The Morphology of the Volume Plasticity Zones at the Gas-Filled Pores in Cast and Powder Steels under Stress Corrosion

Abstract

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 ρmax-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 (ρmaxl)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.