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

Введение. Разрушение при циклическом нагружении является одним из распространённых видов повреждений материалов, а работоспособность этих материалов во многом определяется их сопротивлением росту трещин. Проблема заключается в том, что циклические нагрузки могут привести к усталостному разрушению при напряжениях, которые ниже предела прочности. Хотя рост усталостной трещины происходит постепенно, само разрушение может произойти внезапно, что приводит к катастрофическим последствиям. Существует обширная статистика [1] случаев железнодорожных и авиакатастроф, обрушений мостов и техногенных аварий, обусловленных развитием подобных дефектов. По данным ASM International [2], в машиностроении до 90 % отказов механизмов связано с усталостью, а в нефтегазовой отрасли усталостные трещины в трубопроводах и буровых установках ежегодно приводят к миллиардным убыткам. В связи с этим внедряются методы неразрушающего контроля дефектов, затраты на которые в аэрокосмической отрасли могут составлять до 30 % от стоимости обслуживания. Для безопасной и длительной эксплуатации деталей машин и приборов актуально получение их высокопрочного состояния с повышенной трещиностойкостью.

Известные способы достижения высокопрочного состояния [1][2] заключаются в сочетании определенного состава легированной стали с режимами термической обработки, минимизации неметаллических включений, создании гетерогенной микроструктуры и использовании методов поверхностного упрочнения. Ранее авторами была предложена технология термической обработки в магнитном поле (ТОМП) [3], позволяющая при определённых режимах достигать высокопрочного состояния в сталях. Особенностью предлагаемой технологии является увеличение прочностных показателей без снижения вязкости. При этом широко используемые марки легированных сталей подвергаются практически традиционным режимам термической обработки, но с наложением энергии постоянного магнитного поля.

Существующие способы повышения трещиностойкости [1][2] оперируют следующими механизмами: увеличением зоны пластической деформации у вершины трещины; ветвлением траектории трещины (увеличением её пути); созданием сжимающих напряжений для замедления роста трещины; локальным упрочнением на пути движения трещины; уменьшением количества и размеров концентраторов напряжений; созданием микроструктурных барьеров. Однако сведений о поведении трещин в сталях, обработанных по режимам с наложением постоянного магнитного поля, в настоящее время недостаточно. В связи с этим в настоящей работе поставлена цель оценить изменения в трещиностойкости и кинетике развития трещин после ТОМП.

Материалы и методы. Особенности развития трещин во времени изучались с помощью установки, которая создает циклические колебания стабилизированной амплитуды, устройство которой описано в работе [4]. Метод электропотенциалов [5][6] позволял фиксировать момент зарождения и этапы развития усталостных трещин. Полученные таким образом данные впоследствии переводились в реальные значения с помощью диаграммы калибровки при известных данных о длине трещины и размерах образца призматической формы.

Результаты исследования представлены в виде зависимостей с осями dl/dN – lg∆K [2][7], характеризующими развитие усталостного разрушения. Величина отношения dl/dN определяет экспоненциальную скорость распространения трещины за определённое число циклов нагрузки. Параметр ∆K демонстрирует диапазон изменения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) при циклических нагрузках и вычисляется как разность между наибольшим и наименьшим значениями КИН:

(1)

Значения  вычислялись через максимальные напряжения (σ), возникающие при циклическом изгибе призматического образца с трещиной длиной l, по формуле:

 (2)

Исследования проводили на призматических образцах из сталей 18Х2Н4ВA, 30ХГСА которые были термообработаны (18Х2Н4ВA — воздушная закалка на мартенсит; 30ХГСА — изотермическая закалка при 380 °С на нижний бейнит) на высокопрочное состояние. Магнитное поле напряженностью 1,6 МА/м получали магнитном зазоре электромагнита ФЛ – 1.

При изучении тонкой структуры применялся просвечивающий электронный микроскоп ЭММА – 4 и растровый электронный микроскоп (РЭМ) ZEISS CrossBeam 340.

Результаты исследования. Рис. 1 иллюстрирует зависимость длины усталостной трещины от числа циклов испытания после различной обработки для исследуемых сталей.

Диаграммы развития усталостных трещин во времени показаны на рис. 2, их внешний вид иллюстрирует три стадии развития трещины. На каждой из этих стадий трещина имеет определённую скорость распространения: 1-я — стадия медленного роста; 2-я — стабильного роста и 3-я — ускоренного или нестабильного роста [1]. Для каждой из стадий характерны свои особенности рельефа поверхности разрушения [2], которые хорошо обнаруживаются на изломе образцов после испытания на циклический изгиб.

Видно (рис. 2), что после ТОМП значительно снижается скорость распространения трещины по сравнению с обработкой без поля, при этом диапазон значений КИН ∆K остается соизмеримым. Разрушение образца происходит при большей циклической длине трещины и большей величине, что показано в таблице 1. В числителе приведены данные для обработки без поля, а в знаменателе — в поле с напряженностью 1,6 МА/м. Доверительные интервалы указаны при доверительной вероятности P = 0,95 и числе измерений n = 5.

Рис. 3 а иллюстрирует механизм вязкого разрушения путём зарождения, роста и коалесценции пор, что характерно для сталей 18X2H4BA и 30XΓCA. Рис. 3 б показывает результат того, как под действием нормальных напряжений из пор образуется трещина.

На рис. 4 продемонстрированы фрагменты трещин при режимах термической обработки в магнитном поле и без поля. Проводился анализ подобных данных для выявления зависимости изменения траектории трещины от вида термообработки.

Обсуждение. Данные на рис. 1 показывают, что в случае термообработки в магнитном поле кинетика распространения трещин проявляет более подавленный характер по сравнению с обработкой без поля, а последняя стадия разрушения наступает при большем количестве циклов испытания. Кинетические диаграммы развития усталостной трещины (рис. 2) также демонстрируют существенное снижение скорости развития трещины в условиях обработки в магнитном поле при сохранении интервала КИН ∆K. Существуют представления [8][9], что при циклических испытаниях целесообразнее характеризовать вязкость начальной (пороговой) величиной КИН, соответствующей началу расслоения магистральной трещины по отрывному механизму (с заданной степенью стеснения пластической деформации), а не максимальной величиной КИН, отвечающей предельному состоянию. Как видно из таблицы 1, после ТОМП значение величиной увеличивается. Обосновано можно ожидать повышения долговечности и работоспособности изделий машиностроения после проведения термообработки в магнитном поле [10][11], на что также указывают результаты предыдущих исследований о воздействии ТОМП на механические свойства [12][13].

В монографии [3] обобщены данные о том, что при обработке на высокопрочное состояние (структура мартенсита отпуска или нижнего бейнита [14][15]) влияние магнитного поля проявляется в существенной фрагментации структуры, повышении дисперсности отдельных кристаллов ферромагнитной α-фазы и их ансамблей (пакетов), увеличении удельной поверхности субграниц, препятствующих движению дислокаций в процессе нагружения. Локальное перенапряжение у вершины дислокационного скопления может релаксировать через образование зародыша трещины, развитие которой зависит от характера структуры стали. В зависимости от условий нагружения и исходного состояния мартенсита [16][17], рост микроскопической трещины может протекать по различным механизмам, определяющим вид поверхности излома. Следует отметить, что для рассматриваемых сталей 30XΓCA и 18X2H4BA вязкое разрушение происходит при появлении пор, их росте и объединении (рис. 3 а). Знакопеременные нагрузки приводят к усталостному разрушению путем образования большого количества избыточных вакансий (например, в результате междислокационных взаимодействий и скольжения с образованием порогов [2][18]), которые могут объединяться, образуя пору. Нормальные напряжения, действуя на поверхности зародышей пор, способствуют стоку вакансий, что приводит к трансформации пор в трещину (рис. 3 б).

Продвижение образовавшейся трещины зависит от наличия препятствий на её пути, что определяется особенностями имеющейся у материала структуры. В связи с этим с помощью электронной микроскопии исследовались параметры траектории распространения трещин в тонких фольгах, т.к. они очень зависимы от структуры [1]. Результаты анализа тонкой структуры позволяют сделать заключение, что использование технологии ТОМП не влияет на механизм изменения траектории трещины, т.е. смена траектории происходит случайным образом (рис. 4) при встрече с различными структурными элементами (карбидами, границами фаз и т.п.) и не зависит от способа термообработки.

Оценить эффективность структурных барьеров, обусловленных ТОМП, на пути развития трещины позволяет анализ автокорреляционных функций (АКФ) [19][20] связывающих отклонение линии трещины от её среднего положения и 1-ую производную траектории её распространения (рис. 5), что характеризует угловые параметры изменения траектории распространения трещины в фольге. АКФ позволили оценить влияние ТОМП на статистические параметры трещин  — стандартное отклонение линии трещины;  — стандартный разброс тангенса угла наклона траектории (показатель извилистости);  — диапазоны взаимозависимости функций линейного разброса и тангенсов углов наклона соответственно (характеризуют увеличение длины трещины в результате воздействия однократно возникшего фактора). Статистические параметры трещин  для стали 30XΓCA показаны в таблице 2, где приведены среднеквадратичные отклонения экспериментальных данных.

Таблица 2

Влияние режимов термообработки на параметры распространения трещины длиной l = 6 мкм

По данным в таблице 2 можно отметить, что ТОМП оказывает влияние на все приведённые статистические характеристики трещин. Стандартный разброс тангенса углов наклона участков линии трещины после ТОМП увеличивается на 0,12, что отвечает увеличению среднего модуля наклона траектории трещины на ~6° (от 29 до 35°). При этом интервал корреляции снижается на 0,5 мкм.

Заключение. Основным результатом работы является установление изменений в кинетике развития усталостных трещин, а также выявление механизмов, обуславливающих повышенную трещиностойкость после ТОМП. На основе полученных данных можно сделать вывод, что технология термической обработки в магнитном поле способствует формированию структуры, обеспечивающей увеличение извилистости трещин: наблюдается увеличение крутизны изгиба траектории из-за большего числа эффективных барьеров (увеличение дисперсности мартенсита) на её пути. В этой связи можно заключить, что характер организации структуры при ТОМП имеет много общего с процессом высокотемпературной термомеханической обработки. Таким образом, в арсенале практических методов для создания высокопрочного состояния появляется новый, который применим для широкого ассортимента марок сталей и не требует кардинальных изменений в технологии их термической обработки. В свою очередь, повышение трещиностойкости сталей позволяет обеспечить большую безопасность различных устройств и техногенных систем, а также снизить их себестоимость и затраты на обслуживание.