАСТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ У ВЕРШИНЫ ТРЕЩИНЫ КАК КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ЛОКАЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ И УМЗ МАТЕРИАЛОВ С ОЦК И ГЦК РЕШЕТКОЙ

1 Тольяттинский государственный университет 2 НИИ физики перспективных материалов Уфимского государственного авиационного технического университета

Статья поступила в редакцию 30.05.2017

В статье показано, что при испытании материалов с крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой на статическую трещиностойкость (К1С) в условиях плоской деформации (ПД), необходимо учитывать тип кристаллической решетки.

Ключевые слова: трещиностойкость материалов, глубина пластической зоны под поверхностью изломов, локальное напряженное состояние, наноструктурированные материалы с УМЗ структурой.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 15-48-02119 р_поволжье_а).

ВВЕДЕНИЕ

Оценка локального напряженного состояния материала у вершины трещины имеет принципиальное значение, например, при испытании материалов на статическую трещиностойкость (К1С), при диагностики причин разрушения конструкций и деталей машин, а также в ряде других случаев. Согласно положению механики разрушения, наиболее объективную информацию о локальном напряженном состоянии материала в момент разрушения дает анализ размеров и формы пластических зон, образующихся у вершины трещины. В работах [1, 2] предложен количественный критерий оценки локального напряженного состояния материала как отношение максимальной глубины пластической зоны под поверхностью изломов h

^ Г max

к толщине образца или детали t, то есть hmax/t. При разрушении материалов в условиях плоской деформации (ПД) отношение hmax/t<10-2; в условиях плоского напряженного состояния (ПН) - отношение hmax/t>10-1; в переходной области от ПД к ПН, отношение 10-2<hmax/t<10-1. Однако остается открытым вопрос о возможности использования критерия hmax/t при исследова-

Клевцов Геннадий Всеволодович, доктор технический наук, профессор кафедры нанотехнологий, материаловедения и механики (НМиМ) ТГУ. E-mail: [email protected]

Клевцова Наталья Артуровна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры НМиМ ТГУ. E-mail: [email protected]

Валиев Руслан Зуфарович, доктор физико-математических наук, профессор, директор. E-mail: [email protected]

Пигалева Ирина Николаевна, аспирант НМиМ ТГУ. E-mail: [email protected]

нии наноструктурированных материалов с УМЗ структурой.

Целью настоящей работы является установление связи критерия локального напряженного состояния материала ЬтахД с критериями механики разрушения для крупнозернистых (КЗ) и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с ОЦК и ГЦК решеткой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве наноструктурированных УМЗ материалов с ОЦК решеткой использовали углеродистые сталь 10 (0,11 % С) и сталь 45 (0,45 % С); в качестве материала с ГЦК решеткой - аустенит-ную сталь Л1Б1 321 (0,06 % С; 1,2 % Мп; 17,5 % Сг; 9,4 % №; 0,48 % Т1) и алюминиевый термически упрочняемый сплав АК4-1 (2,48 % Си; 0,21 % Б1; 1,47 % Mg; 1,16 % Ре; 1,06 % №; 0,057 % Мп; 0,082 % Сг; 0,056 % Т1).

УМЗ состояние стали 10 было получено путем равноканального углового прессования (РКУП) при температуре 200 °С, количество проходов п=4, с поворотом образца вокруг оси на 90° (маршрут Вс). Угол пересечения каналов инструмента составлял ф = 120°. Средний размер зерна

стали 10 в УМЗ состоянии составил d .= 300 нм.

ср

Сталь 45 с КЗ структурой исследовали в исходном состоянии (после закалки + высокого отпуска при 550 °С) ^ср.= 10 мкм). УМЗ состояние стали было получено путем РКУП по режиму: закалка + РКУП при 350 °С, п=6, ф = 120° (ар.= 560 нм). Ау-стенитную сталь Л1Б1 321 исследовали как в исходном (горячекатанном) состоянии, так и после РКУП при 20 °С, п=4, маршрут Вс, ф = 120° ^ср.= 300 нм). Алюминиевый сплав АК4-1 исследовали в двух состояниях: в исходном состоянии (после

Машиностроение и машиноведение

стандартной обработки Т6 (закалка + старение) и после РКУП. Стандартная обработка (Т6) включала в себя нагрев до температуры 530 °С, закалку в воде и старение при температуре 190 °С в течение 7 часов, охлаждение на воздухе. Для получения УМЗ структуры сплав подвергали РКУП при температуре 160 °С, n=6, ф=90° (d .= 300 нм).

Для оценки трещиностойкости материала образцы испытывали на машине Instron 8802, согласно ГОСТ 25.506-85. Исследование микрорельефа изломов проводили в растровом электронном микроскопе SIGMA фирмы «ZEISS». Количество и глубину пластических зон под поверхностью изломов определяли рентгеновским методом [1, 2]. Съемку поверхности изломов проводили на рентгеновском дифрактоме-тре ДР0Н-2.0 в Fe и Со Ka излучении.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты механических испытаний на К1С показали (табл. 1), что РКУП по вышеуказанным режимам незначительно и неоднозначно влияет на трещиностойкость материалов. Причем, критерий t/(K10/a02)2 > 2,5 во всех случаях, кроме стали AISI 321, удовлетворяет условию ПД. Од-

нако критерий ЬтахД, как видно из таблицы 1, не удовлетворяет условию ПД и в случае сплава АК4-1. Чтобы объяснить это, сравним для широкого класса материалов с КЗ и УМЗ структурой предложенный критерий реализации условия ПД ЬтахЛ<10-2 с известным критерием механики разрушения 1/(К/ст02)2 ^2,5 (рис. 1).

Из приведенного рисунка видно, что критерий механики разрушения 1/(К/ст02)2 ^2,5, используемый для оценки условия ПД (на графике отмечен пунктирной линией), является менее жестким, чем предложенный критерий ЬтахЛ<10-2 и соответствует средней части переходной области от ПД к ПН. Критерий оценки локального напряженного состояния материала ЬтахЛ, основанный на анализе глубины пластических зон под поверхностью изломов, даёт возможность уточнить известный критерий механики разрушения 1/(К/ст02)2^2,5. Из рис. 1 также 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: 1/(К1С/стт)2 >5, а для материалов с ГЦК-решеткой - в виде: 1/(К1С/ст02)2 М0.

Таблица 1. Трещиностойкость (К1С КС) исследуемых материалов и отношение hmax/t

Материал Kic (Кс ), МПа/м

Исходное состояние(КЗ) hmax/t После РКУП (УМЗ) hmax/t

Сталь 10 28 - 31,0 5,0010-3

Сталь 45 69 8,5010-3 53 6,0010-3

Сталь AISI 321 99,8 5,6510-1 106,4 4,1710-1

Сплав АК4-1 27,5 4,0010-2 25,0 3,7510-2

ю-1

ю-2

W'3

С>2 0,5 } 2 5 10 20

Рис. 1. Экспериментально установленная связь критериев ЬтахЛ и 1/(К1с(Кс)/ст02)2 для материалов с ОЦК решеткой (темные точки), ГЦК решеткой (светлые точки) при испытании на статическую трещиностойкость. Пунктиром отмечен критерий 1/(К1С/ст02)2 > 2,5, согласно которому правая часть графика соответствует условию ПД; 1- сталь 20; 2 - сталь 40; 3 - 15Х2МФА; 4 - сталь 15; 5 - сталь 10 (РКУП); 6 - сталь 45; 7 - сталь 45 (РКУП); 8 - Д16; 9 - 03Х13АГ19 [1], 10 - АК4-1; 11 - АК4-1 (РКУП); 12 - МБ! 321 (РКУП)

ВЫВОДЫ

Для оценки локального напряженного состояния у вершины трещины, как в крупнозернистых, так и в наноструктурированных материалах с ОЦК и ГЦК структурой может быть использован критерий h /t, где h - макси-

^ г max ' ^ max

мальная глубина пластической зоны под поверхностью изломов; t - толщина образца или детали.

При испытании наноструктурированных материалов с УМЗ структурой на статическую трещиностойкость (К1С), оценку условия плоской деформации (ПД) по критерию механики разрушения t/(K1c/a02)2 необходимо проводить

с учетом типа кристаллической решетки материала. Для материалов с ОЦК решеткой условие ПД реализуются при 1/(К1С/стт)2 56, а для материалов с ГЦК решеткой - при 1/(К1С/ст0 2)2 510.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. М.: МИСиС, 2007. 264 с.

2. Р 50-54-52/2-94. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение характеристик разрушения металлических материалов рентгеновским методом. М.: ВНИИНМАШ Госстандарта России. 1994. 28 с.

PLASTIC ZONES AT THE CRACK TIP AS A CRITERIA EVALUATION OF LOCAL STRESS STATE IN THE DISTRUCTION OF COARSE-GRAINED AND UFG MATERIALS WITH BCC AND FCC LATTICE STRUCTURE

1 Togliatti State University 2 Research Institute of Physics of Advanced Materials of Ufa State Aviation Technical University

In this article it was shown under the test of materials with coarse-grained (CG) and ultra-fine grained (UFG) structure on static fracture toughness (K1C) in the plane strain (PD) condition, it is necessary to take into account the type of crystal lattice of the material.

Keywords: fracture toughness of materials, depth of plastic zone under the fracture surface, local stress state, nanostructured materials with UFG structure.

Ghennadiy Klevtsov, Doctor of Technics, Professor, Professor of Nanotechnologies, Materials Science and Mechanics (NMSM) Department. E-mail: [email protected] Natal'ya Klevtsova, Doctor of Technics, Associate Professor, Professor of NMSM Department. E-mail: [email protected] Ruslan Valiev, Doctor of Phys.-Math. Sciences, Professor, Head of Research Institute of Physics of Advanced Materials, USATU. E-mail: [email protected] Irina Pigaleva, Postgraduate Student of NMSM. E-mail: [email protected]