УДК 620.22: 621.771: 620.178.3

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ  МНОГОСЛОЙНОГО СТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

 

INFLUENCE OF THE STRUCTURAL STATE ON ENDURANCE OF MULTILAYER STEEL MATERIAL

 

Минаков А.А., Власова Д.В.,Плохих А.И.

 (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ)

Minakov A.A., Vlasova D.V.,Plokhikh A.I.

(Bauman Moscow State Technical University)

 

В работе дан анализ влияния многослойного строения на повышение усталостной долговечности материалов с ламинарной структурой и  представлены результаты исследований многослойных стальных материалов на выносливость.

In this paper the influence of a multilayer structure on increasing the fatigue life of materials with a laminar structure was analyzed and the results of studies of multilayer steel materials on endurance were presented.

 

Ключевые слова: многослойные стальные материалы, горячая пакетная прокатка, ламинарная структура, выносливость.

Key words: multilayer steel materials, hot pack rolling, laminar structure, endurance.

 

Одним из подходов при выборе материалов, работающих в циклическом режиме нагружения, является анализ прочностных свойств выбираемого материала. Принято считать, что более выносливым будет материал, обладающий более высоким пределом прочности [1]. Однако такой подход лишь отчасти верен. Усталость материала достаточно чувствительна к структурному состоянию материала. В поликристаллических конструкционных материалах, при анализе прочностных свойств, используют правило смесей и закон Холла-Петча, σ ~ h-1/2 (где σ – прочность при пластической деформации и h–размер зерна). Соответственно, можно сказать, что одним из подходов в поиске материала, обладающего большей выносливостью, является создание в таком материале ультрамелкодисперсной ориентированной структуры.

Одним из новых видов материалов, обладающих ультрамелкодисперсной ориентированной структурой, являются многослойные металлические материалы. Изучение таких материалов в первую очередь интересно тем, что они имеют уникальный комплекс механических свойств (в том числе высокий показатель предела прочности), который обусловлен формирующейся в них особой ламинарной (многослойной) структурой. Ламинарная структура может быть получена различными методами и с использованием в качестве исходных компонентов как гомогенных материалов [2], так и гетерогенных [3]. Уникальность механических свойств начинает проявляться при достижении толщины отдельного слоя значений субмикронного и нанометрического диапазона [4].

До настоящего времени исследований по изучению поведения многослойных материалов при циклическом виде нагружения было проведено мало, большинство из которых относятся к гетерогенным материалам. Результаты этих исследований показывают, что многослойные металлические материалы способны проявлять высокие показатели усталостной прочности. Так, в частности, в работе [5] на многослойном материале на базе меди и ниобия было показано, что при достижении в таком многослойном материале толщины отдельного слоя в 40 нм возможно получить высокий предел усталостной прочности, равный 450 МПа. Однако исследований усталостного поведения многослойных материалов на базе гомогенных материалов до сих пор проведено не было, как и не было проведено исследования причин повышения усталостных характеристик в таких материалах.

В качестве объектов исследования, были взяты многослойные стальные материалы, полученные методом горячей пакетной прокатки по экспериментальной технологической схеме (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема экспериментального технологического маршрута получения многослойного стального материала [4]

 

Данная схема состоит из нескольких повторяющихся друг за другом технологических циклов. В качестве исходных материалов берутся гомогенные материалы на основе железа – промышленно выпускаемые нержавеющие стали двух марок 08Х18Н10 и 08Х18. Из листов данных сталей путём мерной резки получают карточки толщиной 0,5 мм. После обработки поверхности заготовок-карточек из них формируется многослойный пакет, состоящий из 100 чередующихся между собой листов сталей через один по 50 штук каждой марки. Затем данный многослойный стальной пакет вакуумируется и пластически деформируется методом горячей прокатки при температуре 1000 оС. В результате первого технологического цикла получают многослойный стальной материал толщиной 2 мм, с толщиной отдельного слоя 20 мкм.  Полученные листы многослойного стального материала служат заготовками для проведения второго технологического цикла, состоящего из тех же технологических операций. По завершению второго технологического цикла формируется многослойный материал толщиной 2 ммс количеством слоев 1400,при толщине отдельного слоя 3 мкм (рис. 2). Из полученных листов многослойного стального материала после первого и второго технологических циклов были приготовлены образцы для проведения усталостных испытаний.

 

Рисунок 2 –  Электронное изображение ламинарной структуры многослойного стального материала на основе нержавеющих сталей 08Х18Н10 и 08Х18 после завершения второго технологического цикла

 

         Усталостные испытания при циклическом нагружении многослойных стальных материалов на основе нержавеющих сталей 08Х18Н10+08Х18 были проведены с помощью инструментальной методики постепенного увеличения ступенчатой нагрузки [6]. Основная идея экспериментальной методики заключается в следующем. При циклическом нагружении многослойного стального материала прикладываемая нагрузка ступенчато увеличивается (на Δσ = 10 МПа каждые ΔN = 104 циклов), начиная с уровня нагрузки, при которой многослойный стальной материал не повреждается (σmin = 200 МПа), до такого значения нагрузки, при котором происходит разрушение многослойного стального образца. Отслеживаемая реакция многослойного стального материала на циклически прикладываемую нагрузку (амплитуда смещения и изменение напряжения) фиксируется измерительными приборами.Полученный отклик многослойного стального материала фиксируется на графике в виде зависимости от нагрузки и количества циклов (рис. 3). Значение разрушающего максимального напряжения σmax определяется с использованием численно-графических методов по изменению угла наклона полученной кривой, которая отображает отклик многослойного стального материала (в области перехода от линейной зависимости в экспоненциальную зависимость). На базе измеренного значения разрушающего максимального напряжения σmax, коррелирующего с последним циклом нагружения многослойного стального материала, можно определить подходящую величину нагрузки для проведения испытаний на усталостную долговечность при постоянной амплитуде в интервале малоцикловой усталости.

 

Рисунок 3 – Схема методики постепенного увеличения ступенчатой нагрузки для определения усталостной долговечности многослойного стального материала

 

         В результате усталостных испытаний многослойных стальных материалов на основе нержавеющих сталей 08Х18Н10+08Х18 в интервале малоцикловой усталости было установлено следующее.  Испытания при постепенном увеличении ступенчатой нагрузки  показали максимальное напряжение в 570 МПадля образцов после первого (со 100 слоями) и второго (со 1400 слоями) технологического циклов, которое было взято для проведения испытаний на усталостную долговечность при постоянной амплитуде в интервале малоцикловой усталости. Результаты этих испытаний показаны на рис. 4.

 

Рисунок 4 – Результаты испытаний на усталостную долговечность при постоянной амплитуде в интервале малоцикловой усталости для образцов многослойных стальных материалов 08Х18Н10+08Х18: со 100 слоями (после первого технологического цикла) и со 1400 слоями (после второго технологического цикла)

 

Из полученных результатов можно установить, что при увеличении количества слоев в многослойном стальном материале (со 100 слоев после первого технологического цикла до 1400 слоев после второго технологического цикла) возрастает усталостная долговечность (с 6,6·104 циклов после первого технологического цикла до 23·104 после второго технологического цикла). Т.е. изменение структурного состояния (увеличение дисперсности ламинарной структуры) привело повышению выносливости многослойного стального материала в 3,5 раза [7].

Увеличение выносливости многослойного стального материала с учетом литературных данных можно пояснить тем, что в многослойных металлических материалах реализуются особые деформационные механизмы. Для поликристаллических материалов деформационные механизмы связаны со скольжением плоских скоплений дислокаций. Как показывают исследования с применением методов молекулярной динамики, деформация в многослойных металлических материалах не связана со скольжением плоских скоплений дислокаций.  Т.к. в многослойных металлических материалах формируется ламинарная структура с толщинами от субмикронного до нанометрического диапазона, то при такой малой толщине отдельного слоя деформационные процессы происходят на межслойных поверхностях раздела путем скольжения единичных дислокационных петель в объеме границы параллельно поверхностям раздела в обоих слоях (рис. 5).  Таким образом, закон Холла-Петча не может пояснить повышение прочностных свойств в многослойных металлических материалах. Авторы исследования [8] также указывают, что на скольжение единичных дислокационных петель влияют многие факторы, среди которых: величина поверхностного напряжения между слоями многослойного металлического материала (зависящая от строения межслойных границ, ее когерентности и дефектности, угловой разориентировки кристаллических решеток), прочность на сдвиг границы раздела, другие энергетические факторы.

Рисунок 4 –  Схема процессов, которые определяют упрочняющий механизм в многослойных металлических структурах

 

Стоит также учитывать, что при получении многослойных стальных материалов в температурной области горячей прокатки происходит активная диффузия легирующих элементов через границу раздела в ламинарной структуре, которая усиливается при увеличении дисперсности ламинарной структуры [9]. Поэтому интересны результаты моделирования деформационных процессов в пленках, наносимых на подложку, авторами в работе [10], показывающие, что при переходе от субмикронных и микронных толщин пленок к нанометрическим необходимо учитывать помимо дислокационного скольжения другой механизм деформации – диффузионную ползучесть, и что преобладающий деформационный механизм зависит состояния границы раздела пленка-подложка.

Таким образом, в результате усталостных испытаний многослойного стального материала на базе нержавеющих сталей 08Х18Н10+08Х18 было выявлено, что выносливость многослойного стального материала увеличивается в разы (в 3,5 раза) при увеличении дисперсности его ламинарной структуры (со 100 до 1400 слоев за два технологических цикла). Повышение выносливости многослойного стального материала связано с влиянием механизмов скольжения единичных дислокаций, которые протекают на границах раздела многослойного стального материала. Для дальнейших исследований причин повышения выносливости требуется проведение экспериментов по моделированию деформационных процессов на границах раздела многослойного стального материала.

Список использованных источников

  1. Херцберг, Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов [Текст]: пер. с англ. / Р.В. Херцберг; пер. А. М. Бернштейн; ред.: А. М. Бернштейн, С. П. Ефименко. Москва: Металлургия, 1989. 575 с.
  2. Novelultra-highstrainingprocessforbulkmaterials – developmentoftheaccumulativeroll-bonding (ARB) process / Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji, T. Sakai // ActaMaterialia.  1999.  Vol. 47.  P. 579-583.
  3. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрическими толщинами слоев [Текст] / М.И. Карпов, В.И. Внуков, К.Г. Волков [и др.] // Материаловедение.  №1.  2004.  С. 48-53.
  4. Колесников, А.Г. Конструкционные металлические материалы с субмикро- и наноразмерной структурой[Текст] / А.Г. Колесников, А.И. Плохих // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. Спецвыпуск «Наноинженерия».  2010. С.44-52.
  5. Wang, Y.-C. Fatigue properties of nanoscale Cu/Nb multilayers / Y.-C. Wang, A. Misra, R.G. Hoagland // ScriptaMaterialia. 2006. Vol. 54. P. 1593-1598.
  6. Walther, F. Microstructure-oriented fatigue assessment of construction materials and joints using short-time load increase procedure / F. Walther // Materials Testing. 2014. Vol. 56. N. 7-8. P. 519-527.
  7. Production- and microstructure-based fatigue assessment of metallic AISI 304/430 multilayer materials produced by hot pack rolling / A. Schmiedt, L. Luecker, A. Kolesnikov, A.I. Plokhikh, F. Walther // Materialpruefung. 2017. Т. 59. № 2. С. 123-129.
  8. Wang, J. An overview of interface-dominated deformation mechanisms in metallic multilayers / J. Wang, A. Misra // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2011. N. 15. P. 20-28.
  9. Плохих, А.И. Исследование  влияния диффузионной  подвижности  легирующих  элементов  на  стабильность  структуры многослойных металлических материалов / А.И. Плохих, Д.В. Власова, О.М. Ховова, В.М. Полянский [Электронный ресурс] // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011. №11. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/262116.html
  10. Hartmaier, A. Multiscale modeling of deformation in polycrystalline thin metal films on substrates / A. Hartmaier, M.J. Buehler, H. Gao // Advanced Engineering Materials. 2007. Vol. 7. N. 3. P.1-5.