Необратимой повреждаемости

Первый вид отпускной хрупкости, называемый необратимой отпускной хрупкостью I рода, наблюдается в результате отпуска при 250— 400 °С. Отличительной особенностью хрупкости I рода является ее необратимый характер: хрупкость этого вида устраняется нагревом до температуры >400'С, а последующий нагрев при 250—400 °С уже не снижает ударной вязкости.

Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом. Хрупкое состояние обусловлено возникновением объемнонапряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. В связи с этим отпуск в об-

Сред нетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350—500 °С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит; твердость стали HRC 40—50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Путем легирования можно повысить температуру отпуска (выше интервала развития необратимой отпускной хрупкости), что позволяет наряду с высоким сопротивлением малым пластическим деформациям получить хорошие пластичность и вязкость.

Интересно отметить, что зависимость ударной вязкости от температуры испытаний стали 35ХГСА с зерном 11 балла имеет монотонный характер, в то время как при более крупном зерне при отпуске 350° С имеет место провал.'характерный для необратимой отпускной хрупкости.

Измельчение зерна компенсирует охрупчивание, которое имеет место в интервале температур отпуска/соответствующего развитию необратимой отпускной хрупкости. Так, например, увеличение температуры отпуска с 250 до 350° С приводит к повышению tKp стали 35ХГСА на 60° С, а измельчение зерна с 8 до 11 балла после отпуска при 350° С понижает /кр на 40° С.

В результате сталь с мелким зерном в интервале температур отпускной хрупкости имеет положение *кр почти такое же,' как сталь с крупным зерном вне интервала отпускной хрупкости. С этим связано отсутствие провала на кривой зависимости ударной вязкости от темцературы отпуска мелкозернистой стали при комнатной температуре испытания (см. рис. 4). После отпуска как при 250° С, так и при 350° С образцы Менаже мелкозернистой стали при испытании на удар при комнатной температуре разрушаются вязко, так как критическая температур.а хрупкости лежит ниже комнатной температуры, и значения .ударной вязкости остаются на одном уровне. На стали с крупным зерном после от-- пуска при 350° С при комнатной температуре наблюдается переход к хрупкому характеру разрушения (рис. 7). Ударная вязкость падает ниже значений, характерных для отпуска при 250° С, где наблюдается вязкий излом. Это обусловливает провал, связанный с развитием необратимой отпускной хрупкости на кривой зависимости ударной вязкости крупнозернистой стали от температуры отпуска;

Критическая температура/хрупкости при испытании образцов с трещиной после отпуска при 250—350° С лежит выше комнатной температуры как при мелком, так и при крупном зерне в стали. Это обусловливает наличие на кривых зависимости свойств образцов с трещиной от «температуры отпуска провалов, связанных с развитием необратимой отпускной хрупкости. .

Измельчение зерна сдвигает критическую температуру хруп-кости к более низким температурам при динамических и статических испытаниях образцов с надрезом и трещиной, повышает коэффициент интенсивности напряжений К1с, что обеспечивает большую надежность изделий ,и уменьшает склонность к хрупкому разрушению стали после отпуска в интервале развития необратимой отпускной хрупкости. .

Первый вид отпускной хрупкости, называемой необратимой отпускной хрупкостью, или хрупкостью ! рода, наблюдается в результате отпуска при 250—400 °С. Этот вид хрупкости присущ в той или другой мере всем сталям. Отличительной особенностью хрупкости I рода является ее необратимый характер; повторный отпуск при той же температуре не улучшает вязкости. Хрупкость этого вида устраняется нагревом до температуры свыше 400 °С, снижающим, однако, твердость. Последующий нагрев при 250— 400 °С не снижает ударную вязкость.

Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллйтный излом. Хрупкое состояние обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. В связи с этим

Период распространения усталостных трещин, расположенный между кривой усталости (линия АБВ на рис. 7) и линией необратимой повреждаемости (линия КБ), обычно описывается кинетическими диаграммами усталостного разрушения (КДУР). Зависимость между скоростью роста усталостной трещины Igu и размахом коэффициента интенсивности напряжений IgAK (или lgKMax). В этом периоде усталостного нагружения выделяют три основные стадии (рис. 8):

(область необратимой повреждаемости)

Рис. 28. Схема определения линии необратимой повреждаемости по Френчу

Исследования показывают, что размер микротрещин на линии Френча зависит от материала, структуры и вида нагружения. Достижение этой линии соответствует образованию устойчивых полос скольжения (УПС) и возникновению в них микрофещин. На рис. 29 представлены данные М. Хемпеля по построению линии необратимой повреждаемости на образцах из хромомо-либденовой стали ЗОСгМо 4 (0.35С; 0,32Si; 0,60Мп; 0,016Р; 0,006Si; 1,16Сг; 0,20Ni; 0,20Mo, вес. %) в условиях изгиба с вращением. Эти исследования показали, что размер микротрещин на линии Френча достигает 10-40 мкм, а переход через эту линию приводит к резкому увеличению длины трещины до 100 -300 мкм и более и сопровождается резким увеличением скорости ее роста. Таким образом, окончание периода зарождения микротрещин связано с достижением линии Френча, когда оканчивается кристаллографический рост трещин в пределах одного или нескольких зерен. Микротрещины длиной

Обобщенная диаграмма усталости приведена на рис. 19, где ABC — кривая выносливости (кривая Велера). При напряжениях ниже длительного предела выносливости о> микротрещины не развиваются. А'В'С' — линия начала появления субмикроскопических трещин и А'С — линия начала образования микротрещин или линия необратимой повреждаемости (линия Френча). При критическом напряжении усталости сгк > aw разрушение происходит через NK циклов (критическое число циклов).

Представление о соотношении между периодом развития трещины и долговечностью материала в разных областях много- и малоцикловой усталости может быть получено при более детальном рассмотрении кривой усталостного разрушения материалов по стадиям накопления повреждений и роста трещин [27]. В ходе циклического нагруже-ния при постоянном уровне переменного напряжения в материале протекает первоначально процесс накопления необратимой повреждаемости, и при достижении некоторого критического уровня плотности дефектов происходит возникновение начальной поверхности трещины или зоны очага

Рис. 1.15. Диаграммы (а) циклического разрушения материалов и (б) относительной их живучести по стадиям: I — необратимой повреждаемости; II — зарождения трещины; III — роста трещины; IV — полной долговечности, связанной с разрушением материала; V — повторно-статическим разрушением; [27]; (в) зависимость относительного периода зарождения усталостной трещины N; / NfOT размаха напряжений, До, в образцах из алюминиевого сплава 2024-ТЗ для длины распространения трещины 0-15 мм при различных радиусах р в вершине концентратора глубиной h [26]; (г) рассеяние экспериментальных данных по зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения стальных образцов (С — 0,21; Сг — 0,21; Мп - 0,47; Си - 0,21; Сг - 0,09 %) при двух уровнях напряжения [97]

I стадия — период накопления искажений кристаллической решетки. В этот период наблюдается увеличение плотности дислокаций в локальных объемах до критической величины, которое приводит к повышению микротвердости и предела текучести при одновременном снижении модуля упругости. В течение этого периода еще не возникают грубые полосы скольжения и нарушения сплошности металла (субмикроскопические трещины), которые приводили бы к необратимой повреждаемости металла.

ABC — кривая выносливости (кривая Ве-лера); А'В'С' — линия начала появления субмикроскопических трещин; А'С — линия начала образования микротрещин или линия необратимой повреждаемости (линия Френча); 0К — критическое напряжение усталости, при котором разрушение происходит через NK циклов; JVK — критическое число циклов

На стадии циклического упрочнения появляются первые микротрещины размером ~ 1 мкм за счет накопления несовершенств кристаллической решетки (дислокаций, вакансий) и их движения к границам зерен. Эта стадия характеризуется множественными перемещениями дислокаций, повышением их плотности, формированием самоорганизующихся дислокационных структур и упрочнением материала. Стадия циклического упрочнения заканчивается достижением линии необратимой повреждаемости (линии Френча), на которой размер микротрещин сопоставим с размерами зерен материала. Этим заканчивается период зарождения усталостных трещин.

Перио д зарождения и развития субмикроскопических трещин до микроскопических размеров (область между линиями 3 и 4) - период постепенного увеличения числа поверхностных устойчивых полос скольжения, их расширения, слияния отдельных суб-микротрещин, находящихся в полосах скольжения, в микротрещины, не превышающие размера зерна. В этот период новые объемы материала постепенно вовлекаются в интенсивное пластическое течение, пока вся поверхность материала не покроется большим числом (относительно равномерно расположенных) грубых полос скольжения, фактически являющихся микротрещинами длиной, равной размеру зерна. Окончание этого периода усталости связано с накоплением в материала необратимой повреждаемости и достижением линии Френча (кривая 4).