ВЫЯВЛЕНИЕ ЗОН УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ ПРИ ГИГАЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ СТАЛИ 42CrMo4 С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ФРАКТОГРАФИИ

Гигацикловая усталость (ГЦУ) - явление усталостного разрушения при напряжениях ниже классического предела усталости, возникающее при количестве циклов ≥10⁷ вследствие роста внутренней усталостной трещины. Поверхность разрушения сталей и сплавов при ГЦУ разделяется на зоны, такие как мелкозернистая область (МЗО) и так называемый «рыбий глаз» (РГ). Различие в морфологии поверхности трещины можно численно оценить по параметру шероховатости. Y. Murakami и соавторы показали, что величина линейной шероховатости Ra пропорциональна коэффициенту интенсивности напряжений, тогда как K. Shiozawa и соавторы измерили Ra в МЗО и РГ. S. Stanzl-Tschegg, B. Schönbauer обнаружили промежуточную гладкую область (ГО) между МЗО и РГ. Однако количественный фрактографический анализ этой зоны не проводился, что и стало целью настоящей работы. Закаленные на мартенсит и азотированные образцы стали 42CrMo4 были испытаны циклически при симметричном нагружении ( R =-1) на резонансной частоте 19,5 кГц на машине для ультразвуковых усталостных испытаний (УЗУИ). Поверхности разрушения были проанализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ). ГО была экспериментально выявлена как зона усталостного разрушения между МЗО и РГ, характеризующаяся визуальной гладкостью, а также минимальными численными значениями параметров поверхностной шероховатости: Sq =4,15 мкм (шероховатость), S‘q =0,60 мкм (микрошероховатость) и Rs =1,02 (характеристическая площадь поверхности). Установлено, что гладкая область является результатом распространения внутренней усталостной трещины на стадии, предшествующей стадии стабильного роста трещины.

гигацикловая усталость, ультразвуковые усталостные испытания, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, фрактография, сталь 42CrMo4, усталостное разрушение, усталостная трещина, шероховатость

1. Hong Y., Sun C. The nature and the mechanism of crack initiation and early growth for very-high-cycle fatigue of metallic materials - An overview // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2017. Vol. 92. P. 331-350.

2. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels // Fatigue and Fracture Engineering Materials Structures. 1999. Vol. 22. № 7. P. 581-590.

3. Zhang L., Thomas B.G. Inclusions in continuous casting of steel // XXIV National Steelmaking Symposium. Morelia, 2003. P. 138-183.

4. Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 98. P. 228-239.

5. Stanzl-Tschegg S.E. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies // Fatigue and Fracture Engineering Materials Structures. 1999. Vol. 22. № 7. P. 567-579.

6. Stanzl-Tschegg S. Very high cycle fatigue measuring techniques // International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 60. P. 2-17.

7. Spies H.J., Dalke A. Case Structure and Properties of Nitrided Steels // Comprehensive Materials Processing. 2014. Vol. 12. P. 439-488.

8. Zhuang W.Z., Halford G.R. Investigation of residual stress relaxation under cyclic load // International Journal of Fatigue. 2001. Vol. 23. P. 31-37.

9. Weidner A., Lippmann T., Biermann H. Crack initiation in the very high cycle fatigue regime of nitrided 42CrMo4 steel // Journal of Materials Research. 2017. Vol. 32. № 23. P. 4305-4316.

10. Murakami Y. Metal Fatigue Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Amsterdam: Elsevier Ltd., 2002. 369 p.

11. Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. I: Basic aspects // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 97. P. 777-792.

12. Paris P., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws // Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME. 1963. Vol. 85. № 4. P. 528-533.

13. Zimmermann M. Very High Cycle Fatigue // Handbook of Mechanics of Materials. Singapore: Springer, 2018. P. 1-38.

14. Sakai T., Oguma N., Morikawa A. Microscopic and nanoscopic observations of metallurgical structures around inclusions at interior crack initiation site for a bearing steel in very high-cycle fatigue // Fatigue and Fracture Engineering Materials Structures. 2015. Vol. 38. № 11. P. 1305-1314.

15. Stanzl-Tschegg S., Schönbauer B. Near-threshold fatigue crack propagation and internal cracks in steel // Procedia Engineering. 2010. Vol. 2. № 1. P. 1547-1555.

16. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T., Murakami Y. On the mechanism of fatigue failure in the superlong life regime (N>107cycles). Part I: Influence of hydrogen trapped by inclusions // Fatigue and Fracture Engineering Materials Structures. 2000. Vol. 23. № 11. P. 893-902.

17. Murakami Y., Nomoto T., Ueda T., Murakami Y. On the mechanism of fatigue failure in the superlong life regime (N>107cycles). Part II: A fractographic investigation // Fatigue and Fracture Engineering Materials Structures. 2000. Vol. 23. № 11. P. 903-910.

18. Shiozawa K., Morii Y., Nishino S. Subsurface crack initiation and propagation mechanism under the super-long fatigue regime for high speed tool steel (JIS SKH51) by Fracture Surface Topographc Analysis // JSME International Journal, Series A: Solid Mechanics and Material Engineering. 2006. Vol. 49. № 1. P. 1-9.

19. Shiozawa K., Morii Y., Nishino S., Lu L. Subsurface crack initiation and propagation mechanism in high-strength steel in a very high cycle fatigue regime // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. № 11. P. 1521-1532.

20. Merson E.D., Danilov V.A., Linderov M.L., Myagkikh P.N., Merson D.L., Vinogradov A. Assessing Fracture Surface Ductility by Confocal Laser Scanning Microscopy // Procedia Structural Integrity. 2018. Vol. 13. P. 2152-2157.

21. Merson E., Danilov V., Merson D., Vinogradov A. Confocal laser scanning microscopy: The technique for quantitative fractographic analysis // Engineering Fracture Mechanics. 2017. Vol. 183. P. 147-158.

22. Мерсон Е.Д., Данилов В.А., Мерсон Д.Л. Количественный анализ изломов при помощи конфокальной лазерной сканирующей микроскопии // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4. P. 68-75.

23. Merson E., Kudrya A.V., Trachenko V.A., Merson D., Danilov V., Vinogradov A. Quantitative characterization of cleavage and hydrogen-assisted quasi-cleavage fracture surfaces with the use of confocal laser scanning microscopy // Materials Science and Engineering A. 2016. Vol. 665. P. 35-46.

24. Dudczig S., Aneziris C.G., Emmel M., Schmidt G., Hubalkova J., Berek H. Characterization of carbon-bonded alumina filters with active or reactive coatings in a steel casting simulator // Ceramics International. 2014. Vol. 40. № PB. P. 16727-16742.

25. Krewerth D., Lippmann T., Weidner A., Biermann H. Application of full-surface view in situ thermography measurements during ultrasonic fatigue of cast steel G42CrMo4 // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 80. P. 459-467.

26. Li W., Deng H., Sun Z., Zhang Z., Lu L., Sakai T. Subsurface inclusion-induced crack nucleation and growth behaviors of high strength steels under very high cycle fatigue: Characterization and microstructure-based modeling // Materials Science and Engineering A. 2015. Vol. 641. P. 10-20.