Границы зерен в сталях со структурой мартенсита характеризуются наименьшей прочностью по сравнению с телом зерен. Это связано с тем, что границы зерен 1) не имеют правильной кристаллической решетки и являются местом стыковки разноугловых кристаллических решеток, 2) на границах зерен мартенситной стали сосредоточены сегрегации (плоские скопления) охрупчивающих примесей серы, фосфора, сурьмы, 3) на границах исходных аустенитных зерен в местах выхода кристаллов мартенсита на границы зерен существуют области объемного растяжения (ООР) [1]. В связи с этим зарождение трещины в мартенситных сталях в основном происходит на границе зерна. В ряде работ [2] качественно изучено влияние этих факторов на прочность границы зерна, однако количественно прочность границ зерен практически не установлена. При замедленном разрушении зарождение трещины и дальнейшее ее развитие происходит по границам зерен. Поэтому напряжение разрушения соответствует прочности границ зерен.
Цель работы – количественная оценка прочности границ зерен мартенситной стали, ослабленной сегрегациями примесей и остаточными микронапряжениями на основе метода конечных элементов.
Исследовали сталь 18Х2Н4ВА (0,19 С; 1,5 Cr; 4,1 Ni; 0,2 Si; 0,37 Mn; 0,82 W; 0,003 S, вес. %), выплавленную в открытой индукционной печи. Термическую обработку образцов проводили в вакуумированных кварцевых ампулах по режиму: нагрев до 1000 °С, выдержка 10 мин., закалка в воде. После термообработки четыре партии образцов выдерживали разное время (15; 2700; 4600 и 8700 мин.) при комнатной температуре. До испытаний образцы содержали в жидком азоте при 77 К. Испытания на замедленное разрушение проводили по методике [2]. В результате определяли пороговые нагрузки, ниже которых разрушение не происходило за базовое время испытаний. Содержание фосфора на границах зерен определяли на изломах с помощью ОЖЕ-спектрометра. Уровень остаточных внутренних микронапряжений определяли по методике [3].
Для расчета локальных напряжений в зоне зарождения трещины использовали метод конечных элементов (МКЭ), учитывающий как упругие, так и пластические деформации в зоне зарождения трещины [2]. Суть метода конечных элементов заключается в том, что тело представляется в виде некоторого каркаса, состоящего из элементов прямоугольной или треугольной формы, что связано с двумерностью деформаций. Совокупность элементов образует законченную решетку, внешняя форма которой соответствует форме тела. Распределение напряжений в теле рассчитывают, рассматривая равновесие сил в общих точках или узлах решетки, а распределение деформаций – принимая во внимание перемещение обоих узлов [2]. Входные характеристики программы: предел текучести, модуль Юнга, показатель и коэффициент упрочнения определяли из испытаний на растяжение гладких образцов МРГ-3 после аналогичной термообработки. Моделировали образец 10х10х40 с надрезом глубиной 2,00 мм, углом раскрытия надреза 45о радиусом закругления 0,25 мм, нагруженный сосредоточенным изгибом. В результате расчетов методом конечных элементов определяли напряженно-деформированное состояние перед концентратором напряжений для дискретных нагрузок до и после появления пластической зоны вплоть до состояния общей текучести образца во всех узлах сетки квадратичных элементов. По этим данным строили зависимость растягивающего напряжения σ11 от расстояния до поверхности надреза вдоль оси симметрии образца.
В результате была установлена зависимость порогового локального напряжения σ11порог от уровня остаточных внутренних микронапряжений и содержания фосфора на границах зерен.
Таким образом, показана возможность количественной оценки прочности границы зерна мартенситной стали, охрупченной одновременно остаточными внутренними микронапряжениями и сегрегациями примеси фосфора.