К.т.н. Баранов В.П.

Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого, Россия

Оценка влияния остаточных напряжений первого рода на зарождение разрушения в деформированных высокопрочных сталях

Для высокопрочных сталей, как известно, характерны значительные остаточные напряжения первого рода (, - условный предел текучести), различные как по знаку, так и по характеру распределения, которые связаны с предварительной термомеханической обработкой и использованием защитных покрытий. Установлено [1], что в поверхностных слоях деталей после закалки, поверхностного наклепа, азотирования и цементации действуют значительные сжимающие напряжения с максимумом у поверхности, что приводит к повышению усталостной прочности деталей. Аналогичный характер остаточных осевых напряжений экспериментально наблюдали на цилиндрических образцах после механической обработки отожженной и закаленной среднеуглеродистой стали 40Х [2]. Опыты показали, что в результате обкатки в поверхностных слоях образцов возникают остаточные напряжения сжатия с максимумом 160 Кг/мм² на глубине 18 мк (напряжение на поверхности около 50 Кг/мм²), которые по сечению образца уменьшаются и на глубине » 250 мк постепенно переходят в напряжения растяжения. Таким образом, в исходном состоянии у поверхности образца на глубине имеется локальная область с максимальным уровнем остаточных растягивающих напряжений , которые суммируются с приложенным напряжением , то есть в окрестности точки общее растягивающее напряжение составит = + .

Оценку влияния остаточных напряжений на зарождение разрушения или развитие уже имеющихся в области действия пиковых напряжений дефектов проведем в зависимости от величины приложенного напряжения при условии, что . При этом возможны следующие типичные ситуации.

1) < < < , где - пороговое растягивающее напряжение, инициирующее процесс замедленного разрушения, определяемое по формуле [3]:

. (1)

Здесь - ориентационный фактор Шмида, - модуль сдвига, - “параметр блокировки”, характеризующий вклад границ зерен в упрочнение (торможение дислокаций), - мощность дислокационного скопления, - размер зерна.

В этом случае в области действия максимальных растягивающих остаточных напряжений произойдет зарождение нераспространяющихся субмикротрещин протяженностью ( - вектор Бюргерса) и шириной и, как следствие, релаксация напряжений в этой области. Поврежденность материала изменяется при этом незначительно и практически не влияет на его прочность.

Если же в области действия напряжения уже имеется трещина длиной , то возможность ее самопроизвольного роста определяется из условия > , где - критическое напряжение, которое можно найти по уравнению Гриффитса-Орована [4]:

= . (2)

Здесь - модуль упругости, - истинная удельная поверхностная энергия, которая для металлов составляет около 10³ эрг/см³; - энергия пластической деформации, которая в подавляющем числе случаев на два-четыре превышает .

Проведем по формуле (2) оценку длины дефекта, представляющего опасность хрупкого разрушения, при типичных для арматурных сталей повышенной и высокой прочности значениях параметров: = 2,9, =7,87×10⁴ МПа, = 30, = 2,8×10³ Кг/см^3/2, = 10^-4 см, = 10³ Мпа. Из формулы (1) найдем: = 571,1 МПа » 0,57×. Примем = 0,4, = , = 210⁶ эрг/см³, = 2110⁴ МПа. Тогда при = = 0,6 из формулы (2) следует, что 0,8 мм, то есть, если приложено напряжение ниже порогового, то имеющийся в области действия максимальных растягивающих остаточных напряжений дефект будет представлять опасность хрупкого разрушения только в случае его макроскопического размера.

2) < , где - предел прочности. Превышение в локальной области предела текучести суммарным воздействием приложенного и растягивающего остаточного напряжений приводит к зарождению в ней субмикротрещин, субкритический рост и коалесценция которых может привести к образованию магистральной трещины. При достижении последней критической длины осуществляется переход к быстрой стадии разрушения (нестабильному росту трещины).

При совместном воздействии на металл растягивающего напряжения и агрессивной среды зарождение разрушения в области действия остаточных напряжений происходит при более низком уровне приложенного напряжения. В водородсодержащей среде пороговое растягивающее напряжение, инициирующее процесс замедленного разрушения, определяется по формуле [5]: ,

где , - макроконцентрация водорода в металле, - коэффициент эффективного декогезионного действия водорода в трещинообразующей (сверх)дислокации, - константа равновесия распределения водорода между регулярным твердым раствором и ловушками в процессе диффузии. При = 1,75×10⁶ см×моль^-1×Па, = 10¹⁰ см², = 0,18 см³/100 г Me имеем: » 376 Мпа, то есть = 0,66×.

Приведенные оценочные расчеты указывают на необходимость учета уровня и характера распределения остаточных напряжений первого рода в высокопрочных сталях при разработке модели их замедленного разрушения в инактивных и водородсодержащих средах.

Литература:

1. Похмурский В.И., Карпенко Г.В. Характер распределения остаточных напряжений первого рода в поверхностных слоях сталей и сплавов с защитными покрытиями // ФХММ. – 1968. - № 4. – С. 381 – 383.

2. Луцив М.Ф., Рябов Б.Ф., Хитаришвили М.Г., Бабей Ю.И. О перераспределении остаточных напряжений первого рода в цилиндрических образцах с упрочненным поверхностным слоем // ФХММ. – 1968. - № 4. – С. 396 – 399.

3. Баранов В.П. Определение пороговых напряжений при замедленном разрушении высокопрочных сталей в инактивных и водородсодержащих средах / Мат-лы III Междун. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы современных наук: теория и практика – 2006». Т. 21. Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование. – 2006. – С. 33 – 36.

4. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. – М.: Металлургия. - 1984. - 280 с.

5. Баранов В.П. Кинетика образования субмикротрещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей в водородсодержащих средах // Известия Тульского государственного университета. - Серия Математика. Механика. Информатика. – Тула: ТулГУ. – 2005. – Т. 11. – Вып. 3. – С. 41 – 50.