Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обеспечения надежности и безопасной эксплуатации сооружений и технических устройств наряду с совершенствованием геометрии конструкций включает выбор структуры и свойств материалов, определяемых технологией производства сталей. В последнее время особенное внимание уделяется сталям нового поколения -малоуглеродистым микролегированным сталям, способным при небольшой стоимости и хорошей свариваемости удовлетворять высоким требованиям прочности и трещиностойкости. В производстве подъемно-транспортных машин, строительных конструкций и в трубной промышленности широкое применение находят низколегированные ферритно-перлитные стали контролируемой прокатки. Технология контролируемой прокатки позволила заметно поднять прочностные характеристики стали без потери пластичности. Однако при этом в ферритно-перлитных сталях формируется полосчатая структура, имеющая строение в виде чередующихся ферритных и перлитных слоев, а свойства сталей приобретают анизотропию относительно направления прокатки.
В этих условиях полосчатая структура негативно сказывается на статической, динамической прочности и трещиностойкости сталей в направлении, перпендикулярном плоскости прокатки, являясь причиной возникновения трещин на границах ферритных и перлитных слоев и последующего разрушения. Влияние полосчатой структуры на прочность изделий наиболее заметно в сложнонагруженных элементах конструкций, выполненных из толстостенного проката, работающих в условиях плоскодеформированного напряженного состояния (ПД). При этом вопрос влияния такой структурной анизотропии на зарождение и распространение усталостных трещин, развивающихся в плоскости, нормальной к плоскости прокатки, недостаточно изучен. Формирование представлений о стадийности и механизмах усталостного разрушения полосчатых структур низколегированных сталей является актуальной научной задачей, которую необходимо решить для обеспечения прочности, долговечности и безопасной эксплуатации во многих отраслях машиностроения, в том числе при проектировании конструкций грузоподъемных кранов, работающих в условиях интенсивного нагружения.
Цель работы - установить влияние структурных состояний низколегированных ферритно-перлитных сталей после контролируемой прокатки на кинетику усталостного разрушения и долговечность с учетом особенностей развития циклических пластических деформаций и распространения фронта трещин.
В настоящей работе исследована взаимосвязь формы и размеров пластических зон в окрестностях усталостных трещин с характером их развития и кинетикой роста трещин в структурах конструкционных сталей 09Г2С и 10Г2ФБЮ после контролируемой прокатки. Объектом исследования служит явление усталостной повреждаемости на стадии распространения трещин в полосчатых структурах низколегированных ферритно-перлитных сталей.
Задачи исследования:
-
Установить параметры, определяющие показатели неоднородности полосчатых структур проката и учитывающие его структурную и механическую анизотропии в зависимости от состава стали и режима прокатки.
-
Исследовать кинетику развития пластических деформаций и установить закономерности упрочнения и разупрочнения в пластических зонах при усталостном разрушении проката из сталей 09Г2С и 10Г2ФБЮ.
-
Определить параметры кинетики роста усталостных трещин и анализ траекторий их распространения в полосчатых структурах проката с различными параметрами структурной неоднородности.
-
Разработать феноменологическую модель распространения усталостных трещин в полосчатых структурах ферритно-перлитных сталей.
-
Разработать предложения по использованию проката из стали 10Г2ФБЮ, способствующие улучшению эксплуатационных характеристик изделий в условиях интенсивного нагружения по параметрам усталости и динамической прочности.
Научная новизна:
предложены параметры структурной неоднородности для сталей, получаемых способом контролируемой прокатки, позволяющие оценивать влияние таких структур на механические свойства при статических и циклических нагружениях;
показано, что форма и размеры пластической зоны перед фронтом усталостной трещины взаимосвязаны с параметрами полосчатости структуры, характеризующими масштаб полос по отношению к размеру зерна, степень деформации зерна и жесткость полосчатой структуры;
предложен метод исследования распространения фронта усталостных трещин в полосчатых структурах проката посредством пошаговых поперечных срезов трещины и микроструктурного анализа шлифов, позволяющий исследовать расслоение проката в поперечной плоскости;
определен механизм и предложена феноменологическая модель усталостного разрушения полосчатых структур проката, описывающие распространение трещин по границам прослоек структурных составляющих и неметаллических включений при ступенчатом смещении фронта трещины;
показано, что параметры кинетической диаграммы усталостного разрушения, описывающие область средних скоростей роста трещин в сталях с полосчатыми структурами после контролируемой прокатки, зависят от степени макронеоднородности структуры и характера упрочнения стали.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Использование предложенных автором параметров полосчатости структур ферритно-перлитных сталей для установления влияния полосчатой неоднородности структуры на развитие циклических пластических деформаций и разрушение.
-
Морфология зон пластических деформаций при усталостной поврежденное структур низколегированных сталей (типа 09Г2С и 10Г2ФБЮ) с
различными механизмами упрочнения, полученных способом контролируемой прокатки.
-
Феноменологическая модель разрушения полосчатых структур проката, описывающая расслоения по поверхности раздела ферритных и перлитных прослоек вследствие неравномерности формирования пластической зоны, наличия неметаллических включений и действия поперечных напряжений ог при плоскодеформированном состоянии.
-
Зависимости для определения ограниченной долговечности и кинетические зависимости роста трещин от размахов коэффициентов интенсивности напряжений для низколегированных ферритно-перлитных сталей 09Г2С и 10Г2ФБЮ с полосчатыми структурами и стали 10Г2ФБЮ с ферритно-бейнитной структурой.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается: формированием аналитического материала работы на базе современных исследований в области металловедения; описанием процессов разрушения на основе данных комплекса экспериментальных исследований; рассмотрением процесса разрушения в ряде различных состояний и условий нагружения материала; сопоставлением полученных экспериментальных данных с результатами исследований других авторов; подтверждением результатов исследования промышленной апробацией.
Практическая значимость результатов исследования:
- результаты были использованы при выборе стали по показателям
прочности, ограниченной долговечности и трещиностоикости на предприятии
ООО «Стройтехника», Тульская обл., г. Донской (заключение об использова
нии от 18.03.2010).
- предложены параметры количественной оценки полосчатости структур
ферритно-перлитных сталей, позволяющие расширить классификацию, норми
руемую государственным стандартом качественной оценкой;
получены кинетические зависимости усталостного разрушения и другие механические характеристики стали 10Г2ФБЮ в различных структурных состояниях и условиях нагружения, представляющие собой важную информацию для проектирования конструкций из подобных материалов;
результаты исследования нашли применение в учебном процессе для студентов различных уровней подготовки: бакалавра, магистра и специалиста -по курсу дисциплины «Конструкционная прочность» (спец. 190100).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: I Международная конференция «Деформация и разрушение материалов - DFM2006» (Москва, 2006); Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008); IV Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2008); IV Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009); XLVIII Международная конференция, посвященная памяти М.А. Криштала «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009); III Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
(Москва, 2009); V Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2010).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, включая 6 статей в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 2 - в сборниках трудов и материалов различных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературных источников из 114 наименований изложенных на 173 страницах машинописного текста, включая 75 рисунков, 14 таблиц и приложение.
Автор выражает благодарность кафедре «Физика металлов и материаловедение» ТулГУ за предоставленные технические возможности и участие в дискуссиях по настоящей работе.
