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

Оценка локального напряженного состояния материала у вершины трещины имеет принципиальное значение, например, при испытании материалов на статическую трещино-стойкость (К_1С), 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_max к толщине образца или детали t, то есть h_max/t. При разрушении материалов в условиях плоской деформации (ПД) отношение h_max/t<10^-2; в условиях плоского напряженного состояния (ПН) – отношение h_max/t>10^-1; в переходной области от ПД к ПН, отношение 10^-2max/t<10^-1. Однако остается открытым вопрос о возможности использования критерия h_max/t при исследова- Клевцов Геннадий Всеволодович, доктор технический наук, профессор кафедры нанотехнологий, материаловедения и механики (НМиМ) ТГУ.

нии наноструктурированных материалов c УМЗ структурой.

Целью настоящей работы является установление связи критерия локального напряженного состояния материала hmax/t 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 – аустенитную сталь AISI 321 (0,06 % С; 1,2 % Mn; 17,5 % Cr; 9,4 % Ni; 0,48 % Ti) и алюминиевый термически упрочняемый сплав АК4-1 (2,48 % Cu; 0,21 % Si; 1,47 % Mg; 1,16 % Fe; 1,06 % Ni; 0,057 % Mn; 0,082 % Cr; 0,056 % Ti).

УМЗ состояние стали 10 было получено путем равноканального углового прессования (РКУП) при температуре 200 ºС, количество проходов n=4, с поворотом образца вокруг оси на 90º (маршрут Bc). Угол пересечения каналов инструмента составлял ф = 120°. Средний размер зерна стали 10 в УМЗ состоянии составил dср.= 300 нм. Сталь 45 с КЗ структурой исследовали в исходном состоянии (после закалки + высокого отпуска при 550 ºС) (dср.= 10 мкм). УМЗ состояние стали было получено путем РКУП по режиму: закалка + РКУП при 350 °С, n=6, ф = 120° (dср.= 560 нм). Аустенитную сталь AISI 321 исследовали как в исходном (горячекатанном) состоянии, так и после РКУП при 20 °С, n=4, маршрут Bc, ф = 120° (dср.= 300 нм). Алюминиевый сплав АК4-1 исследовали в двух состояниях: в исходном состоянии (после стандартной обработки Т6 (закалка + старение) и после РКУП. Стандартная обработка (Т6) включала в себя нагрев до температуры 530 ºС, закалку в воде и старение при температуре 190 ºС в течение 7 часов, охлаждение на воздухе. Для получения УМЗ структуры сплав подвергали РКУП при температуре 160 ºС, n=6, φ=90º(dср.= 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 дифрактометре ДРОН-2.0 в Fe и Со K α 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/(K1С/σ0,2)2 ≥ 2,5 во всех случаях, кроме стали AISI 321, удовлетворяет условию ПД. Од- нако критерий hmax/t, 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 hmax/t<10-2 с известным критерием механики разрушения t/(K/σ0,2)2 ≥2,5 (рис. 1).

Из приведенного рисунка видно, что критерий механики разрушения t/(K/ σ _0,2)² ≥2,5, используемый для оценки условия ПД (на графике отмечен пунктирной линией), является менее жестким, чем предложенный критерий h_max/t<10^-2 и соответствует средней части переходной области от ПД к ПН. Критерий оценки локального напряженного состояния материала h_max/t, основанный на анализе глубины пластических зон под поверхностью изломов, даёт возможность уточнить известный критерий механики разрушения t/(K/ σ _0,2)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: t/(K_1С/ σ _т)² ≥5, а для материалов с ГЦК-решеткой – в виде: t/(K_1С/ σ _0,2)² ≥10.

Таблица 1. Трещиностойкость (К_1С, К_С) исследуемых материалов и отношение h_max/t

Рис. 1. Экспериментально установленная связь критериев h_max/t и t/(K_1с(К_с)/ σ ₀₂)² для материалов с ОЦК решеткой (темные точки), ГЦК решеткой (светлые точки) при испытании на статическую трещиностойкость.

Пунктиром отмечен критерий t/(K_1С/ σ _0,2)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 – AISI 321 (РКУП)

^max ^

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 hmax/t, где hmax – максимальная глубина пластической зоны под поверхностью изломов; t – толщина образца или детали.

При испытании наноструктурированных материалов с УМЗ структурой на статическую трещиностойкость (K1С), оценку условия плоской деформации (ПД) по критерию механики разрушения t/(K1С/σ0,2)2 необходимо проводить с учетом типа кристаллической решетки материала. Для материалов с ОЦК решеткой условие ПД реализуются при t/(K1С/σт)2 ≥5, а для материалов с ГЦК решеткой – при t/(K1С/σ0,2)2 ≥10.