Морфология объёмных зон пластичности у газонаполненных пор в литых и порошковых сталях в условиях стресс-коррозии

Цель исследования. Целью настоящей работы являлась разработка метода расчета параметров объёмных  зон  пластичности  в  порошковых  и  литых  сталях,  развивающихся  в окрестности  пор  под действием внешнего растягивающего напряжения и внутреннего давления газов.

Mетоды.  Задачу решали на базе анализа распределения компонент тензора напряжений в окрестностях несплошностей (пор) различной формы. Поэтапно рассматривали образец, находящийся под действием растягивающих напряжений (σ) и содержащий единственный концентратор напряжения – сферическую пору радиусом  «а»,  а также  пору в форме  двояковыпуклой  линзы.  Выбор  морфологии  пор был обусловлен  их экспериментальным наблюдением в структуре реальных промышленных сталей, а также наличием решения для  оценки  поля  напряжений  около  сферической  поры,  выполненного  Л. Д. Ландау  и  Е. М. Лифшицем.  По сравнению с такими концентраторами напряжений, как узкая трещина или пора в виде двояковыпуклой линзы, концентрация напряжений около сферической поры выражена слабее. Однако для процессов диффузии атомов через зону повышенных напряжений важна не только величина напряжения, но и размер самой зоны. Около сферической полости размер перенапряженной зоны наибольший, поэтому анализ её морфологии был взят за основу. В  работе использовали моделирование функций, описывающих распределение напряжений около поры по аналогии с полем скоростей идеальной жидкости.

Результаты. Как объёмный объект описанные зоны пластичности представляют собой поверхности сфероида  и эллипсоида,  окружающие  сферические  и линзообразные  поры.  Очевидно,  что чем меньше отношение h/l для поры, тем дальше в поперечном направлении распространяется зона пластичности (больше ρ_max –l), становясь при этом всё более узкой (z₁ примерно пропорциональна h). В качестве характерных геометрических параметров зон пластичности около линзообразной поры были определены: её наибольшая протяжённость в радиальном направлении от вершины; характерная толщина зоны (ρ_max– l)l/a; площадь линзы; объём зоны и его доля от объёма линзы. Развитие зон пластичности около пор различной морфологии в сталях в условиях стресс-коррозии стимулирует изменение (рост) кинетических характеристик металла и создание благоприятных условий для ускоренной диффузии (обезуглероживания).  В области  зон пластичности  в окрестностях  пор под действием  внешнего  и внутреннего (давление газов) напряжений создание каналов облегченной диффузии формирует в точках D, B и C очаги зарождения субмикротрещин. Образующиеся в радиальных направлениях ювенильные свободные поверхности создают зоны реализованных аккомодационных возможностей среды – зоны пластичности. Вместе с ростом радиальных  трещин к их вершинам от поры, находящейся  под высоким давлением, ускоренно диффундируют газы.

Заключение. Предложенный в работе алгоритм анализа распределения напряжений позволяет прогнозировать  интенсивность  развития зон пластичности (трещинообразования)  в зависимости  от соотношения  параметров  β  (β  =  σT/  σ)  и  s  (s  =  р/σ),  то  есть  от  соотношения  величин  внешнего напряжения, предела текучести стали и давления газов в поре. Сделанный расчет позволил уточнить место зарождения, форму и масштаб развития зон пластичности (трещинообразования) в окрестностях пор различной морфологии в зависимости от соотношения внешнего напряжения и давления газов в порах.

1. Development of Damage and Decarburization of High-Strength Low-Alloy Steels Under Hydrogen Embrittlement / N.N. Sergeev, A.N. Chukanov, V.P. Baranov, A.A. Yakovenko // Metal Science and Heat Treatment. 2015. Vol. 57. № 1. P. 63-68.

2. Взаимосвязь повреждаемости и перераспределения примесей внедрения в конструкционных сталях при деформации и коррозионном воздействии / А.Н. Чуканов, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, А.А. Яковенко, И.М. Леонтьев // Деформация и разрушение. 2015.№ 6. С.37-42.

3. Давыдов Ю.И., Агеев В.С., Сергеев Н.Н. Обезуглероживание стали в агрессивной среде // Технология машиностроения. 1974. Вып. 35. С. 145-152.

4. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 217 с.

5. Chukanov A.N., Levin D.M., Yakovenko A.A. Use and Prospects for the Internal Friction Method in Assessing the Degradation and Destruction of Iron-Carbon Alloys // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2011.Vol. 75. № 10. P. 1340-1344. ISSN1062-8738.

6. Термодинамическое обоснование «метанового» механизма деструкции упрочненных конструкционных сталей при электролитическом наводороживании под напряжением / А.Н. Чуканов, Н.Н. Сергеев, В.А. Терешин, Р.Н. Ростовцев, А.А. Яковенко, И.М. Леонтьев // Деформация и разрушение материалов. 2015. № 10. С. 32–39.

7. Обезуглероживание, водородная хрупкость и старение высокопрочных сталей в условиях электролитического наводороживания / И.М. Леонтьев, А.Н. Чуканов, Н.Н. Сергеев, А.А. Яковенко // «XXI Петербургские Чтения по проблемам прочности: матер. межд. конф. (15-17.04. 2014 г.). СПб., 2014. С. 194-197.

8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: в 10 т. Т. VII. Теория упругости. М.: Наука, Гл. ред. физматлитературы, 1982. 248 с.

9. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.

10. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. М.: Физматлит, 2010. 336 с.

11. Formation of Plastic Zones near Spherical Cavity in Hardened Low-Carbon Steels under Conditions of Hydrogen Stress Corrosion / N.N. Sergeev, V.A. Tereshin, A.N. Sergeev, D.M. Khonelidze, A.E. Gvozdev, A.N. Chukanov, I.M. Leont'ev, A.G. Kolmakov, A.A. Yakovenko // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9. № 4. P. 663-669.

12. Влияние микроструктурных факторов и термической обработки на коррозионную стойкость арматурной стали класса А600 / Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев, Д.С. Клементьев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. Т. 22, № 2(77). С. 52-63. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-2-52-63.

13. Влияние технологических режимов упрочнения арматурного проката для композиционных железобетонных конструкций на чувствительность к коррозионно-механическому разрушению / Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 3. С. 558-568.

14. Кинетика распространения трещин в металлических материалах при коррозионно-механическом разрушении / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 1 (26). С. 24-37.

15. Исследование сравнительной стойкости арматурных сталей в процессе ускоренных лабораторных испытаний на водородное растрескивание / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев, Д.С. Клементьев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 1 (26). С. 38-48.

16. Влияние уровня растягивающих напряжений на длительную прочность арматурных сталей в водородсодержащих средах / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова, С.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 2 (27). С. 6-19.

17. Влияние температуры отпуска на стойкость арматурной стали 20ГС2 против водородного растрескивания / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 2 (27). С. 54-67.

18. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 5. Ч. 2. С. 136-144.

19. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, Д.М. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3-7.

20. Технология конструкционных, эксплуатационных и инструментальных материалов / А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Д. Бреки. Тула, 2018. 406 с.

21. Жидкие и консистентные смазочные композиционные материалы, содержащие дисперсные частицы гидросиликатов магния, для узлов трения управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Н.А. Крылов, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, Д.А Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.В. Малий / под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 166 с.

22. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.Д. Бреки, Н.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, Д.В. Малий. Тула: ИздательствоТулГУ, 2016. 235 с.

23. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Vol. 8. No. 1. P. 126-129.

24. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков// Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.

25. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.

26. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода / В.П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11-22.