Прочность и механизм разрушения серого чугуна при различных видах нагружения. Часть 1. Статическая трещиностойкость и прочность образцов при растяжении и кручении

Введение

Чугун является основным литейным конструкционным материалом для изготовления отливок деталей сложной конфигурации, испытывающих в процессе эксплуатации не только сжимающие, но и другие виды нагружения. Одна из специфических особенностей микроструктуры промышленных чугунов – это, прежде всего, ярко выраженная гетерогенность, обусловленная наличием в металлической матрице включений графита [1; 2]. В процессе приложения нагрузки межфазная граница между включением графита и металлической матрицей или само включение могут служить местом зарождения трещины. Поэтому форма графита, наряду с металлической основой и другими факторами, оказывает существенное влияние на прочностные свойства чугунов [2 – 6]. В меньшей степени изучено влияние графитовых включений на статическую трещиностойкость чугунов [7 – 9], особенно в серых чугунах, где форма графита самая неблагоприятная. В дальнейшем трещина может распространяться по металлической матрице, огибая или разрушая графитовые включения [3; 10; 11]. Анализу механизмов разрушения промышленных чугунов посвящены работы [3; 7 – 15]. Так, в работах [11; 15] отмечено, что анализ результатов фрактографических исследований динамически разрушенных образцов показал, что разрушение серого чугуна СЧ35 и легированного износостойкого чугуна ЧМН-35М происходит по хрупкому типу с явным преобладанием межзеренного механизма.

При испытании образцов на статическую трещиностойкость (K_1С) одним из основных критериев реализации у вершины трещины условий плоской деформации, согласно ГОСТ 25.506 – 85 [16], является t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 2,5 для сталей, алюминиевых, титановых, магниевых сплавов и t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 0,6 для чугунов, где t – толщина образца или детали в месте разрушения; σ_0,2 – предел текучести материала. Основываясь на том, что согласно положению механики разрушения наиболее объективную информацию о локальном напряженном состоянии материала в момент разрушения дает анализ размеров и формы пластических зон, образующихся у вершины трещины [17], в работе [18] предложен единый критерий оценки локального напряженного состояния материала у вершины трещины при различных видах нагружения (статическом, ударном) как отношение максимальной глубины пластической зоны под поверхностью изломов h_max к толщине образца или детали t, т. е. h_max/t. Согласно данному критерию, при плоской деформации (ПД) отношение h_max/t < 10^–2; при плоском напряженном состояния (ПН) h_max/t > 10^–1, в переходной области (ПД ↔ ПН) 10^–2 ≤ h_max/t ≤ 10^–1 [18].

Целью настоящей работы являются оценка прочности и выявление особенности механизма разрушения серого чугуна с пластинчатым графитом при испытании образцов на растяжение, статическую трещиностойкость и кручение.

Материал и методики исследования

В качестве исследуемого материала был выбран промышленный феррито-перлитный серый чугун СЧ15 (GG15) (3,3 % С, 1,8 % Si, 0,75 % Mn) в литом состоянии. Исследование структуры чугуна проводили на металлографическом микроскопе Axiovert 40 МАТ; испытания на твердость – на твердомере ТН 300. Статическое растяжение литых цилиндрических образцов диаметром 20 мм осуществляли при температурах 20, –70 и –196 °С на универсальной испытательной машине Н50КТ согласно ГОСТ 1497 – 84 и ГОСТ 22706 – 77. Испытания чугуна на статическую трещиностойкость проводились при температурах 20, –70 и –196 °С на призматических образцах толщиной 10 и 20 мм по схеме трехточечного изгиба на установке Instron 8801 согласно ГОСТ 25.506 – 85. Испытание на кручение цилиндрических образцов с диаметром рабочей части 10 мм и длиной 50 мм осуществляли при температуре 20 °С на установке МК–50 согласно ГОСТ 3565 – 80. По диаграмме «Крутящий момент – угол закручивания» рассчитывали механические свойства чугуна при кручении. Микрорельеф поверхности изломов исследовался на растровом электронном микроскопе (РЭМ) SIGMA фирмы «ZEISS».

При испытании чугуна на статическую трещиностойкость оценку локального напряженного состояния материалов у вершины трещины проводили по основному критерию t/(K_1С/σ_0,2)², указанному в ГОСТ 25.506 – 85 [16], а также по критерию h_max/t [18]. Для определения глубины пластических зон под поверхностью изломов использовали метод послойного стравливания излома с последующим рентгенографированием его поверхности [18]. Глубину пластических зон под поверхностью излома определяли по изменению ширины рентгеновских дифракционных линий (211) FeK_α1 после многократного стравливания. Съемку поверхности изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0 в FeK_α излучении.

Результаты исследования

Структура и механические свойства чугуна СЧ15 при растяжении

Чугун СЧ15 имеет феррито-перлитную структуру с пластинчатым графитом со средним размером зерна 80 мкм (рис. 1) и обладает невысокими прочностными свойствами при растяжении (табл. 1). При всех температурах испытания образцы разрушались хрупко. Изломы – кристаллические крупнозернистые.

Локальное напряженное состояние, статическая трещиностойкость и механизм разрушения образцов
из чугуна СЧ15

Испытания на статическую трещиностойкость призматических образцов толщиной 10 и 20 мм из чугуна СЧ15 показали, что при температуре 20 °С, независимо от толщины образцов, условие ПД по ГОСТ 25.506 – 85 (t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 0,6) не соблюдается (табл. 2). Следовательно, полученные значения статической трещиностойкости, согласно вышеуказанному ГОСТу, соответствуют величине КС. Однако, по критерию h_max/t < 10^–2 условие ПД для всех образцов, испытанных при 20 °С, соблюдается. Таким образом, полученное значение трещиностойкости, согласно данному критерию, есть K1С [17].

При понижении температуры испытания условие ПД по ГОСТ 25.506 – 85 в образцах толщиной 10 мм не выполняется вплоть до температуры –196 °С, а в образцах толщиной 20 мм условие ПД соблюдается уже при температуре –70 °С (табл. 2). Таким образом, по критерию h_max/t < 10^–2 условие ПД выполняется для всех образцов, испытанных как при комнатной температуре, так и при низких температурах (табл. 2). Следовательно, полученные значения трещиностойкости соответствуют K_1С.

Рассмотрим фрактографические особенности строения изломов образцов из чугуна СЧ15, испытанных на статическую трещиностойкость при различных температурах испытания. Разрушение образцов в области статического разрушения чугуна, независимо от толщины и температуры испытания, произошло макрохрупко (рис. 2, а – г). Микрофрактографический анализ области статического разрушения образцов показал, что независимо от толщины образцов и температуры испытания разрушение чугуна произошло по механизму межзеренного хрупкого разрушения и механизму скола (рис. 2, д – з). Причем, на поверхности изломов образцов, разрушенных при 20 °С, доминирует скол (рис. 2, д, ж), а на поверхности изломов образцов, разрушенных при низких температурах, доминирует межзеренное хрупкое разрушение (рис. 2, е, з). Графитовые включения при всех температурах испытания разрушились хрупко.

Прочность и механизм разрушения чугуна СЧ15 при кручении

Результаты испытания на кручение образцов из чугуна СЧ15 диаметром 10 мм показали низкое значение крутящего момента и малый угол закручивания (рис. 3) по сравнению с углом закручивания образцов такого же диаметра, но из другой материала, например, аустенитной стали [19]. Оценка механических свойств чугуна при кручении, проведенная по результатам анализа диаграмм «Крутящий момент – угол закручивания», показала низкое сопротивление серого чугуна крутящим нагрузкам (табл. 3).

Изломы, полученные при испытании образцов из чугуна на кручение – макрохрупкие, кристаллические. Разрушение произошло частично под углом к плоскости сечения образцов (рис. 4, а) по механизму скола (рис. 4, б – г). В периферийной области изломов можно видеть частичное затирание микрорельефа, возникшее от трения с ответной поверхностью, а также хрупкое разрушение графитовых включений (рис. 4, б). Следовательно, можно предположить, что разрушение при кручении образцов из чугуна, как и в случае разрушения образцов из стали [19], началось с периферийной области, затем произошло хрупкое разрушения образца по всему сечению.

Анализ и обсуждение результатов исследования

Одним из факторов, влияющих на прочность и механизм разрушения чугуна СЧ15, являются имеющиеся в его структуре пластинчатые графитовые включения, выполняющие роль концентраторов напряжения. При испытании образцов из серого чугуна на статическую трещиностойкость данный фактор, по-видимому, не должен оказывать существенного влияния на результаты испытаний, так как в образцах перед испытанием выращивают усталостную трещину. Увеличение толщины образцов от 10 до 20 мм и последующее охлаждение до низких температур, как следует из табл. 2, не оказало существенного влияния на локальное напряженное состояние материала у вершины трещины, а, следовательно, и на значение статической трещиностойкости чугуна СЧ15, которое составило в среднем 20,6 ± 1,5 МПа·м^1/2. Как видно из табл. 2, условие ПД по критерию t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 0,6 (ГОСТ 25.506 – 85) достигается только при испытании образцов толщиной 20 мм при температуре –70 °С, в то время как по критерию h_max/t < 10^–2 условие ПД соблюдается для всех образцов, испытанных как при комнатной температуре, так и при низких температурах.

Из рис. 2 видно, что разрушение образцов из чугуна СЧ15, независимо от толщины образцов и температуры испытания, произошло по механизмам межзеренного хрупкого разрушения и скола. Из работы [20] следует, что такие механизмы разрушения свидетельствуют о том, что разрушение материалов с ОЦК решеткой при однократных видах нагружения произошло в условиях ПД. Следовательно, независимо от толщины образцов и температуры испытания, разрушение по критерию h_max/t < 10^–2 произошло в условиях ПД. Отсюда также следует, что критерий реализации условия плоской деформации h_max/t < 10–2 лучше коррелирует с механизмом разрушения чугуна, чем критерий t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 0,6.

Наличие пластинчатых графитовых включений в структуре чугуна СЧ15 оказало влияние и на механизм разрушения образцов при кручении. Микрорельеф поверхности излома образцов из чугуна в периферийной области (рис. 4, б) свидетельствует о том, что зарождение трещин произошло вблизи поверхности образцов на графитовых включениях, которые выполнили роль концентраторов напряжения. Дальнейшее разрушение произошло под некоторым углом к сечению образца по механизму скола (рис. 4, в, г). Такой механизм зарождения и распространения трещин предопределил малый угол закручивания (6,2°) и низкие значения механических свойств чугуна СЧ15 при кручении (табл. 3).

Выводы

При испытании образцов толщиной 10 и 20 мм из серого чугуна СЧ15 на статическую трещиностойкость разрушение образцов как при комнатной, так и при низких температурах произошло по механизмам межзеренного хрупкого разрушения и скола.

Критерий реализации условий ПД, рассчитанный по глубине пластической зоны под поверхностью изломов (h_max/t < 10^–2), лучше коррелирует с механизмом разрушения чугуна, чем критерий t/(K_1С/σ_0,2)² ≥ 0,6 по ГОСТ 25.506 – 85.

Среднее значение статической трещиностойкости (K_1С) серого чугуна СЧ15, независимо от толщины исследуемых образцов и температуры испытания, составляет 20,6 ± 1,5 МПа·м^1/2.

Разрушение образцов из чугуна СЧ15 при кручении произошло при малом угле закручивания (6,2°) по механизму скола. Зарождение трещин произошло в периферийной области образцов на графитовых включениях.