Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных данных по влиянию внутренних и внешних факторов на замедленное хрупкое разрушение стали 12
1.1 Природа замедленного разрушения стали 12
1.2 Воздействие водорода 16
1.3 Влияние охрупчивающих примесей на сопротивление стали хрупкому, в том числе замедленному разрушению 19
1.4 Влияние микролегирования стали бором на склонность к замедленному разрушению 33
1.5 Методики определения склонности стали к замедленному разрушению 34
1.5.1 Виды испытаний и используемые образцы 34
1.5.2 Методы регистрации зарождения трещины 36
1.5.3 Устройства для испытаний на замедленное разрушение 38
1.6 Основы метода конечных элементов 41
2. Разработка методики оценки локальных напряжений в зоне зарождения трещины на основе применения метода конечных элементов 48
2.1 Построение сетки конечных элементов, моделирующей стандартный образец с концентратором напряжений 48
2.2 Моделирование напряженно-деформированного состояния стандартного образца с концентратором напряжений при испытаниях на замедленное разрушение методом конечных элементов 51
2.3 Материалы и методика испытания стальных образцов на замедленное хрупкое разрушение 58
2.4 Разработка методики определения сопротивления замедленному разрушению стальных деталей с концентраторами напряжений 64
3. Влияние концентрации напряжений на характеристики локального замедленного разрушения стали 67
3.1 Влияние степени концентрации напряжений на характеристики локального замедленного разрушения стали вызванного остаточными внутренними микронапряжениями 67
3.2 Сравнение результатов испытаний на замедленное разрушение при трехточечном и сосредоточенном изгибе образцов типа Шарпи 70
3.3 Влияние степени концентрации напряжений на характеристики локального замедленного разрушения стали вызванного воздействием водорода из внешней среды 73
4. Оценка влияния внутренних факторов на процесс локального замедленного разрушения стали с помощью метода конечных элементов 77
4.1 Количественная оценка влияния остаточных внутренних микронапряжений на процесс локального замедленного разрушения мартенситной стали после закалки и отдыха 78
4.2 Количественная оценка влияния примеси фосфора на процесс локального замедленного разрушения мартенситной стали после закалки и отдыха 81
4.3 Разделение влияния содержания примеси фосфора и времени отдыха стали на пороговое локальное напряжение 86
4.4 Зависимость критического локального растягивающего напряжения от размера исходного аустенитного зерна при активном нагружении закаленной cтали 91
4.5 Количественная оценка влияния величины исходного аустенитного зерна мартенситной стали, при разных уровнях остаточных микронапряжений, на сопротивление стали локальному замедленному разрушению в условиях наводороживания 94
5. Кинетика замедленного локального разрушения стали 104
5.1 Кинетика термофлуктуационного локального замедленного разрушения закаленной стали 105
5.2 Зависимости локальных разрушающих напряжений от температуры испытания и скорости нагружения при замедленном разрушении стали 110
5.3 Установление влияния температуры испытаний и скорости нагружения на характеристики локального замедленного разрушения 113
5.4 Переход от локального замедленного разрушения к хрупкому разрушению сколом 117
Заключение 122
Список литературы 127
- Влияние охрупчивающих примесей на сопротивление стали хрупкому, в том числе замедленному разрушению
- Моделирование напряженно-деформированного состояния стандартного образца с концентратором напряжений при испытаниях на замедленное разрушение методом конечных элементов
- Сравнение результатов испытаний на замедленное разрушение при трехточечном и сосредоточенном изгибе образцов типа Шарпи
- Количественная оценка влияния примеси фосфора на процесс локального замедленного разрушения мартенситной стали после закалки и отдыха
Влияние охрупчивающих примесей на сопротивление стали хрупкому, в том числе замедленному разрушению
В работе Бетехтина В.И. и Кадомцева А.Г. [12] так же, как и в работе Баранова В.П. [10] кинетика разрушения рассматривается как многостадийный процесс. На начальной стадии происходит локализация деформации в размере 5 % от общей деформации. На основной стадии происходит взрывное накопление зародышевых микротрещин и их коалесценция - при вязком разрушении, или развитие - при хрупком разрушении.
Далее разрушение в зависимости от пластичности материала развивается по двум различным механизмам. В случае высокой пластичности образуются затупленные порообразные микронесплошности и разрушение происходит в случае их слияния и достижения критического локального разупрочнения. В случае разрушения непластичного материала образуется большое количество не сливающихся зародышевых микротрещин. Разрушение происходит, когда одна из них достигнет критического локального напряжения. При изучении развития трещин важное значение имеет анализ свойств приповерхностных слоев, так как зарождение трещин происходит преимущественно в этих областях [12].
В работах [5, 17-24] к основным факторам, влияющим на замедленное разрушение материалов, относят наличие сегрегаций охрупчивающих примесей и остаточных внутренних микронапряжений. Установлено, что замедленное хрупкое разрушение может проходить и в высокочистой по примесям стали [25]. М.Р. Орлов, О.Г. Оспенникова и В.И. Громов [26] исследовали фрагмент разрушившейся оси вантовой поддержки кровли спорткомплекса «Крылатское» из стали 38ХН3МА. Разрушение произошло в условиях, характерных для замедленного разрушения, статической нагрузки значительно ниже предела текучести стали 38ХН3МА. При исследовании места разлома был выявлен межзеренный рельеф. По мере роста трещины, интеркристаллитный механизм излома периодически изменялся на хрупкий транскристаллитный квазискол, что свидетельствует о наличии в структуре стали бейнита. По результатам исследования были выявлены следующие причины разрушения: металлургический дефект в виде порообразной полости в центральной зоне заготовки, наличие водорода в структуре излома, объемные остаточные напряжения, возникшие в результате распада остаточного аустенита в процессе высокотемпературного отпуска. Также было выявлено образование промежуточной структуры аустенита – бейнита, являющегося причиной бейнитной хрупкости. Визуально это можно было наблюдать как участки хрупкого транскристаллитного квазискола. Бейнит возник из-за недостаточной прокаливаемости стали 38ХН3МА.
Особое место среди причин возникновения замедленного хрупкого разрушения занимает водород [27]. Водород присутствует в стали в междоузлиях кристаллической решетки в виде атомов в твердом растворе, либо в порах (коллекторах водорода) в молекулярной форме. В коллекторах водород способен создавать высокое внутреннее давление и пластически деформировать металл. Такой водород вызывает необратимую водородную хрупкость, что повышает плотность дефектов. Появление водородной хрупкости сопровождается резким уменьшением пластичности стали как при статических, так и при ударных испытаниях, однако это не влияет на возникновение замедленного хрупкого разрушения [27]. Водород в кристаллической решетке вызывает обратимую хрупкость, которая сопровождается снижением пластичности при уменьшении скорости испытания или при постоянном напряжении. Это связывают с тем, что под нагрузкой в областях с повышенным напряжением происходит перераспределение водорода, даже в случае испытания при комнатной температуре [28]. Ни одна примесь не обладает такой подвижностью при комнатной температуре как водород. Фосфор, сера, сурьма и др. остаются в том положении, которое заняли при высокотемпературной термической обработке и не обладают подвижностью в отличие от водорода [29, 30]. Замедленное разрушение под воздействием водорода происходит при таких его концентрациях, которые не вызывают видимого изменения свойств, при стандартных испытаниях образцов [27]. Проанализировав экспериментальные данные, авторы [28], сделали вывод о том, что склонность стали к замедленному разрушению под воздействием водорода можно оценить критической концентрацией водорода, выше которой происходит разрушение и нижним пороговым напряжением, ниже которого замедленного разрушения не происходит. Нижние пороговые напряжения стремятся к постоянной величине, которой можно характеризовать склонность стали к замедленному разрушению.
Рост трещины происходит по следующему механизму: сначала в области вершины трещины накапливается водород, затем под действием статической нагрузки при критической концентрации водорода происходит рост трещины на расстояние равное области обогащенной водородом. Затем тот же процесс повторяется снова, вплоть до момента, когда размеры трещины достигнут критических [29, 31]. Перемещается водород к вершине трещины при малых и больших напряжениях по различным механизмам: в первом случае путем восходящей диффузии, а во втором – транспортировкой подвижными дислокациями [29, 30]. Существует много мнений о способе транспортировки водорода к области объемного растяжения: посредствам давления молекулярного водорода [32], декогезией решетки [31, 33, 34], факторами адсорбции [35]. Мнений о механизме распространения трещины также много, но все эти мнения сводятся к двум общим способам: зарождение нескольких трещин и их слияние, и за счет разрыва межатомных связей в вершине трещины при достижении критического локального напряжения [28].
Моделирование напряженно-деформированного состояния стандартного образца с концентратором напряжений при испытаниях на замедленное разрушение методом конечных элементов
К ним относятся такие программы как: ANSYS, MARC, DINA, NASTRAN, COSMOS/M, APMWinMashine, ЛИРА, ПРИНС. Программы МКЭ используют следующий алгоритм работы: 1. Идеализация характеристик конструкции или выбор расчетной схемы. 2. Построение матриц жесткости отдельных элементов в местных системах координат. 3. Преобразование матриц жесткости всех элементов в общую систему координат. 4. Формирование системы алгебраических уравнений равновесия. 5. Решение системы уравнений. 6. Вычисление деформации по известным перемещениям узлов и вычисления напряжений по известным деформациям. Выводы по главе 1
1. Изучение литературных источников показало, что физическая природа замедленного хрупкого разрушения связана с наличием остаточных внутренних микронапряжений, являющихся следствием образования мартенсита в результате закалки стали. Водород также является инициатором замедленного разрушения стали. К факторам, повышающим склонность стали к замедленному разрушению относятся сегрегации охрупчивающих примесей (серы, фосфора, сурьмы).
2. На склонность стали к замедленному разрушению влияют внешние факторы: температура, скорость нагружения, уровень приложенной статической нагрузки, геометрия образцов и концентраторов напряжений. Склонность к замедленному разрушению, как правило, оценивают по величине порогового номинального напряжения, определяемого методами сопротивления материалов и не учитывающего локальное (истинное) напряжение в месте зарождения трещины при замедленном разрушении [73].
3. В настоящее время отсутствуют методы, позволяющие по результатам испытаний образцов на замедленное разрушение прогнозировать пороговые нагрузки для стальных изделий [73].
4. Дальнейший прогресс в изучении закономерностей замедленного разрушения может быть достигнут на основе изучения условий замедленного разрушения как локального процесса, зависящего от внутренних и внешних факторов. Для этого необходимо создание управляемых и контролируемых условий зарождения трещины по механизму замедленного разрушения. Управляемость этих условий может быть достигнута применением концентраторов напряжений различных геометрий, а контролируемость применением метода математического моделирования напряженно деформированного состояния в зоне зарождения трещины – метода конечных элементов [73].
Полагали, что использование образцов с концентраторами напряжений дает ряд преимуществ, одним из которых является уменьшение разброса разрушающих напряжений, что связано с локализацией максимальных растягивающих напряжений. Контролируемость напряженного состояния перед надрезом дает возможность определения максимальных локальных растягивающих напряжений в зоне зарождения трещины методами механики разрушения [74-76]. Использование образцов с надрезом позволит перейти от качественных сравнительных оценок к определению количественных характеристик замедленного разрушения, которые отражают склонность к замедленному разрушению непосредственно стали (а не образца из этой стали) и независящих от геометрии образца, надреза и способа приложения нагрузок. Для определения максимальных локальных растягивающих напряжений в зоне зарождения трещины при замедленном хрупком разрушении стальных образцов с надрезом использовали метод конечных элементов.
Сравнение результатов испытаний на замедленное разрушение при трехточечном и сосредоточенном изгибе образцов типа Шарпи
Кривые замедленного разрушения стали 18Х8Х2Н4при чистом и сосредоточенном изгибе образцов с надрезом в координатах: время до регистрации трещины - номинальные напряжения он и время до регистрации трещины - максимальное локальное растягивающее напряжение в зоне зарождения трещины оп
В результате эксперимента было установлено, что время до регистрации трещины при одном и том же номинальном напряжении различается для случая сосредоточенного и чистого изгиба. Также из эксперимента следует, что значение пороговых номинальных напряжений выше при сосредоточенном изгибе, чем при чистом изгибе. Таким образом, способ нагружения в значительной мере влияет на значения номинальных пороговых напряжений. В связи с этим, была поставлена задача исключить фактор способа нагружения на уровень пороговых напряжений при замедленном разрушении. На основании результатов полученных в разделе 3.1, согласно которым, пороговое локальное растягивающее напряжение не зависит от фактора концентрации напряжений (геометрии надреза), с помощью метода конечных элементов, номинальные напряжения были пересчитаны в максимальные локальные растягивающие напряжения. В результате была построена зависимость T=f(v11max), представленная на рисунке 3.2. Анализ полученной кривой замедленного разрушения показывает, что в координатах T=f(cr11max) время до регистрации трещины при одном и том же (т11ma x не зависит от способа нагружения. Также из рисунка 3.2 следует, что значение порогового локального растягивающего напряжения также не зависит от способа приложения нагрузки (сосредоточенный или чистый изгиб).
Таким образом, в результате пересчета кривых замедленного разрушения в координатах: время до регистрации трещины - номинальные напряжения в координаты: время до регистрации трещины - максимальное локальное растягивающее напряжение было показано, что пороговое локальное разрушающее напряжение не зависит от способа нагружения. В разделе 3.1 было показано, что пороговое локальное растягивающее напряжение не зависит от фактора концентрации напряжений. В итоге можно сделать вывод, что можно исключить влияние таких внешних факторов как концентрация напряжений и способ нагружения путем определения порогового локального растягивающего напряжения с помощью метода конечных элементов. Такая характеристика описывает сопротивление непосредственно стали, в данном структурном состоянии, замедленному разрушению и, соответственно, может быть использована при расчете системы допустимых (пороговых) нагрузок на исследуемую деталь с концентраторами напряжений [77, 79, 90]. Пороговое локальное максимальное растягивающее напряжение может явиться «инструментом» для оценки влияния внутренних факторов на замедленное разрушение стали. 3.3 Влияние степени концентрации напряжений на характеристики локального замедленного разрушения стали вызванного воздействием водорода из внешней среды
Испытания на ЗХР заключались в нагружении образцов с различными концентраторами напряжений (надрезами) до заданного уровня нагрузки при одновременном насыщении их водородом и определении времени до зарождения трещины [77, 91]. По результатам испытаний строились кривые замедленного разрушения в координатах: логарифм времени до зарождения трещины (/иг) - номинальное напряжение ( тн), положение которых зависело от остроты надреза (рис. 3.3 и3.4).
Расчет бцтах методом конечных элементов и построение кривых замедленного разрушения в координатах: Ьгт - аитаХ позволили установить, что пороговые аи х для кривых, соответствующих различным концентраторам напряжений, совпадают (рис. 3.3 и 3.4). Повышение концентрации водорода в зоне зарождения трещины приводит к снижению уровня порогового аи х (рис. 3.4, кривые 3,4 по сравнению с 1,2).
Изучение условий локального разрушения стальных образцов с надрезом (40Х, 18Х2Н4ВА), охрупченных водородом (рис. 3.3 и 3.4) и находящихся под действием статической нагрузки, показало, что в условиях плоской деформации, равновесия и не меняющихся внешних условий, таких как температура испытания и активность водорода, вероятность возникновения замедленного хрупкого разрушения определяется только действующим сг11тах.
Обязательным условием протекания процесса замедленного хрупкого разрушения по механизму водородного охрупчивания является совместное действие критических концентраций водорода и напряжений в области локального разрушения. Время достижения критической комбинации соответствует времени до зарождения трещины.
Количественная оценка влияния примеси фосфора на процесс локального замедленного разрушения мартенситной стали после закалки и отдыха
Количественное влияние размера исходного аустенитного зерна на процесс хрупкого замедленного разрушения мартенситной стали в условиях наводороживания недостаточно изучено.
Особое место занимает изучение зависимости пороговых характеристик локального разрушения закаленной стали от величины исходного аустенитного зерна при вызванном водородом замедленном разрушении, в условиях наличия остаточных внутренних микронапряжений.
Целью раздела являлось выявление зависимости структурно-механического параметра локального замедленного разрушения (порогового локального напряжения о-п о! ) мартенситной стали 20С2ГЗН2ХФ с различными уровнями остаточных внутренних микронапряжений от величины исходного аустенитного зерна. Для создания двух состояний модельной стали 20С2ГЗН2ХФ, одно с высоким уровнем остаточных микронапряжений, другое -с низким, были применены два вида термической обработки.
Для этого образцы подвергали низкому отпуску при температуре 100С - 1 час, для получения состояния стали с высоким уровнем остаточных микронапряжений, и при температуре 300С - 1 час, для получения стали с низким уровнем внутренних остаточных микронапряжений.
Проводили испытания призматических стандартных образцов типа Шарпи с концентраторами напряжений в виде острых надрезов.
Испытания на ЗХР проводили на рычажной установке, одновременно осуществляя электролитическое наводороживание по методике, изложенной в главе 2.
В результате испытаний были получены две группы зависимостей времени до регистрации трещины от уровня приложенного момента для случая высокого и низкого уровней остаточных микронапряжений. В каждой группе зависимости времени до регистрации трещины от уровня приложенного момента разделялись на 4 кривые соответственно, для размеров зерна 15, 28, 45, 50 мкм.
Далее, полученные зависимости времени до регистрации трещины от уровня приложенного момента были пересчитаны с помощью метода конечных элементов по методике, изложенной в главе 2 в зависимости: максимальное локальное растягивающее напряжение - время до момента регистрации трещины.
На рисунках 4.10 и 4.11 приведены результаты испытания стали 20С2ГЗН2ХФ на замедленное разрушение при различных размерах исходного аустенитного зерна и различном уровне внутренних остаточных микронапряжений в координатах: время до разрушения - максимальное локальное растягивающее напряжение.
На рисунке 4.12 можно увидеть, что как в случае высокого уровня авн, так и в случае пренебрежимо низких авн при размерах исходных аустенитных зерен более 28 мкм, существует зависимость между пороговым максимальным растягивающим локальным напряжением и da - величиной исходного аустенитного зерна в виде: 0-;н;пор=0-o+kda;/, (4.2) где Go и к - определяемые для соответствующих структурных состояний стали коэффициенты; а"1пор - пороговое максимальное локальное растягивающее напряжение.
Для состояний сталей с различным уровнем остаточных микронапряжений, сравнение зависимостей от da показывает, что при одинаковом размере исходного аустенитного зерна, с увеличением количества внутренних остаточных микронапряжений, уменьшается величина порогового максимального локального растягивающего напряжения. Как известно, при замедленном разрушении водород и внутренние остаточные микронапряжения оказывают охрупчивающее влияние на сталь за счет понижения когезивной прочности границ зерен [107-110]. Однако в этих источниках используют номинальное напряжение, определяемое без учета концентрации напряжений. Поэтому, полагали, что прочность границы исходного аустенитного зерна может быть представлена с помощью характеристик независимых от геометрии концентратора напряжений и образцов, и может быть описано на локальном уровне.
Таким образом, прочность границы зерна может быть представлена в виде выражения: o-F = ст" + Л(7и + AtTm (4.3) Р 1 1n ор Н вп у где Аон - снижение когезивной прочности, связанное с действием водорода; Аавн - снижение когезивной прочности, связанное с внутренними остаточными микронапряжениями. Левая часть выражения характеризует сопротивление сколу границы зерна при активном разрушении, а правая часть - при замедленном разрушении, вызванном действием остаточных внутренних микронапряжений и водорода.
В случае если Аавн пренебрежимо мало, выражение (4.3) выглядит как: aF = al1nop + Аан (4.4) В работе [111] изучали влияние размера исходного аустенитного зерна на скорость роста трещины замедленного разрушения в наводороженной мартенситной стали. Связывали это влияние с увеличением количества остаточного аустенита при повышении температуры и времени выдержки в аустенитной области.
