Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.7.03

Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т

12 2 3

А.А. Шанявский ' , А.Д. Никитин , T. Palin-Luck

1 Авиационный регистр Российской Федерации, Аэропорт Шереметьево-1, 141426, Россия 2 Институт автоматизации проектирования РАН, Москва, 123056, Россия 3 Национальная высшая школа искусств и ремесел, Бордо, 33405, Франция

Выявлены и обсуждены фрактографические особенности зарождения и распространения усталостных трещин в образцах из алюминиевого сплава Д16Т в области сверхмногоцикловой усталости при частоте нагружения 20 кГц. Разрушение образцов в интервале долговечностей 2.8 • 108 - 5.1 • 109 циклов происходит при зарождении трещины с поверхности и под поверхностью. Очаг под поверхностью сформирован в виде межзеренного разрушения на стыке зерен или гладкой фасетки внутризеренного разрушения. Основное развитие разрушения характеризуется разориентированными фасетками, образованными в результате разрушения материала сдвигом. Наблюдаемый каскад ориентированных и разупорядоченных ямок на фоне фасеток связан с возникновением контактного взаимодействия берегов трещины, образованием эллиптических и сферических частиц c последующим чередованием их перемещения и вдавливания в поверхность излома.

Ключевые слова: сверхмногоцикловая усталость, алюминиевый сплав, фрактография, механизмы разрушения, сферические частицы

DOI 10.24411/1683-805X-2020-13005

Very high cycle fatigue of D16T aluminum alloy

A.A. Shanyavskiy1,2, A.D. Nikitin2, and T. Palin-Luck3

1 Aviation Register of the Russian Federation, Sheremetyevo Airport, Moscow region, 141426, Russia 2 Institute of Computer Aided Design RAS, Moscow, 123056, Russia 3 Art et Métier, Bordeaux, 33405, France

This study examines the fractographic features of fatigue cracking in D16T aluminum alloy specimens under very high cycle fatigue loading at 20 kHz cycling frequency. The fatigue cracking of the specimens in the range of cycles to failure 2.8 x 108-5.1 x109 begins on the surface and in the subsurface region. The subsurface crack initiation site is formed by intergranular fracture in the triple point or by transgranular fracture with flat facet formation. The propagation of the main fatigue crack occurs through the shearing mechanism with the formation of misoriented facets. The observed array of oriented and misoriented dimples on the faceted fracture surface is due to the contact interaction between the crack faces, during which spherical and elliptical particles are formed, displaced, and pressed into the fracture surface.

Keywords: very-high-cycle-fatigue, aluminum alloy, fractography, fracture mechanisms, spherical particles

1. Введение

В рамках физической мезомеханики и синергетики [1, 2] введено представление об эволюции в

поведении металла как открытой системы, которая последовательно реализует процессы эволюции на микро-, мезо- и макроскопическом масштабном уровне [3]. Область сверхмногоцикловой усталости (СВМУ) металлов относится к микроскопическому масштабному уровню в поведении металла

и соответствует долговечности более 108 циклов нагружения, что связано с длительными сроками эксплуатации элементов конструкций [4]. Указанная особенность в поведении металла может быть реализована с переходом к малоцикловой (МЦУ) или многоцикловой усталости (МНЦУ) в зависимости от соотношения с_1/с02 между так называемым пределом усталости с_1 и пределом текучести с02 материала [5] (рис. 1).

© Шанявский А.А., Никитин А.Д., Palin-Luck T., 2020

Рис. 1. Полная диаграмма усталости металлов, которая учитывает трехмасштабную иерархию процессов накопления повреждений, области бифуркации Лqw/, а также появление бимодального распределения усталостной долговечности на мезоскопическом масштабном уровне [5]

Принципиальная особенность разрушения металлов в указанной области долговечностей проявляется в том, что зарождение трещин в основном материале происходит на удалении от поверхности [4-9].

В области сверхмногоцикловой усталости механизмы зарождения и последовательного распространения трещин в высокопрочных сталях [8] и титановых сплавах [9] хорошо изучены. Трещина может зародиться от включения; на границе раздела блока элементов структуры; в результате первоначального формирования гладкой фасетки разрушения по структурному элементу. Во всех случаях вокруг очага разрушения развитие трещины может сопровождаться формированием мелкокристаллической зоны. Ее формирование объяснено разными механизмами, в том числе рассмотрена определяющая роль напряжения сжатия, возникающего в полуцикле разгрузки образца, которое переводит материал в пластичное состояние, что сопровождается переходом материала в нано-структурное состояние [8].

После формирования мелкокристаллической зоны начинается распространение трещины с образованием элементов рельефа излома, которые аналогичны тем, что наблюдаются в случае роста сквозных трещин в припороговой области скоростей — менее 108 м/цикл.

Выход трещины на поверхность образца сопровождается резким увеличением скорости ее роста и окончательным разрушением образца. Поэтому наблюдать за распространением трещины, которая

стартовала под поверхностью, не представляется возможным после ее выхода на поверхность.

Применительно к алюминиевым сплавам проблема разрушения материала в области сверхмно-гоцикловой усталости рассмотрена в небольшом числе работ [4, 10-15]. В первую очередь это обусловлено тем фактом, что усталостные кривые для алюминиевых сплавов не имеют выраженной горизонтальной площадки на усталостной кривой в области долговечностей 107-108 циклов. Поэтому представление о существовании «предела усталости», которое было введено для высокопрочных материалов, не применимо к алюминиевым сплавам.

Тем не менее, как показали выполненные исследования алюминиевых сплавов в области сверх-многоцикловой усталости, переходная область между мезо- и микроскопическим масштабными уровнями в накоплении повреждений характеризуется бимодальным распределением усталостной долговечности — при фиксированном уровне напряжения могут быть реализованы два разных механизма разрушения для разных испытанных образцов [3, 4]. Трещина в одном и том же материале может зародиться в одном образце на поверхности, в другом образце — под поверхностью, при фиксированном уровне напряжения. Причем вероятность того или иного вида разрушения в связи с разным расположением очага разрушения меняется по мере того, как меняется уровень напряжения в указанной выше области перехода. Очевидно, что при более высоком уровне напряжения вероятность зарождения на поверхности выше, чем под поверхностью, а при снижении уровня напряжения вероятность зарождения трещины под поверхностью возрастает [3, 7].

Применительно к алюминиевому сплаву Д16Т, который широко используется в авиастроении, например для изготовления элементов фюзеляжа воздушных судов, деталей каркасов, шпангоутов, и который подвергается в условиях эксплуатации длительному высокочастотному воздействию напряжениями малой амплитуды, исследования в области сверхмногоцикловой усталости не проведены. Это делает неопределенным введение коэффициентов запаса по долговечности и продление ресурса конструкций, т.к. неизвестно, как ведет себя материал в области долговечностей более 108 циклов нагружения.

Ниже представлены результаты исследований поведения алюминиевого сплава Д16Т в области

Таблица 1. Химический состав алюминиевого сплава Д16Т

Fe Si Mn Cr Ti Al Cu Mg Zn Ti + Zr Примесь

<0.5 <0.5 0.3-0.9 <0.1 <0.15 90.9-94.7 3.8-4.9 1.2-1.8 <0.25 <0.2 <0.15

сверхмногоцикловой усталости при частоте нагружения около 20 кГц.

2. Методика исследования

Для проведения исследований выбран алюминиевый сплав Д16Т, химический состав которого представлен в табл. 1.

Образцы для испытания были изготовлены из прутков, имевших в направлении оси прутка ориентированную деформированную структуру (рис. 2).

Поэтому для определения механических характеристик материала при растяжении были изготовлены образцы так, чтобы направление растяжения совпадало с осью прутка, т.е. характеристики материала определены при разрушении поперек ориентировки текстуры деформированного материала. Полученные механические характеристики

при испытаниях в стандартных условиях на стандартных образцах представлены в табл. 2.

Образцы для испытаний на сверхмногоцикло-вую усталость были изготовлены из горячекатаных прутков диаметром 12 мм. Геометрия цилиндрических образцов разработана согласно принципам высокочастотных усталостных испытаний, изложенных в работе [4]: диаметр цилиндрической части 10 мм, минимальный диаметр рабочей части 3 мм, радиус выработки рабочей части 31 мм (рис. 3, а). Резонансная длина образца определяется его геометрическими и упругими характеристиками, такими как динамический модуль упругости Ей, радиусы цилиндрической части и радиус области минимального сечения, плотность и требуемая рабочая частота, в данном случае равная 20 кГц. Для алюминиевого сплава расчеты резонансной длины дают значение Ь = 16.5 мм.

Результат гармонического анализа для использованных образцов, выполненного для определения полей напряжений при резонансном нагру-жении со смещениями в 1 мкм, представлен на рис. 3, б. Выявлено, что 1 мкм смещений, заданных на одном из торцов образца, соответствует величина нормальных напряжений в рабочем сечении 9.5 МПа.

В пределах упругой области поведения материала задача по определению необходимой величины смещения образца для заданного уровня напряжений является линейной, что позволяет использовать полученные результаты для анализа величины напряжений при больших величинах смещений. Используемая испытательная СВМУ установка позволяет задавать уровни смещений от 5 до 40 мкм.

Установка для проведения испытаний на сверх-многоцикловую усталость состоит из следующих элементов управления: персональный компьютер со специализированным программным обеспечением, карта для высокоточного обмена информацией между компьютером и исполняющими эле-

Таблица 2. Механические характеристики алюминиевого сплава Д16Т

Рис. 2. Вид структуры исследованного материала Д16Т при разном увеличении светового микроскопа (цветной в онлайн-версии)

Наименование E, ГПа ав, МПа а02, МПа Ô, % HV

Значение 74 390 260 9 130

Рис. 3. Геометрия круглого образца для испытаний на высокочастотное нагружение, размеры в мм (а) и результаты конечно-элементного расчета напряжений при нагружении со смещением 1 мкм (б) (цветной в онлайн-версии)

ций. Бустер, как и все последующие элементы, разработан на общих принципах высокочастотного нагружения.

Таким образом, в пределах бустера формируется стоячая упругая волна продольных колебаний сжатия-разрежения. За счет подбора длины и геометрии бустера формируемая в его пределах стоячая волна обладает частотой 20 кГц. Бустер и конвертер имеют общие собственные частоты. Все последующие механические элементы: волновод и образец, спроектированы аналогично бустеру, что позволяет осуществлять высокочастотное нагружение в диапазоне 19.5-20.5 кГц. Соединение всех указанных элементов производится механически, при помощи внутренних стальных винтов.

Распределение напряжений в пределах установки для частоты 20 кГц представлено на рис. 4. Расчет проведен для смещений 1 мкм, прикладываемых к основанию бустера, при этом величина смещений на торце образца получается больше 1 мкм. Видно, что максимальные напряжения наблюдаются в рабочей части образца. Все паразитные (изгибные, крутильные) колебательные моды лежат за пределами рабочего диапазона конвертера. В случае большинства алюминиевых сплавов, в том числе и Д16Т, численное моделирование СВМУ установки с прогрессирующим разрушением показывает, что даже при разделении образца на две половинки, установка продолжает нагружение, т.к. частота падает недостаточно. Численное моделирование показывает, что для алюминиевого сплава

ментами. В качестве исполняющих элементов представлены: генератор BRANSON DCX222 высокой частоты, который преобразует управляющий сигнал с компьютера и модулирует высокочастотные электрические колебания с заданными параметрами, и пьезоэлектрический конвертор компании BRANSON 20RC, преобразующий электрический сигнал от генератора в высокочастотные вибрации той же частоты. Подбор пьезоэлектрических кристаллов осуществлен таким образом, что конвертер способен осуществлять свободные колебания в диапазоне от 19.5 до 20.5 кГц. Конвертер работает на пьезоэлектрическом принципе и обладает высокопроизводительной обратной связью, что позволяет эффективно контролировать и управлять основными параметрами нагружения. К пьезоэлектрическому конвертору механически прикрепляется бустер, служащий в качестве волновода для увеличения амплитуды механических вибра-

Рис. 4. Распределение полей напряжений в пределах установки и испытываемого алюминиевого образца (цветной в онлайн-версии)

Д16Т снижение собственной частоты установки при полном отделении второй половины образца не превышает 200 Гц. Проведенное моделирование показывает, что свободная поверхность в момент разрушения не испытывает растягивающих напряжений. Поэтому существенной деградации поверхности излома не происходит после отделения второй половины образца.

Для обеспечения постоянства температуры поверхности образца, во время испытания она непрерывно охлаждалась сухим сжатым воздухом, подаваемым при температуре 5 °С. В качестве базы испытаний был выбран лимит равный 1010 циклов.

3. Результаты исследования

Выполненные испытания при выбранном диапазоне напряжений свидетельствуют о том, что по уровню реализованной долговечности 2.8 • 105.1 • 109 циклов разрушение материала происходило в переходной области от сверхмногоцикловой к многоцикловой усталости (рис. 5). Наблюдается тенденция к радикальному снижению усталостной прочности материала в области больших долго-вечностей. Асимптотического поведения материала не наблюдается.

Разброс экспериментальных данных уменьшается по мере снижения амплитуды нагружения в связи с доминированием механизма разрушения в области сверхмногоцикловой усталости. Результаты полученных испытаний относительно амплитуды напряжения аа и долговечности Nf в координатах «МПа-цикл» описываются уравнением вида

аа + 4.75ln Nf = 213.6. (1)

108 109 /Vf, цикл

Рис. 5. Кривая усталости для алюминиевого сплав Д16Т в переходной области от сверхмногоцикловой к многоцикловой усталости при частоте нагружения 20 кГц

Рис. 6. Вид излома образца, разрушенного при долговечности 5 • 108 циклов, с указанием трех зон разрушения с разной морфологией рельефа излома (а) и вид зоны зарождения усталостной трещины с поверхности (указано стрелкой) (б). В круге выделен участок поврежденной поверхности, в квадрате показан участок перехода к зоне разрушения 2 с продуктами фреттинга (Ф) в виде каскада сферических частиц

Фрактографический анализ показал, что разрушение образцов реализуется как с поверхности, так и под поверхностью одинаковым образом в три этапа.

Первоначально происходило развитие трещины на небольшую глубину с формированием выраженных продуктов фреттинга черного цвета и ориентировкой поверхности излома приблизительно под углом 90° к оси образца. Далее происходило формирование второй зоны с каскадом квазихрупких фасеток со средней их ориентировкой в пространстве под углом около 45° к оси образца, после чего происходило окончательное разрушение образца с образованием третьей зоны долома. В качестве примера на рис. 6 представлен вид излома с указанием трех участков сформированного излома и показан начальный участок роста трещины с поверхности, покрытый продуктами фреттинга.

Между зонами 1 и 2 во всех изломах формируется переходный участок, покрытый продуктами фреттинга (зона Ф) черного цвета, которые представляют собой слой окисленного металла с

л™ m

Рис. 7. Вид очага разрушения в образце после 106 циклов нагружения, с указанием направления роста трещины (белые стрелки) и участка перехода от зоны излома 1 к зоне 2 с продуктами фреттинга

каскадом сферических частиц. Такие частицы были выявлены ранее, механизм их формирования при развитии усталостной трещины описан для алюминиевых сплавов [16].

Рис. 8. Вид зоны разрушения 1 в образце после 5 • 107 циклов с указанием двух очагов разрушения, расположенных около (указано стрелкой) и под поверхностью (внутри круга) образца

В некоторых образцах зарождение трещины с поверхности происходило без выраженного формирования продуктов фреттинга (рис. 7). В этом случае рельеф излома в виде строчечности свидетельствовал о внутризеренном разрушении материала. По строчечности можно было надежно су-

Рис. 9. Зона 1 разрушения, покрытая продуктами фреттинга, с начальным формированием очага под поверхностью в виде межзеренного растрескивания в образце, разрушенном при долговечности 107 (а, б) и 108 циклов (в, г)

дить о месте расположения фокуса излома и направлении распространения усталостной трещины. Тем не менее между зоной начального и последующего разрушения материала существовал переходный участок с продуктами фреттинга в виде каскада частиц разной формы, указывающих на существовавшее контактное взаимодействие между берегами распространявшейся трещины. Другая группа образцов достигла предельного состояния с формированием начальной зоны разрушения от фокуса излома, расположенного на небольшом удалении от поверхности. В одном случае под поверхностью было выявлено два фокуса излома (рис. 8). Один фокус излома представлял собой гладкую фасетку, ограниченную эллипсом непосредственно у поверхности, а другой — на некотором удалении от нее. В пределах начальной (первой) зоны излома были выявлены строчеч-ность и продукты фреттинга в виде сферических частиц, что указывало на возникновение контакта по ответным частям излома при распространении трещины.

В другом случае фокус излома был сформирован по границам зерен при незначительном его удалении от поверхности (рис. 9, а, б). В зависимости от условий возникновения трещины по границам зерен и характера ее последующего распространения интенсивность продуктов фреттинга разная. Это обусловлено стеснением пластической деформации материала в процессе роста трещины под поверхностью от фокуса излома.

В связи с этим представлял особый интерес анализ излома образца, который первоначально был испытан при уровне напряжения 110 МПа и не разрушился при наработке 1.45 • 109 циклов. После этого уровень напряжения был увеличен до 130 МПа и разрушение образца произошло при наработке 15.4 • 107 циклов. Анализ рельефа излома показал, что трещина в образце зародилась под поверхностью по границам зерен (рис. 10). Размер начальной зоны 1 разрушения, расположенной почти перпендикулярно оси образца, имел выраженную эллиптическую форму с рельефом в виде строчечно-сти. По границам указанной зоны были сформированы продукты фреттинга в виде каскада частиц сферической и полуэллиптической формы. Из этого следует, что в испытанном образце зона 1 могла быть подготовлена к формированию на этапе первоначального нагружения образца на низком уровне напряжения. После перехода на более высокий уровень напряжения развитие трещины происходило на этапе 1 по ослабленным зонам материала и

1Г \

2

3

Рис. 10. Вид излома в зоне 1 и 2 с участком перехода Ф, покрытым продуктами фреттинга (а); его схема с указанием (черная точка) места расположения фокуса излома (б) и вид участка излома в районе фокуса излома в виде участка межзеренного разрушения (выделен кругом) (в). Стрелки указывают направление роста трещины

с задержкой процесса разрушения из-за значительного формирования зоны с фреттингом по границе зоны 2. При возникновении контакта между берегами трещины ее развитие тормозится.

Развитие трещин в зоне 2 во всех образцах было одинаковым и связано с формированием вытянутых и узких фасеток квазихрупкого рельефа излома (рис. 11). Выявленный рельеф нетипичен в разрушении алюминиевых сплавов, для которых в условиях низких температур в эксплуатации всегда формируется ямочный рельеф излома, отражающий вязкое разрушение материала. Использованный термин «квази» означает, что на самом деле разрушение материала происходило вязко, только по механизму выраженного скольжения по наиболее ослабленным плоскостям, а охрупчивания мате-

Рис. 11. Вид рельефа излома в зоне 2 разрушения разных образцов при наработке 5 • 108 (а), 107 (б), 108 (в) и 109 циклов (г). Стрелки указывают направление роста трещины (б) и направление перемещения сферической частицы, оставившей каскад вмятин (в)

риала не происходило. Это следует и из методики проведения испытаний. Образцы в условиях высокочастотного нагружения могут только нагреваться, хотя контроль температуры показал, что уровень температуры нагрева образца даже в очаге зарождения трещины под поверхностью не превышает 150 °С [4]. Этот факт подтверждается и выявленными в зоне 2 продуктами фреттинга в виде каскада частиц преимущественно сферической и эллиптической формы, которые наблюдали в ранее проведенных исследованиях алюминиевых сплавов, относя их к артефактам [13, 15]. При малом раскрытии берегов распространяющейся трещины создаваемые частицы за счет вращения объемов материала могут переползать из одного положения в другое. Это происходит оттого, что они внедряются в одну половину излома, а затем после сдвига и вхождения в соприкосновение с ответной половиной излома внедряются в ответную половину излома (рис. 12). Это приводит к формированию следа в виде каскада ориентированных лунок, повторяющих геометрию вдавливавшейся в поверхность излома частицы (см. рис. 11, в). Сами частицы могут располагаться в зонах, где нет лунок, в которых они сформировались (рис. 11, г). Это означает, что они могут перемещаться между бере-

гами трещины, не повреждая заметно поверхность излома, поскольку в рассматриваемой зоне отсутствует непосредственный контакт по ответным ориентированным фасеткам.

В некоторых зонах происходит формирование продуктов фреттинга по границам ступенек, образованных при разрушении по каскаду плоскостей скольжения (рис. 13). Эти продукты фреттинга представляют собой эллиптические частицы, оси которых ориентированы почти перпендикулярно плоскостям скольжения, по которым прошло разрушение. Эллиптические по форме частицы подтверждают тот факт, что разрушение материала с формированием квазихрупкого рельефа обусловлено механизмом сдвига по плоскостям скольжения. В зоне 3 во всех образцах был сформирован идентичный ямочный рельеф излома, что типично для момента окончательного разрушения алюминиевого сплава Д16Т.

4. Анализ результатов исследования

Выявленные закономерности разрушения образцов в области перехода от многоцикловой к сверхмногоцикловой усталости позволяют заключить, что для алюминиевого сплава Д16Т в рассматриваемой области перехода могут быть реа-

Рис. 12. Схема перемещения сферических частиц при их последовательном внедрении в обе половины излома в условиях сочетания сдвига и раскрытия берегов трещины

лизованы два механизма разрушения с формированием очага под поверхностью и на поверхности образца при одном и том же уровне напряжения. Такая ситуация ранее наблюдалась в сплаве 2024Т3, испытанном при разной частоте нагруже-ния и при разном состоянии поверхности упрочненных и неупрочненных образцов [4, 11].

Выявленные продукты фреттинга в большей мере относятся к проявлению контактного взаимодействия берегов распространяющейся трещины из-за ее извилистой траектории в пространстве при формировании квазихрупких фасеток излома. Сам факт создания мелких частиц разной формы указывает на незначительное перемещение берегов трещины в пространстве, но также подтверждает доминирование механизма сдвига по типу II вдоль образующихся единичных фасеток. Такой процесс разрушения кардинально отличается от развития разрушения в алюминиевых сплавах при циклическом нагружении. Его следует относить к

особенностям нагружения не столько с низкой амплитудой нагружения, сколько с высокой частотой приложения нагрузок. Металл не успевает релак-сировать поступающую энергию в каждом цикле нагружения и проявляет чувствительность к процессу сдвига в разных пространственно ориентированных плоскостях скольжения. Этот способ диссипации энергии оказывается наиболее выгодным металлу.

Существенно, что очагами разрушения в исследованном сплаве могут быть гладкие фасетки квазихрупкого разрушения, от которых развитие разрушения происходит с формированием строчечно-сти (рис. 7). Ее проявление характерно для разрушения металлов на первой стадии с низкой скоростью — менее 10-8 м/цикл, что принято относить к развитию процесса разрушения в условиях сдвига по типу II [7]. Этот факт контрастирует с последующей зоной излома, в которой сформированы только фасетки квазихрупкого разрушения и где

Рис. 13. Вид границы перехода от одного фрагмента плоской поверхности 1 в зоне разрушения 2 к другой с каскадом продуктов фреттинга в виде эллиптических по форме частиц (а) и схема их формирования в процессе роста трещины (б)

скорость роста трещины должна быть выше, но сами элементы рельефа указывают на выраженное разрушение по механизму сдвига.

Однако в области низких скоростей роста трещины при низкочастотном нагружении формирование рельефа излома принципиально отличается от того, что было реализовано в данном исследовании в зоне 2. Из этого следует, что представление о доминировании сдвига по типу II на начальной стадии роста трещины в области низких скоростей в условиях низкой частоты не соответствует чистому сдвигу. Тем более что строчечный рельеф, аналогичный низкочастотному нагруже-нию образцов, был выявлен на начальной стадии разрушения в зоне 1 в данном исследовании.

Полученный результат разрушения во второй зоне с каскадом фасеток квазихрупкого разрушения показывает, что в случае роста трещин в области низких скоростей при низкой частоте на-гружения пластические свойства материала реализуются в большей мере, чем в случае нагружения с высокой частотой. С возрастанием скорости роста трещины в изломах алюминиевых сплавов формируются усталостные бороздки, а в рассматриваемом случае с возрастанием скорости роста трещины происходит переход к формированию каскада фасеток квазихрупкого разрушения.

Этот факт следует отнести к важному диагностическому признаку, когда осуществляется классификации процесса разрушения по анализу рельефа излома. Выявление квазихрупких фасеток является свидетельством высокочастотного нагруже-ния исследованного алюминиевого сплава Д16Т.

5. Выводы

В результате выполненного исследования алюминиевого сплава Д16Т в области перехода от сверхмногоцикловой к многоцикловой усталости получена новая информация о поведении материала, связанная с особенностями зарождения и распространения усталостных трещин, выраженными в трех этапах реализуемых механизмов разрушения.

На первом этапе рост трещины происходит с формированием очага разрушения на поверхности путем создания фасетки квазискола или под поверхностью по границам зерен с распространением трещины почти перпендикулярно оси образца. На втором этапе происходит радикальный переход к изменению макроскопической ориентировки развития разрушения, в среднем под углом 45° к оси образца. Переход к последнему этапу окончательного разрушения также характеризуется резкой границей и определяется формированием ямочного рельефа.

На первоначальном этапе роста трещины в изломе формируются продукты фреттинга в виде плен, а далее по границе перехода ко второму этапу разрушения появляются продукты фреттинга в виде сферических частиц, которые также наблюдаются в изломе на втором этапе разрушения при формировании фасеток квазихрупкого разрушения.

Второй этап роста трещины определяется механизмом сдвига, что приводит к формированию фасеток квазихрупкого разрушения, каждая из которых ориентирована в пространстве под разными углами к оси образца. Этот рельеф радикально отличается от ранее выявляемого рельефа усталостного излома в образцах и деталях у алюминиевого сплава Д16Т в области многоцикловой усталости.

Механизм формирования сферических и эллипсоидных частиц обусловлен чередованием ротаций при формировании частиц и перемещением их от одной половины излома к другой в условиях сдвига при раскрытых берегах усталостной трещины. Все это указывает на существование контактного взаимодействия берегов трещины на всех этапах роста усталостной трещины, как на начальном, так и на втором этапе разрушения. Однако

условия реализуемого контакта разные в результате разного напряженного состояния материала. На третьем этапе происходит окончательное разрушение материала с формированием ямочного рельефа излома.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 1919-00705).

Литература

1. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. -C. 5-36.

2. Иванова В. С. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов. - М.: Наука, 1992.

3. Шанявский А.А. Масштабные уровни процессов усталости металлов // Физ. мезомех. - 2014. - Т. 17. -№ 6. - C. 87-98. - doi 10.24411/1683-805X-2014-00067

4. Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. - New York: Marcel Dekker, 2005.

5. Шанявский А.А., Солдатенков А.П. Масштабные уровни предела усталости металлов // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 1. - С. 44-53. - doi 10.244 11/1683-805X-2019-11005

6. Murakami Y. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Non-Metallic Inclusions. - Elsevier Science Ltd., 2002.

7. Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. - Уфа: 2007.

8. Шанявский А.А. Самоорганизация наноструктур в металлах при сверхмногоцикловой усталости // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. - № 5. - С. 91-105.

9. Shanyavskiy A. Scale of metal fatigue failures and mechanisms for origin of subsurface fracture formation // Solid State Phenomena. - 2017. - V. 258. - P. 249254.

10. Carboni M., Annoni M., Ferraris M. Analyses of Premature Failure of Some Aluminum Alloy Sonotro-des for Ultrasonic Welding // Proc. V Int. Conf. Very High Cycle Fatigue, VHCF5, DVM, June 28-30, 2011 / Ed. by C. Berger, H.-J. Christ. - Berlin, 2011. -P. 589-594.

11. Shanyavskiy A. Mechanisms of the 2024-T351 Al-alloy fatigue cracking in bifurcation area after laser shocks hardening procedure // Key Eng. Mater. - 2011. -V. 465, - P. 511-514.

12. Schwerdt D., Pyttel B., Berger C. Microstructure Investigations with SEM, EBSD and TEM on Cyclic Stressed and Unstressed Specimens of Two Different Aluminium Wrought Alloys // Proc. V Int. Conf. Very High Cycle Fatigue, VHCF5, DVM, June 28-30, 2011 / Ed. by C. Berger, H.-J. Christ. - Berlin, 2011. -P. 207-212.

13. Banhart J., Chang C.S.T., Liang Z., Wanderka N., LayM.D.H., Hill A.J. Natural aging in Al-Mg-Si alloys—A process of unexpected complexity // Adv. Eng. Mater. - 2010. - V. 12. - No. 7. - P. 559-571.

14. Mayer H., Fitzka M., Schuller R. Ultrasonic Fatigue Testing of 2024-T351 Aluminium Alloy at Different Load Ratios under Constant and Variable Amplitude Proc. V Int. Conf. Very High Cycle Fatigue, VHCF5, DVM, June 28-30, 2011 / Ed. by C. Berger, H.-J. Christ. - Berlin, 2011. - P. 355-360.

15. Kawagoishi N., Kariya K., Wang Q.Y., Maeda Y., Goto M. Effect of Loading Frequency on Fatigue Crack Growth of Age-Hardened Al Alloy // Proc. V Int. Conf. Very High Cycle Fatigue, VHCF5, DVM, June 28-30, 2011 / Ed. by C. Berger, H.-J. Christ. - Berlin, 2011. -P. 269-274.

16. Шанявский А.А. Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезоскопическом масштабном уровне. I. Процессы пластической деформации в вершине трещины // Физ. мезомех. -2001. - Т. 4. - № 1. - C. 73-80.

Поступила в редакцию 18.05.2020 г., после доработки 18.05.2020 г., принята к публикации 25.05.2020 г.

Сведения об авторах

Шанявский Андрей Андреевич, д.т.н., проф., нач. отд. «Авиарегистр России», 106otdel@mail.ru Никитин Александр Дмитриевич, снс ИАП РАН, nikitin_alex@bk.ru

Thierry Palin-Luck, зам. департамента «Durability of metals and structures», Art et Métier, France, thierry.palin-luc@u-bordeaux.fr