CC BY
76
УДК 620.186.4+539.23+539.216.1:531
Клевцов Г.В.1, Валиев Р.З.2, Клевцова Н.А.1, Кулясова О.Б.2, ФесенюкМ.В.1
1Оренбургский государственный университет, г Оренбург,
2Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, г Уфа Е-mail: [email protected]
СТАТИЧЕСКОЕ И УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ИЗ МАГНИЕВОГО СПЛАВА АМ60 С РАЗЛИЧНЫМ РАЗМЕРОМ ЗЕРНА
Исследовали строение статических и усталостных изломов образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии (размер зерна 1 мм) и после равноканального углового прессования (РКУП) при 150 0С (размер зерна 1 мкм). Показаны существенные различия как в механических свойствах сплава, так и в макро- и микростроении изломов образцов сплава в исходном состоянии и после РКУП.
Ключевые слова: статическое и усталостное нагружение, разрушение, излом, макро- и микрорельеф поверхности излома.
Введение
Современные конструкционные материалы, применяемые в промышленности, должны обладать высоким комплексом механических свойств при различных видах нагружения.
Известно [1-4], что размер зерна поликри-сталлических материалов существенным образом влияет на его прочностные характеристики. Измельчение зерна в металлах и сплавах до ультрамелкозернистого и наносостояния может привести как к повышению прочности материала, так и к его разупрочнению.
Использование различных схем и методов интенсивной пластической деформации [3, 4] позволяет получать ультрамелкозернистое состояние металлов и сплавов с очень высокими прочностными свойствами. Однако в настоящее время слабо изучены механизмы разрушения наноструктурированных металлических материалов при различных видах нагружения.
Целью настоящей работы является изучение механизмов статического и усталостного разрушения образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии с размером зерна 1 мм и после равноканального углового прессования (РКУП) при 150 0С с размером зерна 1 мкм.
Материал и методики исследования
Испытывали образцы из магниевого сплава АМ60 в исходном состоянии (гомогенизация при 450 0С, 6 час., размер зерна 1 мм) и после равноканального углового прессования (РКУП) при 150 0С [4] (10 проходов, размер зерна 1 мкм). Статические испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах с рабочим сечением 5 мм; усталостные испыта-
ния проводили на плоских образцах с рабочим сечением 1х10 мм.
Микрофрактографические исследования статических и усталостных изломов проводили в растровом микроскопе ^М-2Т.
Статическое нагружение
Как уже отмечалось, при уменьшении размеров зерна прочность сплавов увеличивается. Из таблицы 1 видно, что с уменьшением размера зерна в сплаве АМ60 от 1 мм до 1 мкм путем РКУП при 150 0С предел прочности сплава увеличивается примерно в 2 раза.
Рассмотрим макро- и микростроение изломов, полученных при статическом нагружении цилиндрических образцов.
Поверхность статических изломов образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии (размер зерна 1 мм) расположена нормально к оси растяжения. Изломы светлые, однородные, имеют большую шероховатость в виде округлых впадин и выступов (рис. 1 а).
Поверхность изломов образцов из сплава АМ60 с размером зерна 1 мкм расположена примерно под углом в 450 к оси растяжения (поэтому на рисунке 1 б в фокусе только часть излома). Изломы светлые, матовые, однородные. Шероховатость поверхности таких изломов ниже, чем у излома сплава в исходном состоянии (рис. 1 б).
Таблица 1. Предел прочности сплава АМ60 в исходном состоянии и после РКУП
Состояние сплава Исходное состояние После РКУП при 150 0С
ав, МПа 160 310
Микрофрактографический анализ показал, что в исходном состоянии сплав АМ60 разрушается по телу зерна, преимущественно вязко (рис. 2 а, б). Такой излом можно отнести к древовидному излому [5]. При большом увеличении (рис. 2 б, в) можно наблюдать, что плоские гребни, составляющие локальные утяжки, направлены по вытянутым в длину зернам; видны вторичные трещины.
Микрорельеф изломов сплава после РКУП с размером зерна 1 мкм характеризуется стро-
чечной ямочной структурой (рис. 3 а, б), которая наиболее ярко выражена при большом увеличении (рис. 3 в).
Усталостное нагружение
На рисунке 4 представлены кривые усталости сплавов АМ60 в исходном состоянии (размер зерна 1 мм) и сплава, полученного после РКУП при 150 0С (размер зерна 1 мкм). Видно, что после РКУП усталостные характеристики сплава значительно возрастают.
а б
Рисунок 1. Общий вид статических изломов образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии (а)
и после РКУП при 150 0С (б)
а б в
Рисунок 2. Микрорельеф статического излома сплава в исходном состоянии: а - х100, б - х1000, в - х3500
ж
лЧ
кЧ * \Л
Рисунок 3. Микрорельеф статического излома сплава, полученный после РКУП при 150 0С: а - х100, б - х1000, в - х3500
б
а
в
Рассмотрим строение усталостных изломов сплава АМ60 в исходном состоянии, полученных при утах = 90 МПа (К = 2,57104 цикл.) и утах = 100 МПа (К = 6,39104 цикл.) (см. рис. 4).
Все изломы имеют крупнозернистое строение, высокую шероховатость и блестящий вид (рис. 5 а). Зона усталостного роста трещины 1{ [6, 7] расположена нормально к поверхности образца (рис. 5 б). Даже при небольшом увеличении на ее поверхности можно наблюдать участки циклического скола. Длина зоны усталостного развития трещины 1{ на поверхности излома с увеличением количества циклов нагру-
0*, ГА Ра 180
150
120
90
60
jrtj . . ї-rrTYTT- -r-гігтгг^ , i-.ttt.yt -T-, , і гтт,- r і i .>n., t , r-r.
1 \. \ -\ T
:\ ' X Л ■
ml nit і i.i шиї l ■ 1 ■ ■ 1 ■ ■ . ■ mil ....
104
10
10
ю7
10е
ю9 л/,1
Рисунок 4. Кривая усталости сплава АМ60 в исходном состоянии (1) и после РКУП при температуре 150 0С (2)
а)
\
б)
Рисунок 5. Общий вид (а) и профиль (б) усталостных изломов сплава АМ60 в исходном состоянии. 1{ - зона усталостного развития трещины
жения до разрушения образцов возрастает и составляет при ymax =90 МПа примерно 6 мм, а при у = 100 МПа - 4,5 мм.
max
Зона долома расположена под углом к поверхности образца (на схеме (рис. 5 б) - правая часть). Она отличается большей шероховатостью, а наличие утяжки на боковой поверхности свидетельствует о резком изменении локального напряженного состояния материала у вершины трещины в сторону плоского напряженного состояния [7] при переходе от зоны усталостного роста трещины lf к зоне долома.
Микрофрактографический анализ усталостных изломов сплава в исходном состоянии, полученных как при утах = 90 МПа, так и при утах = 100 МПа (рис. 6), показал, что в очаге разрушения доминируют фасетки циклического скола (рис. 6 а, б). В зоне усталостного развития трещины lf просматривается кристаллографическая ориентация излома с участками вязкого микрорельефа, характерного для уже упомянутого древовидного излома (рис. 6 в, г). При переходе к долому и в самой зоне долома преобладают вязкие острые гребни (рис. 6 д).
Рассмотрим строение усталостных изломов сплава АМ60 после РКУП, полученных при у = 130 МПа (N = 7,35104 цикл.), у = 140
max max
МПа (N = 3,80104 цикл.) и утах = 160 МПа (N = 1,70104 цикл.) (см. рис. 3).
Изломы образцов из сплава АМ60 после РКУП резко отличаются по строению от изломов образцов сплава в исходном состоянии. Зона усталостного роста трещины lf на всех изломах матовая, мелкозернистая, светлого цвета, имеет небольшую шероховатость и расположена в центральной части излома (рис. 7) нормально к по-
Рисунок 7. Общий вид усталостного излома сплава АМ60 после РКУП при 150 0С
д
Рисунок 6. Микрорельеф усталостного излома сплава в исходном состоянии, полученного при у = 90 МПа (а, в, д) и у = 100 МПа (б, г): а, б- очаг разрушения (х100); в, г - зона 1, (х350); тах тах / {
д - долом (х2000)
верхности образца. На поверхности излома образца, испытанного при утах = 140 МПа, можно наблюдать очаг разрушения длинной 0,3 мм, имеющий большую шероховатость и несколько иное макростроение. На поверхности излома образца, испытанного при утах = 130 МПа, в очаге разрушения виден технологический дефект (заусенец) от обработки поверхности образца.
Поскольку разрушение образцов при различных значениях у про-
J тах 1
изошло в разных участках, то и длина усталостного излома оказалась различной. В этом случае есть смысл ввести понятие относительной длины зоны усталостного роста трещины lf как отношение длины зоны lf к длине всего излома, т. е. lf/l (табл.
2). Как видно из приведенной таблицы, увеличение количества циклов нагружения до разрушения об-
разцов (снижение утах) приводит к возрастанию относительного значения длины зоны 1{
Зона долома на всех изломах имеет светлый матовый цвет, большую шероховатость, чем зона усталостного развития трещины. Ее поверхность наклонена к плоскости зоны 1{; в периферийной части излома видны губы среза.
Таблица 2. Строение усталостных изломов образцов из сплава АМ60
после РКУП
г
г д е
Рисунок 8. Микрорельеф усталостного излома сплава АМ60 после РКУП, полученного при у ах = 130 МПа на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - очаг разрушения (х350); б - зона 1, (1=0,5мм) (х350); в - зона 1, (1=0,5 мм) (х3500); г - зона 1, (1=1 мм) (х1000); д - зона 1, (1=1 мм) (х3500); е - долом (х2000)
1
Тг
г д е
Рисунок 9. Микрорельеф усталостного излома сплава АМ60 после РКУП, полученного при утах = 140 МПа на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - очаг разрушения (х350); б - зона 1, (1=0,5 мм) (х1000); в - зона 1, (1=2,5 мм) (х1000); г - зона 1, (1=2,5 мм) (х3500); д - долом (х1000); е - долом (х3500)
Клевцов Г.В., и др.
Микрофрактографический анализ усталостных изломов сплава после РКУП при 150 0С, полученных как при утах = 130 МПа, так и при утах = 140 МПа, показал существенное различие в микромеханизме разрушения данного сплава от исходного состояния (рис. 8 и 9).
Вблизи очага разрушения можно наблюдать малорельефную поверхность излома, по-видимому, со следами коррозии (рис. 8 а, б и рис. 9 а). В пределах зоны усталостного развития трещины 1{ квазибороздки, наблюдаемые при малых длинах трещины (рис. 8 в, д и рис. 9 б), переходят при больших длинах трещины в вязкие гребни (рис. 8 ж и рис. 9 в, г). Долом - вязкий (рис. 8 з и рис. 9 д, е).
Обращает на себя внимание, что при небольших длинах усталостной трещины (0,51,5 мм) при большом увеличении на поверхности излома (возможно, покрытой слоем окислов) можно наблюдать рельеф в виде отдельных зерен размером, равным размеру зерна (1 мкм) (рис. 8 в, д).
Заключение
Таким образом, сравнивая результаты исследования изломов образцов из сплава АМ60
в исходном состоянии (размер зерна 1 мм) и после РКУП (размер зерна 1 мкм), мы видим существенные различия не только в прочности и долговечности образцов (количество циклов до разрушения), но и в макро- и микростроении изломов. Так статическое разрушение образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии происходит путем образования вязких гребней, представляющих собой локальные утяжки, а после РКУП при 150 0С - вязко с образованием ямочного микрорельефа.
При усталостном разрушении сплава АМ60 в исходном состоянии зона усталостного развития трещины имеет крупнозернистое строение, высокую шероховатость и блестящий вид. При этом доминируют циклический скол с участками вязкого микрорельефа, характерного для древовидного излома. После РКУП - квазибороздки и вязкие гребни. Обнаружено, что при небольших длинах усталостной трещины (0,5—1,5 мм) при большом увеличении на поверхности излома (возможно, покрытой слоем окислов) можно наблюдать рельеф в виде отдельных зерен размером, равным размеру зерна.
20.11.2009
Список использованной литературы:
1. Siegel R.W. - In: Proc. Of the NATO ASI. Mechanical properties of ultrafine-grained rnaterials (Wds. M. Nastasi, D.M. Parkin, H. Gleiter). - Dordrecht; Boston; London: Kluwerv Head. Publ., 1993. V. 233. P. 509.
2. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах.- М.: Наука, 1984.- 472 с.
3. Valiev R.Z., Tsenev N.K. - In: Hot deforrnation of alurninurn alloys (ed. By T.G. Langdon, H.D. Merchant, J.G. Morris, M.A. Zaidi). TMS. Warrendale, PA, 1991. P. 319.
4. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.- 398 с.
5. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справ. изд./Энгель Л., Клингеле Г. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1986.- 232 с.
6. Ботвина Л.Р Кинетика разрушения конструкционных материалов.- М: Наука, 1989.- 230 с.
7. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р, Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. - М.: МИСиС, 2007.- 264 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект АВЦП №1383)
Клевцов Г.В., заведующий кафедрой физики металлов и наноструктур Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор, E-rnail - [email protected] Валиев Р.З., директор Института физики перспективных материалов при УГАТУ, доктор физ.-мат. наук, профессор, 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ, тел.: (342) 2733422, E-rnail - [email protected] Клевцова Н.А., доцент кафедры радиофизики и электроники Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент, E-rnail - [email protected] Кулясова О.Б., мадший научный сотрудник Института физики перспективных материалов при УГАТУ, кандидат физ.-мат. наук, 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ, тел.: (342) 2733422,
E-rnail - [email protected] Фесенюк М.В., начальник ЦЗЛ ПО «Стрела», тел.: 89058914316
Klevtsov G.V., Valiev R.Z., Klevtsova N.A., Kulyasova O.B., Phesenyuk M.V.
STATIC AND FATIGUE RUPTURES OF АМ60 MAGNESIUM ALLOY SAMPLLES WITH DIFFERENT GRAIN SIZES Summary. The report studied the structure of static and fatigue rupture for the АМ60 alloy samples in initial state (1 mm grain size) and after Equal Channel Angular Extrusion (ECAE) at 150 0С (1 mkm grain size). Significant differences were found both in the mechanical alloy properties and macro- and - microstructure of the fractures in the alloy samples in initial conditions and after ECAE.
Key words: static and fatigue loading, destruction, rupture, macro- and micro relief of the rupture surface
