2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

3.14.Циклическая трещиностойкость рельсовой стали

Внастоящем подразделе рассматриваются традиционные механические свойства и циклическая трещиностойкость, определенные на стандартных образцах, вырезанных из головки железнодорожного рельса [272], со следующим химическим составом: 0,77 % С, 0,22 % Si, 0,83 % Mn, 0,031 % S и 0,035 % Р. Исследованы следующие ре-

жимы термообработки:

1. Нормализация – нагрев до 1200 °С, выдержка 60 мин, охлаждение на воздухе.

2. Горячекатаные рельсы (состояние поставки).

3. Изотермическая закалка – нагрев до 800 °C, выдержка 60 мин.

Споследующим изотермическим распадом аустенита при температуре 700, 600 и 500 °C выдержка при этих температурах в течение 60 мин. Охлаждение на воздухе.

4. Закалка с отпуском – нагрев до 800 °C, выдержка 60 мин, закалка в воде, отпуск при температурах 400, 500, 600 и 700 °C в течение двух часов, охлаждение в воде.

Выбранные, таким образом, режимы термообработки дают возможность получить широкий спектр структур с различными механическими свойствами (табл. 3.29) и циклической трещиностойкостью.

Таблица 3.29

Механические свойства рельсовой стали в различных структурных состояниях

Представленные в табл. 3.30 данные по циклической трещиностойкости определяли по диаграмме усталостного разрушения. При-

ведены значения Kmaxv при скорости развития усталостной трещины

291

v, равные 10–10, 10–9, 10–8, 10–7 м/цикл. В качестве нижнего порогового значения принято Kth = Kmax−10 м/цикл.

Таблица 3 . 3 0

Циклическая трещиностойкость рельсовой стали в различных структурных состояниях

С помощью оптического микроскопа были определены (рис. 3.83): средние размеры перлитной колонии d (рис. 3.83, б) и ферри-

то-цементитного комплекса – h (рис. 3.83, в). Подсчитан также доверительный интервал и средние значения при доверительной вероятности p = 0,95 на основании 200 измерений.

С использованием трансмиссионной электронной микроскопии определены: средняя толщина b мартенситных пластин (рис.3.83, г), средний продольный f и средний поперечный g размеры дислокаци-

онных ячеек (рис. 3.83, д), а также средний продольный a и средний поперечный c размеры карбидных частиц (рис. 3.83, е). С помощью полученных значений определены коэффициенты формы карбидной

характерныеразмеры перлитной структуры.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что при использованных режимах изотермической закалки размеры перлитных колоний d и цементитного комплекса h достаточно близки.

292

Рис. 3.83. Некоторые структурные элементы в стали с содержанием С ≈ 0,8 %: а – аустенитное зерно с диаметром D, которое после охлаждения распалось на отдельные перлитные колонии; б – перлитная колония с размером d; в – феррито-цементитный комплекс с размером h; г – мартенситная пластина толщиной b; д – дислокационная ячейка в мартенситной пластине с размерами f (продольный) и g (поперечный); е – карбидная частица с размера-

ми а (продольный) и с (поперечный)

Таблица 3.31 Характерные размеры перлитной структуры

После закалки в воде от 800 °C образуется пластинчатый мартенсит. Такая форма α-фазы сохраняется до температуры отпуска 500 °C. При этом поперечный размер b пластин (см. рис. 3.83, г) остается постоянным (табл. 3.32). Существенные изменения происходят в α-фазе. С повышением температуры отпуска плотность дислокаций ρ уменьшается, активно протекают процессы полигонизации и

293

постепенно формируется ячеистая дислокационная структура, размеры которой (продольный f и поперечный g, (см. рис. 3.83, д)) постепенно увеличиваются и выравниваются. При температуре отпуска

700 °C коэффициент формы kсрдя =1.

При температуре отпуска 400 °C наблюдаются дисперсные карбиды, которые имеют удлиненную форму с коэффициентом формы

kôê = 0,49. С повышением температуры отпуска поперечные c и про-

дольные a размеры карбидных частиц постепенно увеличиваются и выравниваются и при 700 °C приобретают практически сферическую

форму, kôê = 0,9.

Таблица 3.32

Характерные средние размеры структуры, полученные после закалки и отпуска

Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Все перлитные структуры, представленные в табл. 3.31, имеют структурные составляющие феррит и цементит. Образованные при распаде аустенита перлитные колонии могут отличаться по размеру d, в то время как феррито-цементитный комплекс h изменяется мало. Поэтому именно разница в размере перлитных колоний является причиной разницы в их механических свойствах (см. табл. 3.29), которая, однако, не особенно велика. Так, например, разница в σ0,2 между структурами, полученными после нормализации при 1200 °C и после изотермической закалки при 600 °C, составляет 32 %.

Совершенно другая ситуация наблюдается в структурах, полученных после закалки в воде и отпуске при разных температурах. Каждая из этих температур формирует свою специфическую структуру, которая, естественно, обладает собственными, особыми, свой-

294

ствами. Из-за этого разница в свойствах при различных температурах отпуска велика. Например, разница в значениях σ0,2 после отпуска при 400 и при 700 °C составляет примерно 180 %.

После обзора структур, полученных в результате различных термообработок, рассмотрим их циклическую трещиностойкость.

Значения Kmaxv для всех исследованных структур представлены в

табл. 3.30. На рис. 3.84 в качестве примера представлены три характерные диаграммы усталостного разрушения. Особый интерес, естественно, представляет пороговое значение Kth. Из приведенных данных следует, что при пластинчатых структурах трещиностойкость растет с увеличением размера перлитных колоний d. При этом рост Kth наблюдается до значения d ~ 40 мкм. Дальнейшее увеличение размера перлитной колонии мало влияет на Kth. Зависимость Kth от длины f дислокационной ячейки представлена на рис. 3.85.

Рис. 3.84. Диаграмма усталостного разрушения рельсовой стали после различных режимов термообработки: 1 – закалка и отпуск при 600 °C

( d = 7,2 мкм); 2 – изотермическая закалка при 600 °C ( d = 9,8 мкм); 3 – горячая прокатка ( d = 13 мкм)

295

Рис. 3.85. Зависимость Κth от размера d перлитных колоний – 1 и длины f дислокационных ячеек в α-фазе зернистого перлита – 2

Экспериментальные данные трещиностойкости зернистого перлита, полученного после закалки в воде и отпуска, показывают, что с повышением температуры отпуска сопротивление развитию усталостной трещины непрерывно растет. Аналогичные данные получены и в исследовании [273], результаты которого показаны на рис. 3.86.

Важно отметить, что во всех случаях трещиностойкость зернистого перлита ниже, чем пластинчатого. Как объяснить более высокую трещиностойкость пластинчатого перлита? Чтобы ответить на этот вопрос, надо обратить внимание на два обстоятельства. Первое состоит в том, что усталостная трещина при значениях Kmax ≈ Kth в углеродистых сталях, в том числе и в эвтектоидных, развивается по ферритной составляющей структуры [126]. Второе связано с самим механизмом развития усталостной трещины, достаточно подробно рассмотренном в гл. 2 и фрагменты которого в более схематичном виде представлены на рис. 3.87. По оси абсцисс нанесено число циклов N, а по ординате – значения коэффициента интенсивности напряжений K. На рис. 3.87, а рас-

296

смотрена ситуация в момент, когда усталостная трещина , совершив свой очередной шаг, подросла до длины i. Материал вдали от циклической пластической зоны, созданной перед концом трещины, имеет значение коэффициента интенсивности напряжений Kсф . Индекс «ф» озна-

чает, что идет речь о свойстве ферритной составляющей перлита, которая разрушается в результате циклического нагружения. Перед фронтом

усталостной трещины i действует коэффициент интенсивности напряжений Kmax i , созданный максимальными значениями σmax регулярного

циклического нагружения. Усталостная трещина сделает свой очередной шаг в точке М, когда в циклической пластической зоне будет исполнено условие

Рис. 3.86. Диаграмма усталостного разрушения стали 75ХГСТ, закаленной

и отпущенной в продолжение 2 часов при температуре 200 оС (), 400 оС (), 500 оС () и 600 оС ()

297

Для того чтобы реализовать условие (3.3), необходимо, чтобы критическое значение коэффициента интенсивности напряжений

феррита Kсф i в циклической пластической зоне перед фронтом трещины i снизилось до Kmax i . Очевидно, значения Kсф i изменяются в интервале

После NМ циклов нагружения в точке М левая часть неравенства (3.4) превращается в равенство, т.е. исполняется условие (3.3), и усталостная трещина делает очередной шаг. Таким образом, в процессе циклического нагружения в результате пластической деформации в циклической пластической зоне протекает непрерывное снижение критического значения коэффициента интенсивности напряжений феррита, т.е. его охрупчивание.

Рис. 3.87. Схема процессов охрупчивания феррита (α-фазы) в рельсовой (эвтектоидной) стали: а – охрупчивание феррита в циклической пластической зоне; б – охрупчивание феррита в дисперсном (1) и грубом (2) перлите; в – охрупчи-вание α-фазы после закалки и отпуска при температуре

400, 500, 600 и 700 оС

298

Значения Kсф ферритной фазы, независимо от размера перлитной

колонии, практически одни и те же. В таком случае полученные результаты (см. табл. 3.30) могут реализоваться (рис. 3.87, б), если феррит в более крупных перлитных колониях (большие значения d) охрупчивается медленнее (зависимость 2), чем феррит в более дисперсном перлите (зависимость 1). Если будем рассматривать феррит как некую деформируемую массу, то недеформируемые твердые цементитные частицы – в данном случае пластины – представляют препятствие для процессов пластической деформации, при этом более длинные цементитные пластины более крупных перлитных колоний будут эффективнее препятствовать пластической деформации, по сравнению с меньшими цементитными пластинами мелких перлитных образований. Таким образом, в грубом (ГП) и дисперсном (ДП) перлите усталостная трещина продвигается на один шаг соответственно в точках М″ и М′, что соответствует Nм″ и Nм′ циклам. По-

скольку Nм″ > Nм′, то скорость VГП < VДП.

При такой трактовке становится ясно, почему мелкие сферические цементитные частицы, образовавшиеся после закалки и отпуска, гораздо менее эффективно препятствуют пластической деформации феррита по сравнению с крупными цементитными пластинами. Это является причиной того, что зернистый перлит имеет меньшую трещиностойкость по сравнению с пластинчатым.

Рассмотрим (рис. 3.87, в) схему разрушения зернистого перлита при циклическом нагружении. В зависимости от температуры отпуска получаются структуры с различной трещиностойкостью, что можно записать следующим образом:

где α700–α400 – температуры отпуска α-фазы.

В процессе нагружения значения Kñα i снижаются и в точках М′,

М″, М″′, М″″ исполняется условие, при котором трещина делает следующий шаг:

Полученная ранжировка скоростей (3.8) полностью соответствует экспериментальным данным (см. табл. 3.30).

Проведенные исследования показывают, что эвтектоидная сталь со структурой пластинчатого перлита обладает более высокой циклической трещиностойкостью по сравнению со сталью в состоянии после закалки и отпуска, при котором формируется структура зернистого перлита.

300