CC BY
122
Клевцов Г.В., Фролова O.A., Клевцова H.A., Алиджанов Э.К.
Оренбургский государственный университет
ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА АСИММЕТРИИ ЦИКЛА НАГРУЖЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Статья посвящена кинетике и механизму усталостного разрушения, влиянию сжимающих циклов нагружения на долговечность и механизм разрушения конструкционных материалов. Изучено влияние коэффициента асимметрии цикла нагружения R в широком интервале значений на общую долговечность и механизм усталостного разрушения образцов из алюминиевого сплава АК6 и стали 110ПЗЛ. Для изучения механизмов усталостного разрушения образцов использованы физические методы исследования изломов: растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ.
Введение
Большинство промышленных конструкций и деталей машин из алюминиевых сплавов и других конструкционных материалов подвержены знакопеременным, растягивающим и сжимающим циклам нагружения. Долговечность таких конструкций будет зависеть не только от сопротивления материала усталостному разрушению, но и от параметров нагружения [1]. Известно, что существенное влияние как на скорость распространения усталостной трещины, так и на механизм усталостного разрушения металлических материалов оказывает коэффициент асимметрии цикла нагружения R ^ = ст^/ ст ) [2-3]. К сожалению, в литературе крайне мало данных о влиянии сжимающих циклов нагружения на усталостную прочность и механизм разрушения конструкционных материалов. Это затрудняет наше представление о влиянии на вышеуказанные характеристики материала коэффициента асимметрии цикла нагружения R в широком диапазоне значений от -¥ до ¥.
Целью настоящей работы является изучение влияния коэффициента асимметрии циклов нагружения R в широком диапазоне значений на усталостную долговечность и механизм разрушения образцов из конструкционных материалов.
Материалы и методики исследования
В качестве исследуемых материалов использовали алюминиевый ковочный сплав АК6 и аустенитную сталь 110Г13Л. Химический состав исследуемых материалов представлен в таб лицах 1 и 2.
Алюминиевый сплав АК6 использовали в состоянии поставки (горячекатанное состояние). Призматические образцы толщиной 1,210" 2 м с У-образным концентратором напряжения
изготавливали из плиты толщиной 210-2 м. Образцы из стали 110Г13Л толщиной 410-3 м с У-образным концентратором напряжения изготавливали из гомогенизированных при 12000 С отливок и закаливали от 11000 С в масле. После закалки данная сталь имела однофазную аус-тенитную структуру. Механические свойства сплава АК6 и стали 110Г13Л представлены в таблице 3.
Усталостные испытания консольно закрепленных образцов проводили на чистый изгиб по жесткой схеме нагружения при постоянном для каждого материала значении амплитуды деформации. Образцы из алюминиевого сплава АК6 нагружали с помощью возбудителя перемещений ВП 20-00.00.00 при полностью растягивающем ^ = 0,5), симметричном (Д = -1), преимущественно сжимающих ^ = -2; -3; -7; -19), отну-левом сжимающем ^ = -¥) и полностью сжимающих ^ = 11,5) циклах нагружения (рис. 1 а). Образцы из стали 110Г13Л испытывали на специально разработанной установке при полностью растягивающем (Д = 0,5), отнулевом (Д = 0) и симметричном ^ = -1) циклах нагружения (рис. 1 б). Все усталостные испытания были проведены согласно рекомендациям РД 50-345-82 [4].
Полученные изломы исследовали методами макро- и микрофрактографического, а так-
Таблица 1. Химический состав алюминиевого сплава АК6 (в % по массе)
Cu Zn Mg Fe Ni Si Mn
2,22 0,30 0,60 0,70 0,10 0,90 0,60
Таблица 2. Химический состав стали 110Г13Л (в % по массе)
С Mn Cr Ni Si Cu
1,06 15,18 0,20 0,40 0,18 0,10
Таблица 3. Механические свойства исследуемых материалов
Материал Ob, МПа 00 2, МПа 5, % Y, % О-i, МПа
AK6 420 300 12 40 -
110Г13Л 820 380 40 45 185
Рисунок 1. Схемы нагружения образцов из алюминиевого сплава АК6 (а) и стали 110Г13Л (б) при различном значении коэффициента асимметрии цикла нагружения Я
же рентгеноструктурного анализа. Длину усталостных зон на поверхности изломов замеряли штангенциркулем с точностью 10-4 м. Микрорельеф усталостных изломов изучали в растровом микроскопе JSM-T20. О степени искажен-ности кристаллической структуры материала на поверхности изломов судили по ширине рентгеновской дифракционной линии (311) Ка.
Съемку поверхности изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0 согласно методике [2, 5].
Результаты исследования и их обсуждение
На рисунке 2 представлена зависимость от коэффициента асимметрии цикла нагружения R общего количества циклов нагружения N до разрушения образцов из сплава АК6 и стали 110Г13Л. Видно, что на вышеуказанной зависимости можно выделить три области значений R: 1) -¥ < R= -1; 2) -1< R<1; 3) 1< R < ¥.
При увеличении коэффициента асимметрии цикла нагружения R от -¥ до -1 общая долговечность образцов из сплава АК6 увеличивается. Причем наиболее интенсивное увеличение долговечности образцов наблюдается в области значения R от -3 до -1 (см. рис. 2). В интервале значений R от -1 до 0,5 наблюдается резкое снижение долговечности образцов как из сплава АК6, так и из стали 110Г13Л. В области значений R от 1 до ¥ экспериментальную зависимость долговечности образцов из сплава АК6 от коэффициента асимметрии цикла нагружения установить не удалось, т. к. в образцах, испытанных при R=5 (см. рис. 1), усталостная трещина зарождалась с противоположной стороны от надреза. Такие результаты испытаний в дальнейшем анализировали, поэтому в данной области имеет место только одно экспериментальное значение (при R = 11) (см. рис. 2).
Легко видеть, что максимальная долговечность образцов имеет место при R = -1, что соответствует схеме нагружения, при которой максимальное и минимальное напряжения цикла в образцах имеют минимальные отклонения от нулевого значения (см. рис. 1). Минимальная долговечность образцов имеет место при R® 1, когда в образцах максимальное напряжение цикла при полностью растягивающих циклах нагружения, а по-видимому, и минимальное напряжение цикла при полностью сжимающих циклах нагружения (последний случай на рис. 2 отмечен пунктиром) достигают макси-
Рисунок 2. Зависимость общей долговечности образцов N из сплава АК6 (1) (светлые точки) и стали 110Г13Л (2) (темные точки) от коэффициента асимметрии циклов нагружения Я
мального отклонения от нулевого значения. При R® -¥ или R® ¥ долговечность образцов составляет какое-то промежуточное значение от вышеуказанных (см. рис. 2).
Полученные результаты позволяют представить обобщенную схему влияния на долговечность образцов коэффициента асимметрии цикла нагружения R во всем интервале значений от -¥ до ¥. На рис. 3 представлена такая обобщенная схема для случая постоянного значения размаха напряжений (или деформаций) цикла (Аа = const).
Из приведенной схемы видно, что увеличение сжимающих напряжений оказывает на долговечность образцов такое же влияние, как и увеличение растягивающих напряжений, т. е. снижает общую долговечность образцов.
Для того чтобы оценить вклад в общую долговечность образцов стадии зарождения и стадии распространения усталостной трещины при различных значениях Я, рассмотрим мак-рофрактографические особенности строения полученных изломов.
Все полученные изломы образцов из сплава АК6 имеют на своей поверхности характерные макрозоны: зону стабильного роста трещины 18, зону ускоренного развития 1г и зону долома (рис. 4 а). Зона 18 - более темная по сравнению с другими зонами, но блестящая; имеет ступеньки, указывающие на многоочаговый характер зарождения усталостной трещины. Зона ускоренного развития трещины 1г - светлая, мелкозернистая, матовая. Зона долома -светлая, матовая, что указывает на вязкий характер разрушения (рис. 4 б). Зоны 18 и 1г образуют зону усталостного развития трещины 1Г (1Г = 18+ 1г) (см. рис. 4 а). Кроме того, усталостные изломы сплава АК6, полученные при Я = -1 (К = 4,810-4 цикл.), имеют вблизи боковых поверхностей губы среза, размер которых составляет 5-10%.
На поверхности изломов стали 110Г13Л можно было выявить две макрозоны: зону усталостного развития трещины 1г и зону доло-
Рисунок 3. Обобщенная схема влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения R на долговечность образцов N для случая постоянного значения размаха напряжений (Ду = const) или деформации цикла
ма. Зона усталостного развития трещины сравнительно гладкая, со ступеньками; зона доло-ма имеет мелкозернистое кристаллическое строение.
На рисунке 5 представлена зависимость длины зоны стабильного роста трещины 18 и зоны усталостного развития трещины 1г на поверхности изломов образцов из сплава АК6 и стали 110Г13Л от коэффициента асимметрии цикла нагружения Я. Видно, что характер из-
а) б)
Рисунок 4. Схема строения усталостных изломов образцов из сплава АК6 (а), а также характерный вид изломов (б)
менения длины данных зон аналогичен характеру изменения в зависимости от Я общей долговечности образцов N (см. рис. 2).
Известно, что общая долговечность образцов до разрушения N включает в себя: количество циклов нагружения до образования усталостной трещины и количество циклов нагружения, затраченное на распространение трещины [1]. Сопоставляя рисунки 2 и 5, можно предположить, что коэффициент асимметрии цикла нагружения Я в данном случае оказал влияние на стадию распространения усталостной трещины. Однако это не значит, что коэффициента Я не оказывает влияния и на стадию зарождения усталостной трещины.
Рассмотрим влияние коэффициента асимметрии цикла нагружения Я на микрофрактог-рафические особенности строения усталостных изломов образцов из сплава АК6.
Микрорельеф излома образца, испытанного при Я = -19, представлен на рисунке 6. Медленный рост усталостной трещины под действием сжимающих напряжений привел к образованию усталостных бороздок в зоне 1з, которые при небольшом увеличении видны плохо, а также многочисленных вторичных трещин и ступенек (рис. 6 а). При большом увеличении (рис. 6 б) хорошо видны нерегулярные усталостные бороздки, вторичные трещины и ступеньки. В зоне ускоренного развития трещины 1г (рис. 6 в) микрорельеф незначительно отличается от вышерассмотренного, однако выглядит более рельефным. Усталостные бороздки нерегулярные и слабо различимые; хорошо видны вторичные трещины. При небольшом увеличении микрорельеф в зоне
,10 к
О—
'Р. А 0 А1 А А ЗЯ - —Д- 1 -о* , , ¿1 .1—1^-1 ) .1 1 1 1 1 I 1 1
. * Л
, 1 , , , ! , , . , 1 . , , , 1 , , , ,
-20 -15 -Ю
■5
О
10
Я
Рисунок 5. Зависимость длины зоны стабильного роста трещины 18 и зоны усталостного развития 1Г от общей долговечности образцов из сплава АК6 при различных значениях Я
долома (рис. 6 г) напоминает микрорельеф в зоне ускоренного развития трещины. Однако при большом увеличении хорошо видны участки внутризеренного квазискола.
В зоне стабильного роста трещины 1з излома образца, испытанного при Я = -1 (рис. 7 а), имеет место смешанный характер разрушения в результате вязкого среза, межзеренного ква-зискола и усталостного разрушения с образованием нерегулярных усталостных бороздок, плохо видимых при небольшом увеличении. В зоне ускоренного развития трещины 1г (рис. 6 б) трудно различимые усталостные бороздки на плоских участках излома окружены рассредоточенными ямками; видны вторичные трещины. Микрорельеф в зоне долома (рис. 7 в) такой же, как и в случае окончательного разрушения образца, испытанного при Я = -19 (см. рис. 6 г).
Микрорельеф усталостного излома образца из сплава АК6, испытанного при Я = 0,5, представлен на рисунке 8. В зоне стабильного роста трещины 1з (рис. 8 а) видны нерегулярные, слабо различимые бороздки, окруженные ямками различных размеров. Такой микрорельеф должен отличаться хорошо развитой пластической деформацией. Более высокая скорость распространения усталостной трещины в зоне ускоренного развития 1г (рис. 8 б) по сравнению с зоной стабильного роста трещины приводит к образованию микрорельефа со сравнительно регулярными, лучше выявляемыми усталостными бороздками, наблюдаемыми на плоских участках излома, окруженных ямками. Видны вторичные трещины. В зоне долома (рис. 8 б) микрорельеф с мелкими ямками чередуется с участками квазискола; хорошо видны вторичные трещины по границам зерен.
Таким образом, видим, что при изменении цикла нагружения образцов из сплава АК6 от сжимающего (Я = -19) к симметричному (Я = -1) и растягивающему (Я = 0,5) циклу в микрорельефе зоны стабильного роста трещины 1з и в зоне ускоренного развития трещины 1г начинает преобладать вязкая составляющая. Микрорельеф зоны долома практически не зависит от асимметрии цикла нагружения образцов.
Рассмотрим влияние коэффициента асимметрии циклов нагружения Я на степень иска-женности кристаллической структуры материала на поверхности усталостных изломов сплава АК6 в пределах зоны стабильного роста трещины 1, где, как известно [2], искаженность кри-
а)
б)
в)
г)
Рисунок 6. Микрорельеф усталостного излома образца из сплава АК6, испытанного при Я = -19, в зоне стабильного роста трещины 18 (а, б), зоне ускоренного развития 1г (в) и в зоне долома (г). Увеличение: а, в, г - х1000; б - х2000
сталлической структуры материала не зависит от длины усталостной трещины. О степени ис-каженности кристаллической структуры материала будем судить по ширине рентгеновской дифракционной линии (311) Ка (рис. 9).
Из рисунка 9 видно, что с увеличением коэффициента асимметрии циклов нагружения Я от -19 до -1 (уменьшением сжимающих напряжений в образце) ширина рентгеновской дифракционной линии, полученной при рентгено-графировании изломов в зоне 1 уменьшается, что указывает на снижение степени искаженно-сти кристаллической структуры материала на поверхности данной зоны. Ширина дифракционной линии достигает минимального значения при симметричном цикле (Я = -1), что соответствует схеме нагружения, при которой максимальное и минимальное напряжения цикла в образцах имеют минимальные отклонения от нулевого значения (см. рис. 1). Затем при Я= 0,5 ширина дифракционной линии вновь увеличивается (см. рис. 9). Обращает на себя внимание тот факт, что искаженность кристаллической структуры материала на поверхности зоны 1,, оцененная по ширине дифракционной линии, может быть выше искаженности кристалличес-
а)
в)
Рисунок 7. Микрорельеф усталостного излома образца из сплава АК6, испытанного при Я = -1, в зоне стабильного роста трещины 18 (а), зоне ускоренного развития 1г (б) и в зоне долома (в). Увеличение: а, б - х1000; в - х500
в)
Рисунок 8. Микрорельеф усталостного излома образца из сплава АК6, испытанного при Я = 0,5, в зоне стабильного роста трещины 18 (а), зоне ускоренного развития 1г (б) и в зоне долома (в). Увеличение: а, б, в - х1000
кой структуры в зоне долома, что имеет место при Я = -19 и 0,5 (см. рис. 9).
По-видимому, увеличение степени искажен-ности кристаллической структуры материала на поверхности зоны 1§ при Я = 0,5 связано с большими растягивающими напряжениями и, как следствие, в основном с вязким характером разрушения. Высокая степень искаженности кристаллической структуры материала в данной зоне при больших сжимающих напряжениях (Я= -19) связана, по-видимому, с дополнительным наклепом материала на поверхности изломов от сжимающих напряжений уже после прохождения трещины.
Выводы
1. На основании результатов усталостных испытаний образцов из алюминиевого сплава АК6 и стали 110Г13Л предложена обобщенная схема влияния на долговечность образцов коэффициента асимметрии цикла нагружения Я во всем интервале значений от -¥ до ¥.
2. Увеличение сжимающих напряжений оказывает на долговечность образцов такое же влияние, как и увеличение растягивающих напряжений, т. е. снижает общую долговечность образцов.
3. Характер изменения длины зоны стабильного роста трещины 1§ и зоны усталостного развития трещины 1? на поверхности изломов образцов из сплава АК6 и стали 110Г13Л в зависимости от Я аналогичен характеру изменения общей долговечности образцов N.
Ю ра&
1.ь
1,5
и 0 1.0
-го -15 -10 -5 о Й
Рисунок 9. Зависимость ширины дифракционной линии (311) Ка, полученной при рентгенографировании поверхности усталостных изломов образцов из сплава АК6 в зоне 18 (1) и в зоне долома (2).
Ь0 - ширина линии эталона, полученная с поверхности образца до его нагружения
4. При изменении коэффициента асимметрии цикла нагружения Я образцов из сплава АК6 от -19 до 0,5 в микрорельефе зоны стабильного роста трещины 1§ и в зоне ускоренного развития трещины 1г начинает преобладать вязкая составляющая. Микрорельеф зоны долома практически не зависит от асимметрии цикла нагружения образцов.
5. Степень искаженности кристаллической структуры сплава АК6 в зоне 1§, определенная по ширине рентгеновской дифракционной линии, с увеличением коэффициента асимметрии циклов нагружения Я от -19 до -1 уменьшается, достигая минимального значения при симметричном цикле (Я = -1). При Я = 0,5 степень ис-каженности кристаллической структуры вновь увеличивается.
Список использованной литературы:
1. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. Пер. с польск. / Под ред. С.Я. Яремы.- М.: Металлургия, 1990. - 623 с.
2. Клевцов Г.В. Пластические зоны и диагностика разрушения металлических материалов. - М.: МИСИС, 1999. - 112 с.
3. Клевцов Г.В., Постников Н.С., Жижерин А.Г., Гоцев И.С., Бакиров Ж.Т. Кинетика и фрактография усталостного разрушения сплава ВАЛ15 при различной асимметрии цикла // Проблемы прочности, 1988. - №7. - С. 31-33.
4. РД 50-345-82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружения. - М.: Госстандарт СССР, 1983. - 96 с.
5. Р 50-54-52-88. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью разрушения. - М.: ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, 1988. - 24 с.
