Чура М.Н.

Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (Новороссийск)

Влияние содержания углерода на место зарождения малых трещин в микроструктуре углеродистых сталей

Углеродистые стали нашли широкое применение в судовых и гидротехнических конструкциях и сооружениях. Элементы судовых конструкций зачастую подвержены циклическим нагрузкам, поэтому для морского транспорта особенно актуальны исследования, связанные с усталостными явлениями. Основным фактором классификации углеродистых сталей является содержание углерода, который в виде цементита (соединение железа с углеродом, карбид железа Fe₃C), совместно с ферритом (твердый раствор внедрения углерода в α-железе), образует фазу перлита. Для инженерных расчетов достаточно использовать значение предела выносливости стали (σ_R), что представляет собой максимальную амплитуду напряжений, при которой еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний [1]. Зависимость σ_R от содержания углерода в стали, составленная по данным справочников [1-3], показана на рисунке 1.

Рис. 1 Зависимость предела выносливости (σ_R) от содержания углерода в стали, при испытаниях на изгиб с асимметрией цикла R = -1 и частотой f=50 Гц

Более детальное описание явления усталости требует постадийное изучение процесса усталостного разрушения: зарождение малых трещин, их развитие вплоть до появления макротрещины, развитие макротрещины вплоть до разрушения. Целью данной работы является оценка влияния содержания углерода в стали на место зарождения трещин в микроструктуре.

Стадия зарождения малых трещин была изучена на примере следующих углеродистых (доэвтектоидных) сталей: Ст 05 (0,05%C); Сталь20 (0,18%C); Сталь45 (0,47%C), микроструктура которых показана на рисунке 2.

Рис. 2 Микроструктура углеродистых сталей

а) Сталь 05; б) Сталь 20; в) Сталь 45; г) Сталь 60

Образцы из данных материалов нагружались при помощи испытательной машины МУИ-6000, в условиях чистого изгиба вращением, при напряжениях, соответствующих статическому пределу текучести данной стали (σ_Т). Испытание проводилось до зарождения малых трещин. Их размер и расположение в микроструктуре определялись при помощи металлографического микроскопа ММУ-3 и анализатора изображения.

По результатам эксперимента максимальный размер малых трещин, зародившихся в Сталь 05, составил 21 мкм, Сталь 20 – 34 мкм, Сталь 45 – 38 мкм. Угол ориентации этих трещин относительно оси приложения нагрузки составил 40-90 °, что по-видимому связано с ориентацией кристаллической решетки в теле зерна, его геометрией и местом зарождения трещины на границах зерен. Процентное соотношение количества трещин в фазах микроструктуры, за исключением трещин, зародившихся от концентраторов напряжений, во включениях и на их границах, показано гистограммами на рисунке 3 (а, б, в).

Рис. 3 Процентное соотношение количества трещин, зародившихся в различных фазах микроструктуры а) Сталь 05; б) Сталь 20; в) Сталь 45; г) диаграмма изменения количества трещин в фазах микроструктуры, в зависимости от содержания углерода.

на рисунке: ТФЗ – тела ферритных зерен; ТПЗ – тела перлитных зерен, ГЗФП – границы зерен феррит-перлит; ГФЗ – границы ферритных зерен

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что в однофазной Сталь 05 предпочтительным местом зарождения трещин являются тела ферритных зерен (68 %), в двухфазных Сталь 20 – тела ферритных зерен (44 %), Сталь 45 – тела перлитных зерен (69 %). То есть количество трещин в той или иной фазе (границах фаз) изменяется согласно содержанию этой фазы в микроструктуре (рис.3, г). А размер зародившихся трещин зависит от размера зерен в микроструктуре этих сталей. Н. Нарасайях [4] и М. Занг [5] считали, что зарождение трещин в телах зерен является результатом столкновения полос скольжения с границами зерен, где границы зерен выступают в качестве микроструктурного барьера на пути развития полос скольжения.

В результате исследований, установлено, что количество трещин, проходящих через микроструктурные фазы (феррит и перлит), пропорционально объему фракции этих фаз в материале и трещины имеют тенденцию зарождаться в телах зерен фаз, доминирующих в микроструктуре исследуемых углеродистых сталей.

Литература

1. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник в 2т./ В.Т. Трощенко, Л.А. Сосновский/ Т.1 – Киев: Наук. думка, 1987 – 509с.

2. Сопротивление материалов деформированию и разрушению: Справ. пособие: В 2т./ В.Т. Трощенко, А.Я. Красовский, В.В Покровский, Л.А. Сосновский, В.А. Стрижало/ Т.1 – Киев: Наук. думка, 1993 – 288с.

3. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие: В 4т./ Под общей ред. Панасюка В.В./ Т.3 Характеристики кратковременной трещиностойкости материалов и методы их определения/ Ковчик С.Е., Морозов Е.М. – Киев: Наук. думка, 1988 – 436с.

4. N. Narasaiah, K.K. Ray, Initiation and growth of micro-cracks under cyclic loading, Mater. Sci. Eng. A 474 (2008) 48–59.

5. M. Zhang, P. Yang, T. Yuxu, Int. J. Fatigue 21 (1999) 823–830.