Влияние магнитного поля на особенности поведения трещин в стали после термической обработки на высокопрочное состояние

Введение. Усталостное разрушение происходит при напряжениях ниже предела прочности, характеризуясь внезапностью и катастрофическими последствиями. Статистические данные свидетельствуют о том, что разрушение при циклическом нагружении является одним из наиболее распространённых видов повреждений материалов, а их работоспособность во многом определяется сопротивлением росту трещин. Кроме уже известных методов достижения высокопрочного состояния, предлагается использовать термическую обработку в магнитном поле (ТОМП). Тем не менее, механизмы изменения поведения трещин после такой обработки и факторы, влияющие на трещиностойкость, всё ещё недостаточно изучены. В связи с этим поставлена цель оценить влияние структуры после ТОМП на кинетические особенности роста усталостных трещин и эффективность образуемых в процессе ТОМП структурных барьеров, препятствующих разрушению стали.

Материалы и методы. Кинетику развития усталостной трещины исследовали при циклических испытаниях призматических образцов на оригинальной установке со специальным стабилизатором амплитуды колебаний. Возникновение и последующее развитие трещины регистрировали методом электропотенциалов. Исследования проводили на сталях, термически обработанных на высокопрочное состояние: сталь 18Х2Н4ВА после закалки на воздухе со структурой мартенсита и сталь 30ХГСА после изотермической закалки при 380 °С на структуру нижнего бейнита. Магнитное поле напряженностью 1,6 МА/м получали в магнитном зазоре электромагнита ФЛ–1.

Результаты исследования. Установлено, что термическая обработка сталей 30XΓCA и 18X2H4BA в магнитном поле напряженностью 1,6 МА/м приводит к заметному снижению скорости распространения усталостных трещин. Отмечено повышение пороговых значений напряжений для расслоения магистральной трещины по отрывному механизму, что свидетельствует о повышении долговечности. При анализе траекторий трещин был выявлен рост показателей их ветвления — увеличение стандартного отклонения углов наклона трещин, а также уменьшение интервала корреляции наклона изгибов трещины относительно среднего положения на 0,5 мкм. Эти изменения обусловлены влиянием магнитного поля на микроструктуру мартенсита, формированием большего числа эффективных барьеров на пути движения трещин, что в итоге сказывается на устойчивости к усталостному разрушению сталей и их механических свойствах.

Обсуждение. Анализ полученных результатов на основе современных теорий прочности и разрушения показал, что механизм вязкого разрушения, который характерен для исследуемых сталей, работает путём зарождения, роста и коалесценции пор. Под действием нормальных напряжений на поверхности микропор оседают вакансии и в результате этого пора постепенно трансформируется в трещину. Наблюдения за трещинами в фольгах показали, что изменение траектории трещины не зависит от вида термической обработки и является случайным процессом.

Заключение. Статистическая обработка опытных данных, полученных в этой работе, позволяет сделать вывод, что после ТОМП формируется структура, обеспечивающая увеличение микроизвилистости трещины с повышенной крутизной изгибов траектории из-за часто встречающихся структурных барьеров. Выявленные особенности поведения трещин положительно характеризуют ТОМП как практический способ создания высокопрочного состояния сталей, применимый для широкого ассортимента марок и не требующий кардинальных изменений в технологии их термической обработки. Повышение трещиностойкости сталей способствует улучшению безопасности различных устройств и техногенных систем, а также снижению их себестоимости и затрат на обслуживание.

1. Gdoutos EE. Fracture Mechanics: An Introduction. Springer Nature Switzerland AG; 2020. 477 p.

2. Yukitaka Murakami. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Academic Press; 2019. 758 p.

3. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Магнитная гетерогенность аустенита и превращения в сталях. Монография. Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет; 2021. 198 с.

4. Пустовойт В.Н., Гришин С.А., Дука В.В., Федосов В.В. Установка для исследования кинетики развития трещины при испытаниях на циклический изгиб. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020;86(7):59–64. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-7-59-64

5. Si Y, Rouse JP, Hyde CJ. Potential Difference Methods for Measuring Crack Growth: A Review. International Journal of Fatigue. 2020;136:105624. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105624

6. Tarnowski KM, Dean DW, Nikbin KM, Davies CM. Predicting the Influence of Strain on Crack Length Measurements Performed Using the Potential Drop Method. Engineering Fracture Mechanics. 2017;182:635–657. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.06.008

7. Zerbst U, Madia M, Vormwald M, Beier HTh. Fatigue Strength and Fracture Mechanics – A General Perspective. Engineering Fracture Mechanics. 2018;198:2–23. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.04.030

8. Pineau A, McDowell DL, Busso EP, Antolovich SD. Failure of Metals II: Fatigue. Acta Materialia. 2016;107:484–507. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.05.050

9. Tatsuo Sakai, Akiyoshi Nakagawa, Noriyasu Oguma, Yuki Nakamura, Akira Ueno, Shoichi Kikuchiet, et al. A review on fatigue fracture modes of structural metallic materials in very high cycle regime. International Journal of Fatigue. 2016;93(2):339–351. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.05.029

10. Schastlivtsev VM, Kaletina YuV, Fokina EA, Mirzaev DA. Effect of External Actions and a Magnetic Field on Martensitic Transformation in Steels and Alloys. Metal Science and Heat Treatment. 2016;58:247–253. https://doi.org/10.1007/s11041-016-9997-4

11. Yan Wang, Zhiguo Xing, Yanfei Huang, Weiling Guo, Jiajie Kang, Haidou Wang, et al. Effect of Pulse Magnetic Field Treatment on the Hardness of 20Cr2Ni4A Steel. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;538:168248. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168248

12. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Структурное состояние мартенсита и остаточного аустенита в углеродистых сталях после закалки в магнитном поле. Металловедение и термическая обработка металлов. 2022;(12(810)):10–14. https://doi.org/10.30906/mitom.2022.12.10-14

13. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.Н. Формирование эпюры остаточных напряжений после закалки в магнитном поле. Безопасность техногенных и природных систем. 2024;8(4):54–61. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2024-8-4-54-61

14. Bhadeshia HKDH, Honeycombe RWK. Steels: Structure, Properties, and Design. Elsevier; 2024. 550 p.

15. Fultz B. Phase Transitions in Materials. Cambridge University Press; 2020. 604 p.

16. Jinliang Wang, Xiaohui Xi, Yong Li, Chenchong Wang, Wei Xu. New Insights on Nucleation and Transformation Process in Temperature-Induced Martensitic Transformation. Materials Characterization. 2019;151:267–272. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.03.023

17. Wang JL, Huang MH, Xi XH, Wang CC, Xu W. Characteristics of Nucleation and transformation sequence in Deformation-Induced Martensitic Transformation. Materials Characterization. 2020;163:110234. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110234

18. Anderson PM, Hirth JP, Lothe J. Theory of Dislocations. Cambridge University Press; 2017. 699 p.

19. Webster JG, Eren H (eds.). Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook: Two-Volume Set. CRC press; 2018. 3559 p.

20. Whitehouse DJ. Handbook of Surface Metrology. CRC press; 2023. 350 p.