Фрактографические исследования статического разрушения малогабаритных образцов литой стали 20ГЛ после объемно-поверхностной закалки

Термическое упрочнение крупногабаритных изделий создает неравномерное распределение вязкости по сечению изделия. При этом, обычно, вязкость поверхностных слоев нарастает с глубиной. В работе исследовалось методами фрактографии разрушение после испытания на статический трех точечный изгиб малогабаритных балочных образцов, вырезавшихся из боковых рам тележек грузовых вагонов после нормализации и объемно-поверхностной закалки (ОПЗ). Нормализация включала выдержку при 930–960 ºС в течение 2 ч, охлаждение на воздухе. Последующая ОПЗ состояла из нагрева нормализованных фрагментов в электропечи до 950–970 ºС в течение 40 мин, выдержки в течение 60 мин и охлаждения до 20–30 ºС со скоростью 800 град/с быстродвижущимся потоком воды (продолжительность охлаждения 2 мин). Траекторию развития трещин изучали на продольных и поперечных шлифах боковой поверхности фрагментов с помощью оптического микроскопа Axiovert 40. Для анализа изломов использовали сканирующий микроскоп Hitachi TM1000.

Анализ изломов образцов стали 20ГЛ при изгибе показал, что в упрочненном после ОПЗ слое в стали макроскачков трещины нет. Рост трещины в упрочненном слое, по-видимому, происходит по механизму зарождения и роста микротрещин, то есть фронтальному движению трещины предшествует накопление повреждений в упрочненном слое. Фронт развивающейся трещины прямой. Отклонение от линейности диаграммы «нагрузка-прогиб» перед максимумом нагрузки (Р_max = 47-48 кН) соответствует выходу трещины в вязкую сердцевину. Трещина проходит упрочненный слой с повышенной твердостью (550 HV) и постепенно останавливается в слое большей вязкости (250 HV). В дальнейшем, по мере роста нагрузки, к фронту трещины присоединятся микротрещины. Однако, рост трещины в вязкой сердцевине образца затруднен из-за пластической деформации в ее вершине. Пластическая деформация резко меняет траекторию трещины создавая грубый рельеф излома в вязкой сердцевине образца.  При достижении максимума нагрузки (прогиб от 9 до 11 мм) трещина начинает развиваться макроскачками, чему свидетельствует сигналы акустической эмиссии с амплитудой импульсов АЭ от 6 до 10 В регистрируемые при испытании. По измерениям на боковой поверхности образца трещина до остановки испытаний вырастала на глубину от 4 до 7 мм от поверхности образца, т.е. на всю глубину поверхностно упрочненного слоя металла после ОПЗ.

Научный руководитель – к.ф.-м.н. Ханжин Владислав Георгиевич