Усталостное разрушение стали со структурой феррито-мартенситного композита

Приведены результаты усталостных испытаний естественного стального композитного материала на циклический изгиб по отнулевому циклу нагружения. Естественный феррито-мартенситный композит (ЕФМК) имеет структуру из чередующихся слоев вязкого феррита и прочного мартенсита, что обусловливает особый механизм торможения трещины при нагружении. Отнулевой цикл нагружения предполагает наличие растягивающих усилий, направленных только в одну сторону, что позволяет избежать наклепа берегов трещины при ее росте. С помощью полученных данных о кинетике развития усталостной трещины и скорости ее роста в зависимости от числа циклов колебаний построена диаграмма усталостного разрушения. Проведено сравнение результатов испытаний образцов из стали одного химического состава. В одном случае была проведена традиционная термическая обработка на структуру сорбита отпуска. В другом – закалкой исходной строчечной феррито-перлитной структуры из межкритического интервала температур получена слоистая структура феррито-мартенситного композита. Эти материалы имели одинаковую твердость, но различие в структурной организации обусловило преимущество стали со структурой ЕФМК в отношении сопротивления разрушению при циклическом нагружении. При подходе трещины к поверхности раздела мартенсит-феррит возникает расслоение в феррите из-за растягивающих напряжений, параллельных плоскости трещины. Остановка роста трещины происходит до подведения дополнительной энергии для образования новой трещины в условиях, близких к одноосному напряженному состоянию. Представлена методика определения характеристик кинетики роста трещин при усталостном нагружении, которая рекомендована при испытании сталей и сплавов в условиях циклического изменения нагрузки.

1. Пат. 2495141 РФ. МПК С21D8/800, С21D8/02. Способ получения естественного феррито­мартенситного композита / В.Н. Пустовойт, Ю.М. Домбровский, А.В. Желева, М.В. Зайцева. Заявл. 11.05.2012; опубл. 10.10.2013. Бюл. № 28.

2. Pustovoit V.N., Dolgachev Yu.V., Dombrovskii Yu.M., Duka V.V. Structural organization and properties of a natural ferrite­martensite steel composite // Metal Science and Heat Treatment. 2020. Vol. 62. No. 5­6. P. 369–375. https://doi.org/10.1007/s11041-020-00570-9

3. Cadoni E., Singh N.K., Forni D., Singha M.K., Gupta N.K. Strain rate effects on the mechanical behavior of two Dual Phase steels in tension // European Physical Journal: Special Topics. 2016. Vol. 225. No. 2. P. 409–421. https://doi.org/10.1140/epjst/e2016-02638-3

4. Luo M., Wierzbicki T. Numerical failure analysis of a stretch­bending test on dual­phase steel sheets using a phenomenological fracture model // International Journal of Solids and Structures. 2010. Vol. 47 No. 22­23. P. 3084–3102. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2010.07.010

5. Kim J.H., Sung J.H., Piao K., Wagoner R.H. The shear fracture of dual­phase steel // International Journal of Plasticity. 2011. Vol. 27. No. 10. P. 1658–1676. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2011.02.009

6. Dykeman J., Hoydick D., Link T., Mitsuji H. Material property and formability characterization of various types of high strength dual phase steel // SAE Technical Paper. 2009. Vol. 1. P. 794–804. https://doi.org/10.4271/2009-01-0794

7. Soboyejo W. Mechanical Properties of Engineered Materials. N.Y.: CRC Press, 2002. 608 p.

8. 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. Т. 86. № 7. С. 59–64. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-7-59-64

9. Pustovoit V.N., Grishin S.A. Special features of fracture of carbon steel with a structure of laminar ferrite­carbide mixture // Metal Science and Heat Treatment. 1987. Vol. 29. No. 3­4. P. 262–266.

10. Nicholas T. High Cycle Fatigue: a Mechanics of Materials Perspective. Elsevier, 2006. 656 p.

11. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разрушения. М.: Металлургия, 1979. 279 с.

12. Cooper G.A., Kelly A. Tensile properties of fibre­reinforced metals: fracture mechanics // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1967. Vol. 15. No. 4. P. 279–297. https://doi.org/10.1016/0022-5096(67)90017-8

13. Greif R., Sanders J.L. The effect of a stringer on the stress in a cracked sheet // Journal of Applied Mechanics. 1965. Vol. 32. No. 1. P. 59–66. https://doi.org/10.1115/1.3625784

14. Bloom J.M., Sanders J.L. The effect of a riveted stringer on the stress in a cracked sheet // Journal of Applied Mechanics. 1966. Vol. 33. No. 3. P. 561–570. https://doi.org/10.1115/1.3625122

15. Sanders J.L. Effect of a stringer on the stress concentration due to a crack in a thin sheet // National Advisory Committee for Aeronautics. 1959. No. 4207. P. 10.

16. Poe J.C.C. Stress Intensity Factor for a Cracked Sheet with Riveted and Uniformly Spaced Stringers. Washington: NASA Technical Report, TR R – 358. 1971. 62 p.

17. Пустовойт В.Н., Дука В.В., Долгачев Ю.В. Сценарий роста трещины в стали со структурой ферритно­мартенситного композита // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2017. № 10 (205). С. 118–121.

18. Pustovoit V.N., Duka V.V., Dolgachev Y.V., Aref’eva L.P., Fedosov V.V., Salynskih V.M. Features of destruction of a ferrite­martensitic composite // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 226. Article 03006. https://doi.org/10.1051/matecconf/201822603006

19. Irwin G.R., Paris P.C. Fundamental aspects of crack growth and fracture. In: Engineering Fundamentals and Environmental Effects. N.Y.: Academic Press, 1971. P. 1–46.

20. Pugno N., Ciavarella M., Cornetti P., Carpinteri A. A generalized Paris’ law for fatigue crack growth // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2006. Vol. 54. No. 7. P. 1333–1349. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2006.01.007

21. Jones R., Molent L., Pitt S. Similitude and the Paris crack growth law // International Journal of Fatigue. 2008. Vol. 30. No. 10­11. P. 1873–1880. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.01.016

22. Turner C.E., Paris P.C., Erns H. On the relationship between work and crack tip stress intensity in elasticity and plasticity // International Journal of Fracture. 1981. Vol. 17. No. 6. P. R151–R154. https://doi.org/10.1007/BF00681560

23. Paris P., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws // Journal of Fluids Engineering. 1963. Vol. 85. No. 4. P. 528–533. http://dx.doi.org/10.1115/1.3656900

24. Panasyuk V.V., Ostash O.P., Kostyk E.M., Kudryashov V.G., Neshpor G.S. Cyclic crack resistance of aluminum alloys in the crack origin and growth stages // Soviet Materials Science. 1987. Vol. 23. No. 5. P. 473–479. https://doi.org/10.1007/BF01148672

25. Den Hartog J.P. Advanced Strength of Materials. N.Y.: Courier Corporation, 1987. 378 p.

26. Ross C.T.F., Chilver A. Strength of Materials and Structures. Oxford: Elsevier, 1999. 720 p.

27. Mott R.L., Untener J.A. Applied Strength of Materials. Boca Raton: CRC Press, 2008. 1172 p.

28. Da Silva V.D. Mechanics and Strength of Materials. N.Y.: Springer Science & Business Media, 2005. 529 p.

29. Stephens R.C. Strength of Materials: Theory and Examples. London: Elsevier, 2013. 320 p.

30. Belyayev N.M. Problems in Strength of Materials. Oxford: Elsevier, 2016. 546 p.