CC BY
13
УДК 669.018.291:620.178.3
И. П. Волчок, А. А. Митяев
СОПРОТИВЛЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ СИЛУМИНОВ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ НАГРУЖЕНИЯ
Описаны условия испытаний и приведены результаты исследований долговечности и сопротивления алюминиевых сплавов усталостному разрушению при циклическом на-гружении с частотами нагружения 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц.
Введение
В настоящее время очень остро стоит проблема снижения металлоемкости и массы различных узлов и деталей оборудования всех отраслей промышленности при одновременном сохранении удельной прочности и повышении коррозионно-механической стойкости. Данная задача решается за счет использования алюминиевых сплавов, сочетающих в себе достаточно высокие прочностные свойства и малую плотность. В то же время, с ростом потребления алюминиевых сплавов происходит накопление значительных количеств их лома и отходов производства, которые требуют повторной переработки - рециклинга. На сегодняшний день в развитых странах каждый третий килограмм потребленного алюминия получен путем рециклинга. В Украине за 2004 год было произведено порядка 110 тыс. тонн первичного алюминия и его сплавов и 90 тыс. тонн вторичных сплавов.
Наиболее крупными потребителями алюминия в мире и, соответственно, поставщиками его скрапа и лома являются: машиностроение, транспорт, строительная и пищевая промышленность (табл. 1).
Так как сфера потребления алюминиевых сплавов весьма широка и они используются для изготовления деталей ответственного назначения, работающих в широком диапазоне частот и нагрузок, очень важно, чтобы вторичные сплавы, изготовленные путем рециклинга, имели свойства, соответствующие уровню первичных.
В связи с этим разработка методов испытаний на усталость в широком диапазоне частот позволяет моделировать обширный спектр реальных условий эксплуатации деталей, прогнозировать сопротивление усталостному разрушению разных конструкционных материалов, а также значительно сократить время проведения исследований.
Результаты исследований и их обсуждение
Для установления частотной зависимости усталостной долговечности материалов и элементов конструкций от циклического нагружения были проведены испытания с частотами нагружения 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц. Испытания проводились на комплексах, разработанных и реализованных Белорусским государственным технологическим университетом. Основными активными элементами комплексов являлись магнитострикционные установки, которые работали в режиме автоколебаний. Исследования проводились на термообработанных образцах, которые были изготовлены из вторичного сплава АК8М3 (8,20 % Si; 2,65 % Cu; 0,98 % Fe; 0,87 % Zn), полученного с использованием разных технологических схем.
Согласно заводской технологии плавление металла осуществлялось под покровным флюсом 33 % KCl, 67 % NaCl с последующей обработкой рафинирующим флюсом: 15 % KCl, 45 % NaCl, 40 % AlF3. По экспериментальной технологии сплав дополнительно был обработан модификатором [2], в количе-
Таблица 1 - Образование скрапа при производстве и применении изделий из алюминия [1]
Отрасль Изделие Жизненный цикл, лет Образование скрапа в производстве, % Коэффициент сбора лома изделий,% Соотношение деформируемых и литейных сплавов
Транспорт Пассажирский самолет 25-30 100-122 85-90 90/10
Автомобиль 12-15 25-43 50-85 20/80
Строительство Оконная рама 40-50 11-18 85-95 100/0
Пищевая промышленность Банка для напитков 0,2-0,5 30-33 20-91 100/0
Фольга 0,2-1,0 10-20 10-30 100/0
Машиностроение Бытовая техника 7-10 40-70 50-85 50/50
© И. П. Волчок, А. А. Митяев 2006 г.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 — 175 —
стве 0,05 % от массы расплава.
Термическая обработка образцов проводилась по режиму Т5 (закалка + искусственное старение). После термообработки, с целью снятия поверхностного дефектного слоя, образцы подвергали электрополированию с использованием электролита состава: Н2304 - 86 мл, Н3Р04 - 86 мл, Сг03 - 6 г, Н20 -11 мл. Режим электрополирования был следующим: напряжение - 20 В, плотность тока - 1мА/ мм2, температура электролита - 298 °К, время обработки - 7 мин. После данной обработки шероховатость поверхности образцов не превышала Ra =
0.32 мкм.
Форма и размеры образцов для испытаний при высоких частотах нагружений представлены на рис.
1. Общая длина экспериментальных образцов зависела от частоты продольных циклических колебаний и составляла 98; 80,5; 51,5 и 40 мм соответственно для частот 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц.
Испытания на усталость силуминов, полученных по различным технологическим вариантам, проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502-79 [3]. Согласно [3] основными критериями разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление макротрещин заданного размера. Построение кривых усталости и определение пределов выносливости производили для вероятности разрушения 50 % [3].
ГОСТ 25.502-79 для легких сплавов и других металлов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов, устанавливает базу испытаний для определения пределов выносливости - 100106 циклов. В то же время для сравнительных испытаний база для определения пределов выносливости составляет 10106 циклов [3]. Результаты экспериментов изображали в виде кривых усталости в полулогарифмических координатах (ста; 1дМ) (рис. 2).
Как показали результаты исследований, практически 80 % периода времени нагружения образцов характеризовались стабильной частотой колебаний. Стабильность резонансных характеристик системы в этот период свидетельствовала, что в течение
данного срока в материале происходило постепенное накопление искажений структуры и зарождение микротрещин, однако суммарное их влияние на усталостные характеристики было невелико. В течение следующего, значительно более короткого промежутка времени, происходило активное развитие и слияние микротрещин в одну или несколько магистральных. По мере развития микро- и макроскопических трещин усталости, происходило изменение геометрических параметров, характеризующих поперечное сечение, что приводило к уменьшению площади неповрежденной части и момента сопротивления, а также снижению жесткости испытываемого образца. В результате этих явлений наблюдалось резкое падение частоты колебаний, что свидетельствовало о начале усталостного разрушения образца.
При сравнении усталостных характеристик вторичного сплава АК8М3, который был получен с использованием экспериментальной и заводской (традиционной) технологий, установлено, что показатели циклической прочности экспериментального сплава были значительно более высокими во всем диапазоне исследованных частот (см. рис. 2). Так в диапазоне частот 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц повышение предела выносливости составило 32......36, 28......40, 26......48 и 28......40 % соответственно. Одновременно с этим, долговечность
экспериментального сплава возросла в 3,75......5
раз при частоте 0,3 кГц, в 4......7 раз при частоте
8,8 кГц, а также в 5......15 и 8,6......15 раз на частотах 18 и 44 кГц соответственно. Объяснить это можно состоянием микроструктуры сплавов. Фазы, присутствующие в исследуемых сплавах, имели практически одинаковые значения параметров формы
(А, = 1......3), однако в экспериментальном сплаве
их дисперсность и равномерность распределения в матрице были значительно выше.
Рис. 1. Основные геометрические параметры образцов
Рис. 2. Сравнительные усталостные характеристики вторичного сплава АК8М3 при испытаниях на частотах 0,3 кГц (а), 8,8 кГц (б), 18 кГц (в) и 44 кГц (г): 1 - традиционная технология производства; 2 - экспериментальная
Как видно из экспериментальных данных для сплава АК8М3, полученного по традиционной технологии, увеличение частоты не изменяло форму кривых усталости (см. рис. 2). Кривые усталости для разных частот располагались эквидистантно с близкими углами наклона и отчетливо наблюдалось увеличение усталостной долговечности с ростом частоты нагружения. Это повышение носило выра-женый монотонный характер для широкого диапазона баз испытаний от 6|-105 до 2|-108 циклов (см. рис. 2).
Для экспериментального сплава кривые усталости наглядно демонстрировали повышение долговечности с увеличением частоты нагружения (см. рис. 2). С возрастанием частоты сокращалось время нахождения образца под максимальной нагрузкой. При этом степень упрочнения сплава АК8М3 снижалась, так как пластическая деформация всегда запаздывает относительно прилагаемых нагрузок и, поэтому, максимальное упрочнение, связанное с процессами разрушения, наблюдалось после значительно большего числа циклов. Уже после зарождения трещин в образцах, сопротивляемость материала определялась скоростью продвижения
вершины трещины в теле образца. При повышении частоты и, следовательно, скорости нагруже-ния, продолжительность локального деформационного воздействия в вершине трещины сокращались, что, в свою очередь, уменьшало деформированный объем, обеспечивающий продвижение трещины. Таким образом повышалась сопротивляемость разрушению и долговечность. Полученные результаты хорошо согласуются с данными исследований [4].
Исследование поверхностей, по которым происходило распространение усталостных трещин (рис. 3), производили с использованием сканирующего микроскопа "и3М-5610^" JE0L фирмы (Япония), на образцах обоих технологий выплавки, разрушенных при частотах нагружения 0,3 кГц и 18 кГц. При частоте 0,3 кГц ресурс долговечности сплава, полученного по традиционной технологии, в среднем был в 4,5 раза ниже, чем у экспериментального. Микрофрактографическая картина свидетельствовала о неравномерном продвижении трещины (см. рис. 3, а). Наличие большого количества гладких и ровных участков указывало на активное продвижение трещины по границам раздела
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 177 -
"матрица - интерметаллидное включение". Это обусловлено тем, что интерметаллидные включения типа р (А!5Б1Ре), W (А15 С и2Мд8Б16), N (А!7РеСи2), Б (А12СиМд), п (А!8РеМд3Б16) и другие, имеют слабые когерентные связи с матрицей и обладают высокой хрупкостью, а также, имея достаточно большие размеры способствуют продвижению трещины на значительные расстояния при малом количестве циклов. Наличие большого количества вторичных микротрещин (см. рис. 3 а,в) подтверждает факт высокой хрупкости включений и низкого запаса пластичности матрицы на границе контакта вследствие искажения кристаллического строения матрицы и высокого уровня внутренних напряжений в этих зонах.
Фрактограмма поверхности распространения усталостной трещины в экспериментальном сплаве при частоте 0,3 кГц свидетельствовала о равномерном протекании процесса, который определялся более упорядоченной и мелкодисперсной структурой, компактной формой интерметаллидных фаз с малым параметром формы и, как следствие, большим запасом пластичности матрицы, о чем можно судить по отсутствию вторичных микротрещин (см. рис. 3, б). При этом шаг продвижения трещины за каждый цикл нагружения был значительно более коротким (см. рис. 3, б).
Микрофрактографические картины поверхностей образцов, разрушенных при частоте нагруже-
ния 18 кГц, подтвердили, что в сплаве традиционной выплавки расстояние между гребнями было значительно большим, что свидетельствовало о более высокой скорости продвижения усталостной трещины и определяло более низкую долговечность данного сплава (см. рис. 3, в). Также можно наблюдать, что интерметаллидные включения в данном сплаве не являлись серьезными препятствиями на пути движения трещины (см. рис. 3, в). В тоже время в экспериментальном металле скорость и расстояние продвижения трещины за цикл были существенно меньшими, а многочисленные равномерно распределенные включения компактной формы служили препятствиями на пути фронта трещины (см. рис. 3, г). Как следствие, долговечность экспериментального сплава при частоте на-гружения 18 кГц в среднем была в 10 раз более высокой (см. рис. 2).
Сравнение фрактограмм разрушения сплава при разных частотах нагружения показало, что с увеличением частоты шаг усталостных бороздок, характеризующих расстояние на которое продвигается усталостная трещина за цикл, сокращается (см. рис 3, б; г).
Рис. 3. Фрактограммы усталостного разрушения вторичного сплава АК8М3 при частоте 0,3 кГц (а; б) и 18 кГц (в; г): а, в - традиционная технология; б, г - экспериментальная
Более высокие показатели циклической прочности экспериментального сплава АК8М3 определялись структурой и уровнем механических свойств. Традиционная технология обеспечила предел прочности на уровне 117 МПа, относительное удлинение - 1,0 %, ударную вязкость - 0,05 МДж/ м2, в то время как у экспериментального сплава: предел прочности - 170 МПа, относительное удлинение - 1,4 % ударную вязкость - 0,062 МДж/м2. Структура экспериментального сплава содержала более мелкодисперсные и равномерно распределенные включения кремнистой и комплексных фаз в сравнении со структурой сплава, который был получен по традиционной технологии. Также пористость экспериментального сплава соответствовала 1 баллу по ГОСТ 1583-89, в то время как заводской сплав соответствовал 2 баллу.
Результаты исследований циклической прочности вторичного сплава АК8М3 в зависимости от частоты нагружения были сравнены с результатами испытаний на усталость сплава Д16 в отожженном состоянии (рис. 4), который нашел широкое применение в авиации и транспортном машиностроении при изготовлении ответственных элементов несущих конструкций и деталей обшивки. База сравнительных испытаний по определению пределов выносливости составляла 10106 циклов [3]. Сплав Д16 (3,85 % Си; 1,6 % Мд;0,72 % Мп; 0,5 % Ре; 0,33 % Б1) обладал следующим уровнем механических свойств: ств=255 МПа, ат = 138 МПа, 8 = 6 %, у = 34 %.
Исследования показали, что увеличение частоты нагружения не изменяло форму кривых (см. рис. 4). Для сплава АК8М3 разных технологий производства они располагались практически эквидистантно с близкими углами наклона кривых в исследуемом диапазоне. Для всех сплавов наблюдалось монотонное увеличение усталостной долговечности при повышении частоты колебаний. Сравнение характеристик циклической прочности экспериментального вторичного сплава АК8М3 и Д16 показало, что наибольшая разница в показателях сохраняется в диапазоне частот 0,3......8,8 кГц (см. рис.
4). При этом следует отметить, что она возрастает с уменьшением частоты нагружения и практически отсутствует в диапазоне 8,8......44 кГц.
Выводы
Рис. 4. Изменение пределов выносливости сплавов от частоты нагружения: 1 - сплав АК8М3 (традиционная технология получения); 2 - сплав АК8М3 (экспериментальная технология); 3 - сплав Д16 (т = 643 °К, 6 часов, охлаждение с печью)
том, что вторичные алюминиевые сплавы, полученные из 100 % лома и отходов производства, обладают высокими потенциальными возможностями в увеличении показателей усталостной долговечности и повышении циклической прочности. В настоящее время данный вопрос изучен недостаточно, его развитие является актуальным и требует дополнительных исследований.
Список литературы
1. Макаров Г.С. Российский рынок вторичного алюминия //Рынок вторичных металлов. - 2004. - № 5/25. - С. 70-73.
2. Пат. 57584А Украина, МКИ С22С1/06. Модификатор для алюминиевых сплавов / И.П. Волчок, А.А. Митяев (Украина). - № 2002108343;Заявл. 22.10.2002; Опубл. 16.06.2003. Бюл. № 6.
3. ГОСТ 25.502 - 79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 32с.
4. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. - М.: Металлургия, 1978. -304 с.
Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Результаты исследований свидетельствуют о
Описано умови випробувань i наведено результати досл'джень довгов1чност1 та опору алюм1н1евих сплавiв втомному руйнуванню при циклiчному навантаженнi з частотами навантаження 0,3; 8,8; 18 та 44 кГц.
Test specifications and results of researches of durability and resistance of aluminium alloys to fatigue failure at cyclic loading with frequencies 0,3; 8,8; 18 and 44 kHz are described.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 179 -
