Реферат: Локализация напряжений у включений

ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

А. В. Нархов, Б. А. Клыпин, А. Рей, С. К. Пал, Н. С. Чистякова, И. В. Юнакова

(ЦНИИ информации и технико-экономических исследований черной металлургии)

Обзорная информация. Выпуск 1. Москва 1992



Влиянию неметаллических включений (НВ) на механические свойства сталей посвящено большое число исследований и ряд обзорных литератур­ных работ /1…3/. Если в период до 70-х годов это влияние связывали в основном c общей загрязненностью стали включениями, зависящей от содер­жания в ней кислорода и серы, то в настоящее время известно, что большое значение имеет не только количество включений, но и их размер, форма, состав и распределение. Возникла новая концепция чистоты стали и прогно­зирования ее механических свойств, основанная на статистических мето­дах подсчета включений и вероятностных расчетах нахождения в критичес­ком участке стали включений, размер которых превышает критический /4/. Хотя ввиду многообразия факторов, определяющих влияние включений, я трудностей его экспериментального исследования достаточно полные и на­дежные корреляционные зависимости между морфологией НВ и различными ха­рактеристиками прочности и пластичности сталей еще не установлены, большой объем накопленных данных позволяет выявить некоторые основные тенден­ции и закономерности.

Влияние различных параметров НВ на механические свойства сталей про­является в основном черва их воздействие на локализацию напряжений у вклю­чений и на механизм разрушения.
^ Локализация напряжений у включений
Локализация напряжений у НВ в стали связана с двумя основными причи­нами /1/: различным термическим сжатием включения и матрицы во время охлаж­дения материала и концентрацией приложенных к нему напряжений, обусловлен­ной различием модулей упругости включений и матрицы, а также формой вклю­чений.

Вследствие разницы коэффициентов линейного расширения включений и матрицы вокруг НВ возникают внутренние (структурные) напряжения σt. Ма­тематически эти напряжения, появляющиеся в результате термического сжатия при охлаждении, выражаются формулой

Для сферических и цилиндрических включений структурные напряжения изменяются пропорционально величинам 1/R3 и 1/R2 соответственно, где R — расстояние от границы раздела включение-матрица.



σt = ф·(αМ – αВ)·Δt

(0)

где

ф — функция модулей упругости включения и матрицы, а так же размера, формы и распределения включений;




αМ — коэффициент теплового расширения матрицы;




αВ — коэффициент теплового расширения включения;




Δt — изменение температуры.



Для большинства оксидных включений температурные коэффициенты меньше, чем для матрицы, т.е. α1< α2, и возникшие у них напряжения являются растягивающими напряжения, создаваемые оксидными включениями, могут приводить к значительному изменению свойств матрицы вокруг них и локальной пласти­ческой деформации, Объем стали, испытывающий пластическую деформацию, зави­сит от количества включений, их формы и величины теплового расширения. Сульфидные включения имеют более высокий температурный коэффициент по срав­нению с матрицей, что приводит к образованию пор на поверхности раздела. Легкость образования этих пор играет важную роль в вязком разрушении сталей с сульфидными включениями. Степень влияния НВ различных типов на структур­ные напряжения показана на рис. 1. Включения, коэффициент термического сжатия которых больше, чем у матрицы образуют поры; включения, коэффициент термического сжатия которых меньше, чем у матрицы образуют растягивающие напряжения.




Рис. 1 – Способность включений различных типов в подшипниковой стали повышать напряжения и образовывать поры /1/


Помимо возникновения структурных напряжений на концентрацию напряже­ний у включения влияет также разница модулей упругости включения (ЕВ) и матрицы (ЕМ). При воздействии приложенного в бесконечности напряже­ния σ0 касательное напряжение у границы раздела включение-матрица будет определяться по следующему соотношению:



бк = β·бо

(0)

где

β — коэффициент концентрации напряжений



Величина β зависит от соотношения ЕВ/ЕМ. При этом, учитывая, что значение ЕВ изменяется в пределах от 0,5 до 2,0 ЕМ, данный коэффициент можно определить из следующего уравнения:



β = 2·ЕМ/(ЕМ + ЕВ)

(0)



Однако эта зави­симость справедлива лишь в случае хорошего сцепления НВ с материалом мат­рицы. Исследования модельных систем, в которых включения, имитировались от­верстиями различной формы с заполнителем и без него, показали, что при от­сутствии такого сцепления НВ не оказывают понижающего действия на концент­рацию напряжений по сравнению со случаем присутствия дефекта без заполнителя.

При отсутствии других факторов для оценки относительного повышения на­пряжения и, следовательно, потенциальной способности НВ данного класса к за­рождению трещины можно просто суммировать структурные и приложенные напря­жения и получить значение



бy = бt+ бк =2·б0∙γ

(0)



которое соответствует макси­мальному касательному напряжению в образце со сферическим отверстием, под­вергаемом одноосному растяжению.
^ Влияние НВ на деформацию и разрушение
Нарушая сплошность металла, НВ, как и другие частицы второй фазы, игра­ют роль концентраторов напряжений и препятствуют движению дислокаций, оказывая прямое влияние на прочность, пластичность и характер разрушения материала. Отличие НВ от, всех других структурных cоставлящих стали определяется не столь­ко их природой, сколько очень больший диапазоном их размеров (10–5…10 мм) при сравнительно малом количестве. Содержание НВ обычно находится в. пределах 0,01…0,10 % об. При этом основная объёмная доля НВ (около 90 %) приходится на более крупные включения размером > 1 мкм /1, 5/. Среднее расстояние между НВ обычно в 10…20 раз превышает их поперечный размер и при любом их распре­делении они не приводят к заметному упрочнению материала, однако могут играть решающую роль в процессе его разрушения. При этом наиболее важно то, что различные виды разрушения обусловлены наличием НВ разных размерных классов.

Как очаги хрупкого разрушения опасны лишь сравнительно крупные НВ, раз­мер которых превышает критический. С использованием подхода, основанного на механике разрушения, определили критический размер αкр включений путем сравнения его с критическим размером дефекта при напряжении, равном пределу текучести σt различных сталей. Было получено, что для дефектов, пересекающих поверхность, αкр = 0,2…1,0 мм, а для внутренних дефектов αкр = 1,0…5,0 мм. Хотя эти критические значения в 10…100 раз превышают эксперименталь­ные оценки (50…500 мкм в зависимости от напряженного состояния), использова­ние указанного подхода позволяет установить количественную связь размера и формы НВ с требованиями к стали.

Теоретическими исследованиями и результатами многих экспериментальных работ установлено, что в высокопрочных сталях очагами хрупкого разрушения могут оказаться только экзогенные включения (за исключением усталостного разрушения) /1, 2, 4/.

В отличие от хрупкого разрушения вязкое разрушение сталей почти всегда определяется НВ. Большинство вязких изломов сталей со структурой феррита, бейнита и мартенсита имеет ямочный рельеф. На дне ямок с поперечным размером 0,5…5 мкм обычно наблюдаются НВ.

Полагают, что ямки диаметром более I мкм обусловлены наличием в металле НВ типа оксидов и сульфидов, а ямки меньших размеров связаны либо с межсубзеренным характером разрушения материала, либо с образованием пор на его дис­персных частицах /6/. Вязкое разрушение начинается от более крупных НВ (раз­мером 4…16 мкм в литой стали /7/), однако в слиянии микротрещин в одну ма­гистральную трещину участвуют и более мелкие НВ размером до 0,05 мкм.

Механизм вязкого разрушения металла включает в себя стадии зарождения в нем микропор, их роста и слияния /8/. Зарождение пор может происходить в результате растрескивания частиц НВ или нарушения связи (отслаивания) на поверхности раздела включение-матрица. Эти процессы могут приводить к об­разованию микропор не только во время механических испытаний (или эксплуата­ции) материала, но и во время предшествующих операций его горячей и холодной обработки давлением. Механизм зарождения микропор и микротрещин у включений зависит от их относительной пластичности по сравнению с матрицей, оцениваемой показателем пластичности



v = εВ/εМ

(0)

где

εВ, εМ — истинная деформация включения и матрицы



Значение v мо­жет изменяться от 0 до 1 и, помимо природы НВ, зависит от их размера, темпе­ратуры и степени деформации. Оксидные включения хрупки при низких температу­рах, но могут обладать значительной пластичностью при 850…1250 °С. При этих температурах величина v у корунда (Al2O3), алюминатов кальция и оксидов редкоземельных элементов (РЗМ) близка к нулю. Влияние температуры на показатель пластичности оксидных включений различных типов показано на рис. 2.




Рис. 2 – Влияние температуры на деформируемость различных оксидных включений в стали:

а — FеО (при увеличении содержания Мn в оксиде (Fе,Мn)O кривая смещается влево); б — оксиды шпинельного типа 3МgО·Аl2O3 (1) и МgО·Аl2O3 (2). (при увеличении содержания МgО·Аl2O3 в шпинели кривая смещайся влево); в — силикаты Мn (3) и Fe (4) и чистый SiO2 (5) (при увеличении содержания SiO2, Са и Fе кривые смещаются вправо, а при увеличении содержания Мn — влево)


Сульфидные включения пластичны в интервале температур от минус 80 до плюс 1260 °С, Относительная деформация включений МnS зависит от отношения твердостей этого вещества и матрицы, ориентации сульфидов и их типа. В интервале температур пластичность сульфидов увеличивается в порядке, от первого до третьего типов /9, 10/.

Как показали экспериментальные исследования, при v = 1 включения (на­пример, MnS) деформируется одинаково cо сталью и сцепление на поверхности раздела не нарушается /1/. С уменьшением величины v на поверхности раздела возникают напряжения, которые могут приводить к образованию трещин (кони­ческих пустот). Включения с показателем v = 0,5…1,0 (например, силикаты при высоких температурах) обычно нормально деформируются при прокатке с ред­кими микротрещинами на поверхности раздела. При v = 0,03…0,3 часто возни­кают конические пустоты, а около недеформируемых включений с показателем v = 0 (например, алюминаты кальция) — также горячие трещины.

При холодном деформировании сталей могут возникать микротрещины, свя­занные с хрупким разрушением сульфидных и оксидных включений.

Теоретические и экспериментальные исследования по определению критичес­кого размера включений, при котором происходит образование пор во время опе­раций горячей обработки давлением, показали, что критический размер включений кремнезема, приводящий к образованию микротрещин на поверхности раздела вклю­чение-матрица, составляет 2,5…3,5 мкм при степени деформаций около 0,7, а для включений FeО и МnО этот размер составляет 4…7,5 мкм в зависимости от степени деформации и показателя v /11/.

Последующий рост пор (увеличение их объемной доли f) зависит от ис­тинной деформации ε, коэффициента k концентрации деформации около частиц, начальной объемной доли f0 частиц и геометрического параметра r, характери­зующего фронтальный радиус кривизны пор и различного для разных условий их за рождения [8]



f = (отслаивание)

(0)

f = (растрескивания)

(0)

где

d — размер (диаметр) включений;




f — объемная доля включений.




ε0 — постоянная величина



При достижении критической объемной доли пор на определенной стадии деформирования (начало пластической нестабильности) происходит разрыв тонких стенок между порами, их слияние и быстрое распространение вязкой трещины.

Если для критерия начала пластической нестабильности принять отношение ширины d пор к расстоянию λ между соседними порами, то зависимость между истинной деформацией при разрушении εT, объемной долей частиц f и их морфологией выражается



ф = =

(для отслаивания частиц)

(0)

ф = =

(для растрескивания частиц).

(0)

где

ф — постоянная величина, зависит от отношения ширины d частицы к критического расстоянию между частицами



Параметр ф является постоянной и зависит от отношения ширины d частицы к критическому расстоянию между частицами.

Экспериментальные исследования вязкого разрушения феррито-перлитных сталей с различным содержанием и формой сульфидов согласуются с представле­ниями о зарождении, росте и слиянии пор /8/. Поры образуются на поверхности раздела сульфид-феррит при незначительных деформациях вследствие слабой свя­зи между включением и матрицей. Рост пор обычно происходит в направлении главной деформации и очень чувствителен к форме частиц Удлинение пор приво­дит к уменьшению расстояния между ними в поперечном направлении. Эксперимен­тальные значения объемной доли f пор хорошо совпадали со значениями, полу­ченными из выражения (1) для случая отслаивания частиц. Однако некоторое сли­яние пор наблюдали при значительно меньших, чем расчетные, деформациях, что. было связано со значительно меньшими расстояниями между частицами по сравне­нию с предполагаемым теорией равномерным распределением частиц.

Рост пор в поперечном направлении обычно связан с более поздней стадией их слияния, которое происходит при достижении критической объемной доли пор в ограниченном интервале деформации и вызывает вязкое разрушение. Для стали о сульфидными включениями это означает, что пластичность чувствительна к форме и объемной доле сульфидов.

Дискообразные сульфиды, плоскость которых перпендикулярна оси растяжения являются гораздо более вредными, чем сульфиды, вытянутые в направлении де­формации /8/. Однако при постоянной объемной доле сульфидов размер включе­ний слабо влияет на их пластичность. Критерии для начала слияния пор и вяз­кого разрушения в значительной степени зависят от расстояния между частицами. Поведение оксидных частиц, как источников зарождения пор аналогично поведе­нию сульфидов при данной форме и объемной доле частиц.

Критерий разрушения ф предполагает, что начало пластической нестабиль­ности возникает при постоянной объемной доле пор и что размер ямок в вязком изломе будет связан с размером НВ в поперечном направлении. Эти предположе­ния согласуются с экспериментальными данными с учетом отклонений, связанных с неравномерным распределением частиц. Для сульфидных включений были полу­чены средние значения отношения ширины включений к диаметру ямок 0,3…0,6.
^ Методические аспекты исследования влияния НВ на свойства
Установление связи между морфологией НВ и механическими свойствами ста­лей требует надежного методического подхода, обеспечивающего достаточно полное я точное определение размере, формы и распределения НВ различных ти­пов, их химического состава, а также поведения при деформации и разрушении. Обычно используют комплекс методов, включающий металлографический анализ, рентгеноопектральный микроанализ (РСМА) и количественную оценку и автомати­ческих анализаторах изображений (ААИ). Для исследования НВ размерами менее 11 мкм и влияния НВ на разрушение металла применяют методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии.

Металлографическое исследование нетравленых микрошлифов на световом микроскопе о использованием светло- и темнопольного освещения и поляризо­ванного света позволяет установить форму, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость, микротвердость и другие признаки НВ. Сопостав­ление этих признаков с эталонами и классификационными таблицами дает возмож­ность достаточно достоверно установить состав, структуру и тип многих НВ /12/. Металлографический метод можно также использовать для приближенной ко­личественной оценки загрязненности стали НВ по эталонным шкалам, приведенным в соответствующих стандартах.

Оценка НВ на современных ААИ (например, моделей Quantimet 520 фирмы "Cambridge Instruments" ("Кембридж инструментс") и Magiscan — 2 фир­мы "Jouce Loeble" ("Джойс Лейбл"), Великобритания, IBAS-2000 фирма "Optiоп" ("Оптон"), ФРГ, и др. позволяет определять содержание (долю площади на шлифе), НВ различных видов с достаточно отличающимися оптическими характеристиками,,различные параметры размера и формы НВ, их ориентацию, рас­пределение по размерам, форме и другим признакам, статистические параметры распределения (средний размер, среднеквадратичное отклонение, дисперсию и т.д.) /13/. Используя.регрессионный анализ, можно оценить корреляцию различ­ных параметров НВ с механическими свойствами стали и установить основные параметры, определяющие те или иные свойства.

РСМА является основным методом определения состава НВ. Ни современных приборах для РСМА (Сamelbax SX фирмы "Сameca" ("Камека"), Франция; рас­тровые электронные микроокопы с системой АУ1000 фирмы "Link Analitical" ("Линк Энелитикел"), Великобритания и др. можно экспрессно и с высокой точ­ность» определять содержание в НВ любых элементов, начиная с бора /13/. В сочетании с системами для количественного анализа изображений, полученных в растровом элетронном микроскопе, такие приборы дают возможность классифи­цировать НВ по геометрическим параметрам и химическому составу /14/.

Важную информацию позволяют получить фрактографические методы опреде­ления роли НВ в развитии разрушения. Систематическое фрактографическое ис­следование позволяет ответитъ на вопросы о том какие НВ (тип и размеры) преобладают в изломе и соответственно определяют, характеристики разрушения /15/; какое влияние оказывают тип, форма, ориентировка и распределение НВ на различные стадии деформации и анизотропию характеристик разрушения /6,9/) какие оптимальные вида испытаний необходимы для выявления трехмерной формы НВ; какое влияние оказывают НВ размером порядка 0;1 мкм и другие.

При исследовании корреляции морфологии НВ с механическими свойствами стали, помимо непосредственного влияния НВ, важно также учитывать их влия­ние на структуру стали: образование полосчатой микроструктуры в горячеката­ной стали, рост зерна, процессы выделения различных фаз и распада аустенита /1, 3, 4/.
^ Влияние НВ на механические свойства при растяжении
Влияние НВ на свойства сталей при испытаниях ее на, растяжение проводили на модельных композициях, полученных методами порошковой металлургии /1,16/. Исследование образцов железа, содержащих 1…7 % об. частиц Аl2O3 размером 15…35 мкм, показало, что с увеличением содержания НВ подавляется у стали верхний предел текучести, снижаются модуль упругости, временное сопротив­ление и характеристики пластичности. При этом влияние размера частиц оказа­лось менее значительным, чем влияние их объемной доли.

При исследовании /16/ композиций на основе никеля, содержащих включения Аl2O3, SiO2 и СаО·MgO·2SiO2 количество и размеры которых соответствовали реальным сталям, было установлено, что увеличение содержания этих включений от 0,05 до 0,5 % (по массе) приводит к некоторому (на 5…9 %) увеличению вре­менного сопротивления σВ и более значительному снижению значений относитель­ных сужения пси (на 15…45 %) и удлинения δ (на 10…15 %) /16/. При этом на уровень механических свойств по сравнению с чистым никелем наибольшее влия­ние оказывают равномерно распределенные включения корунда и глобулярного крем­незема и в меньшей степени строчечные включения корунда и силиката.

Установлено снижение механических свойств стали 08Ю при растяжении с увеличением общего содержания НВ /3/. Получены уравнения регрессии, связы­вающие величины δ, предела текучести σ0,2 и σВ стали с содержанием НВ (в основном оксидов) и расстоянием между ними.

Понижение свойств стали при растяжении объясняется тем, что НВ в ней служат концентраторами напряжений и деформаций в матрице, вызывая локальное разрушение материала при более низкой средней деформации. Уменьшение преде­ла текучести с увеличением содержания НВ связано с тем, что уже на стадии упругой деформации около НВ в локальных областях матрицы начинается пласти­ческая деформация /17/. Разрушение вблизи НВ начинается, при достижении на­пряжений, равных половине предела текучести матрицы /17/.

Однако уменьшение прочностных свойств сталей при увеличении в них содер­жания НВ в практически возможных пределах обычно не проявляется или не пре­вышает 10 %. Основное влияние НВ оказывают на характеристики пластичности, особенно на анизотропию этих характеристик. Строчечные оксидные и вытянутые включения могут приводить к значительной анизотропии пластичности листовой стали, которая по направлениям уменьшается в порядке: продольное, поперечное и высотное /10, 18/.

При растяжении поперечных и особенно высотных образцов эффективный размер включений увеличивается, а расстояние между ними уменьшается по сравнению с продольными образцами. Вследствие этого НВ в шейке поперечных образцов отслаиваются при меньших деформациях и напряжениях, а при слиянии образующих микротрещин поглощается меньшая энергия. При этом в зависимости от направления может изменяться вид излома. На поперечных образцах ленточные перемычки между вытянутыми включениями могут срезаться, создавая шиферностъ излома без образования ямок) /5,6/. Ранний расслой от пленки силикатов или сулъфид MnS уменьшает общую пластичность /19,20/. По этим причинам сульфиды типа в слитке и особенно пленочные сульфиды опаснее глобулярных сульфидов того объема я деформируемости, поскольку при одинаковом обжатии они образуют более широкую ленту включений. Относительное сужение поперечных образцов может быть ниже в 2…3 раза, чем продольных /18/.
^ Влияние НВ на ударную вязкость в трещиностойкость
Факторами, определяющими энергоемкость вязкого разрушения, являются /21/: количество и распределение частиц или включений, которые зависят от состава термической обработки стали сопротивление частиц (или поверхности раздела частица-матрица)сколу или отрыву, которое зависит от состава частиц и матрицы; прочность (сопротивление деформации) матрицы) пластичность метала (в первую очередь способность к локальной деформации) и коэффициент деформационного упрочнения, определяющий стадию деформации, при которой про­водит начало пластической нестабильности.

На вязкое разрушение феррито-перлитных сталей обычно наиболее сильно влияют включения. Кроме сульфидов, на вязкость стали оказывают влияние оксиды и карбиды. Считают, что работа разрушения является функцией суммы объемных долей этих фаз. В обычных раскисленных сталях сульфидов больше (по объему), чем, остальных включений и вязкость стали определяется именно содержанием, однако для сталей со сверхнизким содержанием серы (<0,005 %) лад оксидов становится существенным.

С увеличением содержания НВ в стали ее ударная вязкость уменьшается, причем, как правило, в большей степени, чем характеристики пластичности при растяжении /3, 22, 23/. Снижение пластичности и вязкости стали при увеличении в ней содержания НВ связывают о различными параметрами включений: их объемной долей, суммарной протяженностью строчечных включений и др. Это расхождение данных может быть обусловлено как зависимостью параметра НВ, определяющего механические свойства, от вида испытаний (напряженного состояния) типа и распределения НВ, так и недостаточно систематической оценкой связи свойств о различными параметрами НВ с использованием ААИ и статистического корреля­ционного анализа.

Установлена корреляция характеристик пластичности при растяжении и удар­ной вязкости низколегированных феррито-перлитных сталей (09Г2ФБ, 16Г2САФ и др.) с суммарной протяженностью сульфидных или сульфидных строчечных оксидных включений (L, мкм/мм ) /16,22,24/. Корреляционная связь хорошо описыва­ется линейными уравнениями регрессии /22/. На пластичность и ударную вязкость толстолистовых сталей в высотном направлении влияют только те включения нет группы включений, длина которых превышает определенную величину (50 или 70 мкм для исследованных сталей), причем степень влияния НВ на эти свойства определяется суммарной протяженностью включений /25/.

Для установления корреляции между параметрами НВ и пластичностью стает при растяжении и ее ударной вязкостью важное значение шест следующие три основных параметра /26/: доля АА площади шлифа, занятая включениями, средняя площадь А включений в плоскости разрушения и средняя длина l включений в плоскости и направлении разрушения (измеренная как диаметр ферета). При ис­пытаниях продольных, поперечных и высотных образцов толстолистовой низколеги­рованной феррито-перлитной стали А516-70, выплавленной до обычной техноло­гии (включающей контроль содержания серы и вакуумирования; и с дополнительной обработкой кальцием, было установлено, что относительнее сужение при растяже­нии лучше всего коррелирует с параметром А, а характеристики вязкости и трещиностойкости — с параметром l. Причина отмеченной различной корреляции мо­жет быть связана с тем, что пластичность при растяжения определяется в усло­виях большей степени стеснения деформации или трехоснооти напряженного состо­яния по сравнению со значительной пластической деформацией, происходящей при определении характеристик вязкости сталей /26/.

Данные о влиянии НВ на порог хладноломкости (Тхр) противоречивы. В ря­де случаев не наблюдали влияния НВ на Тхр /26/, а в других /27 — наблюдали снижение Тхр с уменьшением содержания сульфидов МnS. Отмечается сложный ха­рактер влияния MnS на Тхр, зависящий, в частности, от уровня прочности стали /28/. В сталях низкой и средней прочности содержание MnS слабо влияет на величину Тхр и ее анизотропию, а в сталях с σВ > 800 Н/мм2 это влияние ста­новится заметным, причем значение Тхр понижается с уменьшением содержания MnS. Влияние НВ на параметры трещиностойкости сталей КIc, JIc, δt (раскры­тие трещины) обычно аналогично их влиянию на ударную вязкость /22, 23, 26/.

Установлена тесная связь параметров JIc и δt при 100 °С с характе­ристиками распределения НВ, в частности, средним расстоянием между включени­ями в плоскости, перпендикулярной фронту трещины /29/.

Значение δt для горячекатаных сталей с высокой обрабатываемостью ре­занием, содержащих 0,1 и 0,28 % S, определяется суммарной протяженностью включений MnS /30/. Этот параметр связан с расстоянием между включениями в направлении, наиболее благоприятном для соединения с кончиком трещины, и, следовательно, с объемом матрицы, который должен быть разрушен при распро­странении трещины.
^ Влияние неметаллических включений на усталостные характеристики стали Общие представления о роли НВ в сопротивлении усталости
В настоя­щее время считается общепринятым, что усталостная долговечность гладких образцов снижается с повышением содержания включений /1, 31, 32/, Химический состав и форма включений оказывает сильное влияние на развитие разрушения. С точки зрения зарождения трещин гораздо более вредны угловатые включения корунда в глобулярные алюминаты кальция, чем более крупные сульфиды. В слу­чае строчечных включений трещина образуется в их среднем сечении /33/. Ми­нимальный размер включения считается удобным размерным параметром для оп­ределения "вредности" включения. Для твердых включений аналогичного хими­ческого состава склонность к зарождение трещин возрастает с увеличением размера включения. Критический размер включения, приводящего к зарождению трещины, зависит, от его местоположения. Поскольку усталостное разрушение начинается на поверхности, включения, расположенные на поверхности, гораз­до более вредны, чем подповерхностные. Наиболее важные факторы, определяю­щие, является ли включение критическим для зарождения трещины, — это его состав, размер, форма и расположение относительно поверхности. Плотность распределения включений играет главную роль в распространении трещины. Установлено, что большая часть усталостных разрушений начинается у неметаллических включений, которые играют роль концентраторов напряжений.
^ Влияние физических свойств включений
Включения на основе показателя v их деформируемости, характеризующего способность передавать напряжение, подразделяют на три группы /1/. Включения с низким показателем деформируемости, могут инициировать усталостные трещины двумя способами:

1) вызывать непосредственное зарождение трещины в процесс эксплуатации из-за неспособности передавать напряжение матрице (его приводит к по­вышению напряжений вокруг включений во время эксплуатации, вследствие чего зарождаются трещины);

2) низкий показатель деформируемости включений может быте причиной появления микротрещин на поверхности раздела включение-матрица в процессе горячей и холодной пластической деформации стали. Пред­варительно возникшие микротрещины могут быть причиной усталостного разрушения материала из-за распространения трещин в процессе эксплуатации.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что включения, которые явля­ются твердыми и хрупкими по сравнению с матрицей и в процессе обработки сохраняют свою форму (v = 0), гораздо в большей степени ухудшают усталостные характеристики стали, чем пластичные включения, имеющие высокий показатель деформируемости, (значения v для оксидных включений приведены выше и на Рис. 2). Так, с точки зрения усталости наиболее вредны включения алюминатов кальция и корунда с показателем деформируемости v = 0. Вокруг глобулярных включений алюмината кальция образуются полости, которые не деформируются в процессе деформации стали /34/. Хотя в случае угловатых включений корунда сведений об образовании таких полостей нет, установлено что у остроуголь­ных кромок включений происходит зарождение трещин. Сульфидные включения имеют высокий показатель деформируемости (v = 1) в не обнаруживают тенденции к образованию полостей, так как в данном случае не происходит нарушения связи между матрицей и включениями. Поэтому включения сульфидов не оказывают отрицательного влияния на усталостные характеристики стали. Присутствие сульфидной оболочки вокруг НВ также оказывает положительное влияние. Вклю­чения силикатов, показатель деформируемости которых занимает среднее поло­жение между пластичными сульфидами и недеформируемыми оксидами, оказывают "промежуточное" влияние на усталостные характеристики. Микротрещины, при­водящие к усталостному разрушению, могут также возникать в процессе пред­шествующей обработки стали давлением при повышенной температуре. Сопротив­ление усталости стали может понижаться с повышением степени горячей дефор­мации.
^ Влияние характеристик включений Химический состав
С точки зрения зарождения усталостных трещин наиболее вредными включениями в убывающем порядке являются: алюминаты кальция, корунд, шпинель /1/. Температурные ко­эффициенты этих включений возрастают в том же порядке. Таким образом вклю­чения с наименьшим температурным коэффициентом и показателем деформируемости оказывает наиболее отрицательное влияние на сопротивление стали усталости. Не все оксидные включения ведут себя аналогично корунду и алюминату каль­ция. Например, включения FeО редко встречаются в местах зарождения усталост­ной трещины. Это можно предположительно объяснить тем, что показатель дефор­мируемости FеО при низких температурах выше, чем при более высоких темпера­турах (в отличие от большинства других оксидов). Поэтому в случае усталости при комнатной температуре оксид FеО пластически деформируется подобно МnS без нарушения связи на поверхности раздела включение-матрица.

Модифицирование включений может приводить к изменению влияния, оказы­ваемого ими на усталостные характеристики. Так, увеличение содержания СаО в составе включений алюмината кальция улучшает сопротивление усталости. Для подшипниковой стали отмечено положительное влияние сульфидов марганца /35/. Чем меньше отношение количеств оксидов и сульфидов, тем выше усталостная долговечность. Наиболее благоприятным является случай, когда оксиды покры­ты оболочкой сульфидов. Однако, сульфиды, в которых марганец замещен каль­цием, представляют собой еще один вид вредных включений. Степень отрицательного влияния включений сульфида кальция связана о содержанием в нем кальция /36/. Чем выше содержание кальция, тем ниже пластичность стали в горячем состоянии и недеформируемые включения из этого элемента способст­вуют зарождению трещин.
^ Размер, форма и количество
Имеются данные, полученные при изучении влияния специально введенных частиц оксида алюминия на усталостную долго­вечность стали Еn 24 /1/. Для разрушения, зарождающегося непосредственно под поверхностью материала, критический размер включения составляет 10 мкм если же разрушение зарождается на расстоянии более 100 мкм под поверхность то критический размер включений увеличивается до 30 мкм. 7становлено также что для случая, когда включения находятся не ва поверхности материала и превышают по размерам критические, соотношение между размером включений и усталостной долговечностью имеет вид



i = k·Kf

(0)

где

i — диаметр включения;