Методика исследований. Испытания на растяжение проводили на испытательной машине “Instron 1185“ со скоростью нагружения 1 мм/мин. На образец прикрепляли датчик деформации с базой 35 мм для построения зависимости Р-e. Построение истиной диаграммы статического разрушения sист-eист не производилось в связи с большими методическими трудностями определения момента и места образования шейки на образцах. Разрушение почти всегда происходит посередине рабочего сечения. Размеры поперечного сечения образца определяли микрометром МК 60-5 с погрешностью 0,01 мм. Погрешность определения нагрузки составляла 100 Н, а удлинения 0,01 мм. Таким образом, погрешность определения напряжения составляла 1 МПа, а удлинение 1%.

Исследование сопротивления материала распространению данных и малых усталостных трещин проводили на электромагнитной резонансной установке Instron 1603. Для определения зависимости длины данной усталостной трещины от числа циклов нагружения боковую поверхность компактного образца (рис. 2) полировали и на нее наносили риски алмазной иглой с шагом 0.5 мм на длине 15 мм, а затем с шагом 1 мм. Такая разметка позволяет более равномерное распределение экспериментальных точек на зависимости l=f(N), что в свою очередь повышает точность определения значений скорости роста усталостной трещины на всем протяжении ее роста.

Измерение длины трещины проводили с помощью оптического микроскопа с увеличением х10 непосредственно а процессе испытаний используя стробоскопическое освещение. Точность измерения составляла нагружения R=0,1. Определение порогового коэффициента интенсивности напряжений DКth проводили методом ступенчатого понижения нагрузки на 10-13% на начальном этапе испытания, а в припороговой области на 5%. За значение DКth принимали такое значение DК, при котором скорость роста усталостной трещины была порядка 10 -9 м/цикл.

Определение скорости роста усталостной трещины осуществляли с помощью интерполяционного кубического сплайна. Погрешность определения приращения трещины составляла не более 5% и, следовательно, по работе(7) ошибка вычисления скорости роста трещины не превышала 5%. Для построения кинетической диаграммы усталостного разрушения размах коэффициента интенсивности напряжений вычисляли по формуле(5):

где DF- размах приложенной нагрузки, В- расстояние от оси приложения силы до края образца, l- отношение длины трещины, отмеренной от оси приложения силы, к В, t- толщина образца, Y- поправочная функция, учитывающая геометрию и размеры образца. Y- вычисляется по формуле(5):

Скорость роста малых трещин определяли с помощью метода секущих, вследствие малого количества экспериментальных значений длины трещины. Лунки в образцах получали электроискровым способом. Перед проведением эксперимента образца электрохимически полировались до получения зеркальной поверхности. Для обнаружения трещины и измерения ее длины в процессе нагружения образцы снимались с испытательной установки через каждые 15000 циклов и поверхность лунки исследовалась на оптическом микроскопе Neophot 2 с увеличением 500.

В настоящее время для изучения поведения трещин инструментом является линейная механика разрушения. Но для малых трещин такой подход не применим потому, что размер пластической зоны у вершины малой трещины сравним с размером самой трещины. Возможным альтернативным подходом является использование t- интеграла(8,9). Определение t- интеграла для описания роста малых трещин очень трудоемко, вследствие чего к настоящему времени существует очень мало методик его определения. Одним из наиболее удачных, по-видимому, можно считать выражение Dowting (5), оценивающего размах t- интеграла Dt- из зависимости

Dt = 3,2 DWC a+5 DWP a

где DWC = Dd 2/2E, а

Dd - размах напряжений; De- размах продольной пластической деформации, а– глубина трещины, Е- модуль упругости, S- коэффициент из формулы, описывающей зависимость d - e при статическом нагружении образца с трещиной:

ea и da полная деформация и напряжение соответственно, А и S константы материала. Этот подход применим для трещин, перпендикулярных оси нагружения и Dt- должен вычислять только для той части цикла, на которой трещина является открытой.

За счет большого деформационного упрочнения стали 3 при небольших длинах трещин пластической деформации в районе предела усталости практически не наблюдается и, поэтому, пластической составляющей в выражении для Dt- пренебрегали. Многие исследователи(10,11) считают, что фронт малой трещины представляет собой полуокружность и, следовательно, глубину трещины можно определить как ее полудлину на поверхности. Таким образом, выражение для Dt- можно написать следующим образом:

где C- длина трещины на поверхности.

Результаты исследования.

Структура. Структура стали 3 после контролируемой прокатки приведена на рис. 4, а стали 09Г2С на рис. 5. Для режимов 0,2 и 8 структура состояла из феррита и перлита. Для режима 0 объемная доля феррита больше, чем перлита и примерно половина зерен феррита окружена перлитом. Соседний размер зерна феррита Dсред составлял 11 мкм. Для режима 2 стали 3 характерны большие зерна перлита, окруженные мелкими зернами феррита с Dсред=4 мкм. В стали 09Г2С этот режим приводит к образованию больших зерен феррита с Dсред=25 мкм и очень небольшого количества перлита. Режим 3 приводит к образованию больших бейнито-мартенситных зерен с содержанием мартенсита 8%, окруженных цепочками зерен феррита. При режиме 8 образуется мелкие зерна феррита с Dсред=6 мкм и незначительное количество перлита. Но при этом режиме появляется строчечность, а перлит организуется в небольшие колонии.

Механические свойства. Механические свойства стали 3 и 09Г2С приведены в таблице 2. Наиболее высокой прочностью обладает сталь, обработанная по режиму 3 (бейнитно-мартенситная структура). Но в то же время она обладает и самой низкой пластичностью и ударной вязкостью, хотя при температуре –40 и –70С этот показатель несколько выше среднего. Необходимо отметить, что ударная вязкость стали 3, обработанная по режиму 3 наименее подвержена относительному уменьшению с понижением температуры. Для стали 3 типа 3 наилучшей пластичностью обладает режим 8, но из-за наличия строчечности и неравномерного распределения перлита этот материал показывает наихудшие сопротивления распространению длинных усталостных трещин. Для стали 3 типа 4 основные тенденции влияния режимов прокатки на механические свойства сохраняются, хотя прочность и пластичность всех режимов кроме 3 находятся в близких пределах. Связь между структурными параметром Dсред и d0,2 после различных режимов прокатки соответствует закону Холла-Петча с коэффициентами d0=210 МПа и KY=455 МПа.