CC BY
64
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, №5 (1), с. 46-52
УДК 538.951:539.375.5
УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА НАНО- И МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ: НОВЫЙ МЕТОД ИСПЫТАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
© 2010 г. А.Н. Сысоев 1, М.Ю. Грязное 12, В.Н. Чувильдеев 1, В.И. Копылов 3,
А.А. Павлюков 1
1 Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 3 Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси, Минск
gryaznov@nifti.unn.ru
Поступила в редакцию 26.08.2010
Разработан новый метод исследования усталостных свойств металлических материалов при повышенных температурах. Разработана и изготовлена установка для усталостных испытаний миниатюрных образцов на изгиб в режиме автоколебаний. Проведены исследования алюминиево-кремниевых сплавов в состоянии после литья и в нано- и микрокристаллическом (НМК) состоянии, полученных по спрей-технологии и прошедших обработку равноканальным угловым прессованием (РКУП). Показано, что НМК алюминиевые сплавы типа АК12, прошедшие обработку РКУП, имеют более высокие усталостные характеристики, чем их крупнокристаллические аналоги. Показано, что НМК алюминиевые сплавы типа АК21, полученные по спрей-технологии и прошедшие обработку РКУП, при температуре 350оС имеют более высокие усталостные характеристики, чем аналогичные НМК-сплавы, полученные обработкой РКУП литых заготовок. Исследованы закономерности процесса распространения усталостной трещины в НМК-сплавах системы Al-Si.
Ключевые слова: усталость, установка для усталостных испытаний миниатюрных образцов, нано- и микрокристаллические материалы, алюминиевые сплавы.
Введение
Опасность разрушения деталей машин, механизмов и конструкций при многократно повторяющейся нагрузке, для которой наряду с величиной решающее значение имеют ее частота и число циклов, известна с момента возникновения промышленного машиностроения. Вся совокупность процессов, происходящих в металле и вызывающих его разрушение в результате циклического нагружения (накопление дефектов, трещинообразование и развитие трещины), называется усталостью. Важно отметить, что величина знакопеременной нагрузки, выдерживаемой деталью (образцом материала) в течение длительного времени, т.е. многократно прикладываемой, значительно меньше, чем величина допустимой нагрузки, прикладываемой один раз.
Научный интерес к проблеме усталостного разрушения металлических материалов связан с тем, что усталостные характеристики являются весьма чувствительными к их структурному состоянию [1-5]. Вместе с тем разработка и по-
лучение новых нано- и микрокристаллических (НМК) металлов и сплавов требуют новых подходов к аттестации их структуры и свойств. В связи с этим для создания новых конструкционных НМК-материалов необходимы новые методы исследования структурно-чувствительных физико-механических свойств, в том числе усталостных. Следует отметить, что современные экспериментальные возможности не позволяют проводить исследования усталостных характеристик миниатюрных образцов НМК-ма-териалов как при комнатной, так и при повышенных температурах, отсутствует возможность автоматического выделения стадий накопления дефектов, зарождения и распространения трещины, а также определения скорости распространения усталостной трещины в образце. Таким образом, разработка новых методов исследования усталостных свойств материалов и новой приборной базы для их реализации является весьма актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена описанию нового метода определения структурно-чувствительных усталостных характеристик миниа-
тюрных образцов НМК-материалов при повышенных температурах. В работе подробно описаны методика эксперимента и принцип работы установки для исследования усталостных свойств материалов. Описаны экспериментальные результаты исследований, полученные с использованием нового метода, на примере микрокристаллических и крупнокристаллических сплавов системы А1-81, созданных по технологии инвертированного литья, спрей-технологиии и технологии равноканального углового прессования.
Методика эксперимента
Для проведения испытаний металлов и сплавов на многоцикловую усталость была сконструирована установка, позволяющая исследовать образцы на изгиб в автоколебательном режиме. От использующихся в настоящее время в исследовательской практике установок [6, 7] она отличается небольшими габаритными размерами (600x450^350 мм3), малыми размерами используемых образцов, бесшумностью, низким энергопотреблением и наличием термокамеры, что позволяет проводить измерения при повышенной до 450оС температуре. Установка позволяет изучать процесс накопления усталостных повреждений в металлах и сплавах, а также определять скорость распространения усталостной трещины на разных стадиях развития усталостного разрушения.
Образцы для исследования имеют форму двойной лопатки с радиусной рабочей частью. Толщина образца равна 3 мм, ширина рабочей части - 2 мм, радиус закругления - 15 мм. Перед испытаниями поверхность образца полируется на металлографических пастах до качества 1/0, что исключает зависимость результатов испытаний от качества обработки его поверхности [8]. Испытания проводятся на симметричный изгиб в плоскости образца с постоянной амплитудой деформации.
Схема установки для усталостных испытаний приведена на рис. 1. Механическая часть установки состоит из составного вибратора, образованного образцом 1 и рычагом 2, оптического измерительного устройства (ОИУ) 3 и двух электромагнитов отклонения вибратора из положения равновесия (ЭМ) 4. ОИУ преобразует величину смещения рычага составного вибратора в электрическое напряжение. Отклонение рычага вызывает появление в рабочей части образца механических напряжений растяжения в выпуклой его части и сжатия - в вогнутой. Электронное устройство (ЭУ) 5 служит
для поддержания автоколебаний и регулирования амплитуды деформирования образца. В процессе эксперимента амплитуда колебаний рычага установки поддерживается постоянной автоматически. Ввод размеров образца и параметров испытаний осуществляется с клавиатуры 6, результаты эксперимента выводятся на индикатор 7 и флеш-карту 8. Частота автоколебаний установки определяется геометрическими размерами образца, модулем упругости материала образца, моментом инерции сечения его рабочей части, а также размерами и массой рычага установки.
Рис. 1. Схема установки для усталостных испытаний
Установка работает следующим образом. При включении сколь угодно малые по амплитуде свободные колебания составного вибратора фиксируются ОИУ 3, электрическое напряжение, пропорциональное величине отклонения рычага от исходного положения, подается на ЭУ 5, в котором замыкается цепь положительной обратной связи, и на ЭМ 4 установки подаются импульсы тока прямоугольной формы той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 180о. Оптимальные условия для возникновения и поддержания автоколебаний в системе создает микроконтроллер ЭУ. Он же поддерживает постоянной амплитуду колебаний составного вибратора, управляя величиной тока в ЭМ.
Расчет связи между механическим напряжением на поверхности рабочей части образца и амплитудой колебаний конца составного вибратора осуществляет микроконтроллер ЭУ на ос-
новании зависимости между величинои отклонения конца составного вибратора v и величинами момента силы М, модулем упругости материала образца Е и моментом инерции сечения составного вибратора J. Величина отклонения конца составного вибратора равна [9]:
V = J(J E J.f )d~, (1)
0 0 E(~)J(~) где M(z) - величина момента силы Р, равная M(z) = P(L - z); L - длина составного вибратора (образца и рычага); E(z) - величина модуля упругости; при 0 < z < A (А - длина рабочеИ части образца) модуль упругости равен модулю упругости материала образца, при A < z < L модуль упругости равен модулю упругости материала рычага; J(z) - момент инерции сечения; при 0 < z < A момент инерции равен моменту инерции сечения образца J(z) = 2[y(z)]3h/3 (y(z) - полуширина образца, h - толщина образца); при A < z < L момент инерции равен J(z) = nd/64; здесь d - диаметр рычага (в установке d = = 10 мм). Исследуемый образец имеет симметричную форму относительно оси z. Аналитическое выражение для описания контура рабочеИ части образца y(z) имеет вид:
y( z) = 16 - д/225—(Т—Юг)2,
где z - координата точки вдоль рабочеИ части образца.
Известно [9], что напряжения на поверхности образца, описываемой этим выражением, равны:
M (z)
а(z)
J (z)
y(z )•
(2)
Формулы (1) и (2) связывают величину прогиба V и напряжение на поверхности образца о при определенном значении силы Р. Очевидно, что наибольшее значение это напряжение имеет
в наименьшем сечении рабочей части образца. При проведении усталостных испытаний это напряжение изменяется по гармоническому закону, а его амплитуда в рабочей части образца называется амплитудой напряжения цикла и обозначается оа.
Как известно [10], квадрат частоты автоколебаний пропорционален величине жесткости образца (произведению модуля упругости и момента инерции сечения) и изменение частоты автоколебаний в процессе усталостных испытаний свидетельствует об изменении момента инерции сечения в процессе образования и развития усталостной трещины в образце.
Результаты эксперимента и их обсуждение
1. Исследование усталостных свойств сплавов системы Л1-12%Бг. Проведены усталостные испытания образцов сплавов системы А1-12%81 типа АК12 в двух структурных состояниях: крупнокристаллическом (после литья) и НМК-состоянии (после РКУП). Испытания проводились при комнатной температуре и частоте колебаний, равной примерно 60 Гц. Типичные фотографии микроструктуры исследуемых сплавов после испытаний приведены на рис. 2. Видно, что сплав до РКУП имеет грубую дендритную структуру и усталостная трещина в нем развивается по более сложной траектории.
На рис. 3 приведены усталостные кривые Велера для вышеуказанных литых и НМК сплавов. Анализ усталостных кривых показывает, что наблюдается значительное возрастание предела выносливости сплава после РКУП. Известно [11], что предел выносливости для алюминиевых сплавов прямо пропорционален вре-
Логарифм количества циклов
Рис. 3. Кривые усталости для сплава АК12, полученного литьем (1), и для того же НМК-сплава после РКУП (2)
а)
140
|= 120
100
б)
80
60
5 40
20
4.5
ч 1 т
а \2
’ А
? 9
• 1 —н
і ' — .* • •
5 5.5 6 6.5
Логарифм количества циклов ІдМ
7.5
Рис. 4. Кривые усталости для сплавов типа АК21, полученные при комнатной температуре (а) и при температуре 350оС (б): 1 - литье + РКУП; 2 - спрей + РКУП
800
700
600
500
I 400
300
200
100
у
ч—- / :
—/ \ -
о :
* 1 1
62
61
60
59 г
58
57
56
55
100000
120000 140000
Количество циклов N
160000
54 180000
Рис. 5. Зависимости длины трещины и частоты колебаний от количества циклов в образце НМК-сплава АК12 (температура 20°С, напряжение оа= 200 МПа)
80
>
Ъ 70
о
о
о.
о
О
60
50
о := о 1 £ 30
о го о.
20
10
I
170 МПа I/
у» » »—*— 140 МПа
5000
10000 15000 20000
Количество ЦИКЛОВ N
25000
30000
80
70
60
50
£ Ё- 40
30
20
10
I
, 170 МПа
?
140 МПа
V.... к
0 50000 100000 150000 200000 250000
Количество циклов N
Рис. 6. Изменение в процессе испытания скорости распространения усталостной трещины для литого сплава АК21 (а) и сплава АК21, изготовленного по спрей-технологии (б) (оба сплава подвергнуты обработке РКУП)
менному сопротивлению разрыву, а временное сопротивление разрыву для НМК-сплавов, полученных методами РКУП, выше, чем у исходных сплавов [12-15]. В связи с этим обнаруженное повышение предела выносливости НМК- сплавов по сравнению с исходными крупнокристаллическими материалами является вполне предсказуемым результатом.
2. Исследование усталостных свойств сплава системы А1-20%оБ1. Проведены исследования усталостных свойств алюминиевых сплавов системы А1-20%81 типа АК21, изготовленных литьем и по спрей-технологии и прошедших затем обработку РКУП. Исследования проводились при комнатной температуре и при температуре 350о С. Результаты представлены на рис. 4.
Анализ усталостных кривых (рис. 4а) показывает, что при комнатной температуре пределы выносливости для сплавов, полученных литьем и по спрей-технологии, примерно равны 140... 145 МПа. Исследования усталостных свойств при температуре 350оС показывают, что предел выносливости для сплава, полученного по спрей-технологии, составляет 75 МПа, что значительно выше, чем для сплава, полученного литьем (20 МПа).
3. Исследование скорости распространения усталостной трещины. Для проверки связи частоты колебаний составного вибратора и длины усталостной трещины проведены испытания НМК-сплава АК12 по следующей схеме: образец испытывался при комнатной температуре и максимальной амплитуде напряжения 200 МПа; после снижения частоты колебаний испытание останавливалось, и на рабочей части образца с обеих сторон измерялась длина усталостной трещины. Затем образец снова помещался в установку, и испытания продолжались. Такая процедура была повторена на одном образце несколько раз. На рис. 5 представлены зависимости длины трещины и частоты колебаний от количества циклов колебаний. Из рисунка видно, что частота колебаний составного вибратора уменьшается в процессе увеличения длины усталостной трещины. Таким образом, изменение частоты автоколебаний в процессе испытаний свидетельствует о зарождении и начале распространения в материале образца усталостной трещины. Постоянное измерение частоты автоколебаний позволяет остановить эксперимент до момента полного разрушения образца и провести микрофотографирование развивающейся в его рабочей части трещины.
По протоколам экспериментов рассчитана скорость распространения усталостной трещины в процессе испытаний сплавов АК21 после обработки РКУП. В качестве примера на рис. 6 приведены зависимости скорости распространения усталостной трещины от количества циклов колебаний для сплавов, изготовленных литьем (а) и по спрей-технологии (б) и прошедших затем обработку РКУП. Испытания проводились при комнатной температуре и амплитудах напряжения оа = 140 МПа и 170 МПа. Отсчет количества циклов начинался с момента зарождения трещины, зафиксированного по изменению частоты автоколебаний системы.
На всех кривых наблюдается ускоренный рост скорости распространения трещины перед разрушением. Для большинства образцов сплавов, изготовленных по спрей-технологии, при напряжениях, незначительно превышающих предел выносливости, на начальном этапе разрушения наблюдается низкая скорость распространения трещины порядка 1 нм/цикл (рис. 6б, 140 МПа).
Заключение
1. Разработан новый метод исследования усталостных свойств металлических материалов при повышенных температурах. Разработана и изготовлена установка для усталостных испытаний миниатюрных образцов на изгиб в режиме автоколебаний.
2. Проведены исследования алюминиевокремниевых сплавов в состоянии после литья и в нано- и микрокристаллическом состоянии, полученных по спрей-технологии и прошедших обработку равноканальным угловым прессованием (РКУП).
3. Показано, что НМК алюминиевые сплавы типа АК12, прошедшие обработку РКУП, имеют на 40% более высокие усталостные характеристики, чем их крупнокристаллические аналоги.
4. Показано, что НМК алюминиевые сплавы типа АК21, полученные по спрей-технологии и прошедшие обработку РКУП, при температуре испытаний 350 оС имеют в 3 раза более высокие усталостные характеристики, чем аналогичные НМК-сплавы, полученные обработкой РКУП литых заготовок.
5. Исследованы закономерности процесса распространения усталостной трещины в НМК-сплавах системы А1-81. Показано, что для сплавов, полученных по спрей-технологии и РКУП, при напряжениях, незначительно превышающих предел выносливости, на начальном этапе разрушения наблюдается низкая скорость распространения трещины порядка 1 нм/цикл.
Авторы выражают признательность Ю.Г. Лопатину, С.В. Шотину и Ю.П. Вишне за помощь в проведении экспериментальных исследованиИ.
Авторы выражают признательность за поддержку РФФИ (гранты №№ 09-02-01368-а, 09-03-01152-а, 09-02-97086-р_поволжье_а, 09-08-97044-
р_поволжье_а), Аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проекты №№ 2.1.2/5271, 2.1.1/6292, 2.1.1/711), Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (проекты №№ НК-132П, НК-209П, НК-374П, НК-376П, НК-392П, НК-431П, НК-442П).
Список литературы
1. Chung C.S., Kim J.K., Kim H.K., Kim W.J. Improvement of high-cycle fatigue life in a 6061 Al alloy produced by equal channel angular pressing // Materials Science and Engineering A. 2002. 337. P. 39-44.
2. Hoppel H.W., Kautz M., Xu C. et al. An overview: fatigue behaviour of ultrafine-grained metals and alloys // International Journal of Fatigue. 2006. 28. P. 1001-1010.
3. May J., Amberger D., Dinkel M. et al. Monotonic and cyclic deformation behaviour of ultrafine-grained aluminium // Materials Science and Engineering A. 2008. P. 481-484.
4. Cavaliere P. Fatigue properties and crack behavior of ultra-fine and nanocrystalline pure metals // International Journal of Fatigue. 2009. 31. P. 14761489.
5. Mughrabi H., Hoppel H.W. Cyclic deformation and fatigue properties of very fine-grained metals and alloys // International Journal of Fatigue. 2010. 32. P. 1413-1427.
6. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. 304 с.
7. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наук. думка, 1987. 1303 с.
8. Кузьменко В.А. и др. Усталостные испытания на высоких частотах нагружения / Под ред.
B.А. Кузьменко. Киев: Наук. думка, 1979. 336 с.
9. Александров А.В. Сопротивление материалов / Под ред. А.В. Александрова. М.: Высш. шк., 2003. 560 с.
10. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: КомКнига, 2006. 440 с.
11. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 288 с.
12. Чувильдеев В.Н., Грязнов М.Ю., Копылов В.И. и др. Механические свойства микрокристаллического алюминиевого сплава АМг6 // Вестник ННГУ. 2008. № 4. С. 35-43.
13. Чувильдеев В.Н., Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н. и др. Сверхпластичность микрокристаллического заэвтектического сплава Al-18%Si // Вестник ННГУ. Серия Физика твердого тела. 2006. Вып. 1(9). С. 233— 241.
14. Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Грязнов М.Ю. и др. Эффект двукратного повышения прочности и пластичности промышленного сплава АМг6 после РКУП-обработки // Докл. РАН. 2008. 423. № 3.
C. 336-339.
15. Чувильдеев В.Н., Грязнов М.Ю., Копылов В.И. и др. Сверхпластичность микрокристаллического заэвтектического сплава Al—18%Si // Докл. РАН. 2008. 419. № 2. С. 189-192.
FATIGUE PROPERTIES OF NANO- AND MICROCRYSTALLINE ALUMINUM ALLOYS:
A NEW METHOD FOR TESTING AND EXPERIMENTAL RESULTS
A.N. Sysoev, M.Yu. Gryaznov, V.N. Chuvil’deev, V.I. Kopylov, A.A. Pavlyukov
A new method to study fatigue properties of metallic materials at elevated temperatures has been developed. A fatigue testing facility has been designed and built for bending fatigue tests of miniature samples in the regime of auto-oscillations. Aluminum-silicon alloys have been studied in the as- cast state and in the nano- and microcrystalline (NMC) states obtained by the spray-technology and using equal-channel angular pressing (ECAP). NMC aluminum alloys of AK12 type processed by ECAP have been shown to have higher fatigue characteristics than their coarse-grained analogs; and NMC aluminum alloys of AK21 type processed by the spray-technology and ECAP have higher fatigue characteristics at a temperature of 350 °C than the analogous NMC cast alloys processed by ECAP. The patterns of the fatigue crack propagation process have been studied for NMC Al- Si alloys.
Keywords: fatigue, fatigue testing facility for miniature samples, nano- and microcrystalline materials, aluminum alloys.
