*99702*

Максимов А. Б.

Керченский государственный морской технологический университет,

Шевченко И.П., Стеценко А.Т.

ОАО судостроительный завод «Залив», Керчь

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ В СТАЛИ С НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ

Введение. В ряде работ [1, 2] исследовано влияние неоднородной структуры материала на характер разрушения. Показано, что созданные целенаправленно локальные участки структуры с отличными от матрицы механическими свойствами способны отклонять направление распространения трещины. Характер отклонения направления движения трещины зависит от соотношения прочностных свойств локальных участков и матрицы.

Рассматривая феноменологический аспект разрушения неоднородного материала физическая сторона вопроса требует дальнейших исследований.

Целью настоящей работы является анализ известных экспериментальных результатов и предложить возможный механизм разрушения неоднородного материала.

Материал и методика исследования.

В качестве материала исследования использована горячекатаная листовая сталь ВСт3сп толщиной 2 мм. Образцы размером 200 × 60 × 2 мм подвергали различным видам термической обработки: нагрев в электропечи до температуры 900⁰С с последующим охлаждением на воздухе, воде, между стальными пластинами (контактное охлаждение), и в специальной установке до комнатной температуры.

В специальной установке охлаждение проводилось с двух сторон между медными цилиндрами.

Механические свойства образцов определяли при испытаниях на твердость по Виккерсу с нагрузкой 10кГ (100 Н), на растяжение до разрушения с определением временного сопротивления разрыву (испытательная машина).

Для инициирования начала разрушения образцов при испытании на растяжение, в заданном месте образца наносился V-образный надрез глубиной 3 мм с радиусом закругления 0,5 мм.

Результаты работы.

В таблице 1 представлены механические свойства образцов. На рис. 1 представлены фотографии образцов разрушенных при испытании на растяжение. Видно, что трещина изменяет свою траекторию движения при подходе к области упрочнения (штриховая линия на рис. 1а). В случае однородной структуры трещина распространяется в направлении, перпендикулярном растягивающим напряжениям, т.е. горизонтально без существенных отклонений от первоначальной траектории (рис. 1б).

При локальном охлаждении образцов вследствие небольшой скорости охлаждения матрицы и ускоренного охлаждения участков возникают зоны сжатия и растяжения. Зонам сжатия соответствуют участки ускоренного охлаждения, а зонам растяжения – области вокруг них.

Известно [3], что области растяжения являются предпочтительными местами распространения трещины и избегают областей сжатия. Поэтому трещина, распространяясь в области растяжения, может обходить области сжатия.

В ряде работ [4, 5] показано, что скорость акустических волн в стали зависит от структуры, в частности, от дисперсности феррито – перлитной структуры. С увеличением диаметра зерна феррито - перлитной структуры скорость упругих волн возрастает.

В нашем случае ускоренно охлажденные участки стали имеют более дисперсную структуру по сравнению с охлаждением на воздухе. Поэтому следует ожидать, что скорость упругих волн в неупрочненных участках будет больше, чем в упрочненных.

Возможный механизм огибания трещиной участков сжатия состоит в следующем.

Таблица 1

Механические свойства образцов

Вид термической обработки	Твердость, Нv	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести, МПа
Нормализация	115	375	275
Охлаждение в воде	198	558	382
Контактное охлаждение	157	467	333
Контактное локальное охлаждение	135	-	-

Рис. 1. Образцы после разрушения на растяжение

а – контактное локальное охлаждение (штриховая линия – место контакта);

б – после нормализации.

- направление распространения трещины

- направление растягивающих усилий при растяжении

В устье трещины сосредоточена большая концентрация упругой энергии, которая может рассеиваться по всем направлениям. Движение трещины обусловлено переходом упругой энергии в устье трещины в поверхностную [6]. Поэтому наличие упругой энергии является определяющим фактором в продвижении трещины.

Скорость распространения упругой энергии равна скорости акустических продольных колебаний в материале (С). За упругой волной движется волна пластической деформации со скоростью ≈(0,6-0,8)С. Трещина движется за волной пластической деформации со скоростью ≈(0,3-0,4)С.

Показано, что наличие остаточных растягивающих напряжений способствует повышению скорости распространения упругой волны, а сжатия – уменьшению. Уменьшение скорости упругих волн обусловлено повышением волнового сопротивления. Поэтому плотность упругой энергии в растянутых областях будет больше, чем в сжатых. Вследствие этого трещина пойдет по направлению распространения большей плотности упругой энергии, а это значит, будет огибать участки сжатия.

Заключение.

Предложен механизм огибания трещиной локальных участков материала, в которых скорость распространения упругих волн меньше, чем в матрице. Это может служить основанием для создания материала, в котором можно будет целенаправленно задавать направление распространения трещины.

Список литературы.

1. Максимов А.Б. Термически армированный толстолистовой прокат из низколегированных сталей./Вопросы материаловедения.-2010-№3(63)-С.40-44.

2. Патент України на корисну модель №63929./Максимов А.Б. Спосіб зміцнення листового прокату. Опубл.:25.10.11. Бюл. №20.

3. Хол. У.Дж. Хрупкие разрушения сварных конструкций./Пер. с анг. У.Дж. Хол, Х. Кихара, В. Зут, А. А. Уэллс-М.: Машиностроение-1974-320с.

4. Муравьев В.В. Скорость звука и структура сталей и сплавов./В. В. Муравьев, Л.Б. Зуев, К.Л. Комаров – Новосибирск –Наука-1996-184с.

5. Наумкин Е.А., Юмаева Э.Р. Изменение скорости ультразвука в стали 09Г2С при различных режимах термообработки.//Сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения».-Уфа: Издательство УГНТУ-2007-№21-С. 70-73.

6. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения./ М.: Металлургия-1977-360с.