Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010
Подождите немного. Документ загружается.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
590
проявления ЭПЛ в алюминиевых сплавах после РКУП требуют специального
исследования.
Усталостная прочность. На рис. 4 представлены кривые усталости алюминиевого
сплава Al –6,0Mg – 0,3Sc – 0,08 Zr в исходном состоянии и после РКУП. Видно, что
значение предела выносливости не изменилось после РКУП и составляет для обеих серий
150МПа. Однако, за счет повышения статических прочностных характеристик
механических
Рис. 4. Кривые усталости алюминиевого сплава Al –6,0Mg – 0,3Sc – 0,08 Zr в различном
структурном состоянии
свойств в результате проведения РКУП долговечность до разрушения в малоцикловой
области (до 5.10
4
циклов нагружения) у образцов, прошедших РКУП, больше. В
принципе, является положительным фактом и то, что предел выносливости образцов
после РКУП не снизился по сравнению с исходным состоянием, хотя пластичность
материала после РКУП уменьшилась.
Секция 6. Формирование струк
Рис. 5.
1 – сплав Al – 6Mg – 0,3
Sc
Т3 (система Al – Cu –
На рис. 5 представлена
– 6Mg – 0,3Sc – 0,08Zr
(РКУП
усталости близкого по химическому
прохода, Washikita
и др. [5, 9]) (
Т3 (система Al – Cu –
Mg
после РКУП имеет более
сплавом системы Al –
Cu
напряжениях у исследованного
данными работы [9] (сравни
использованием более
мягкой
некоторыми различиями химического
также сравнить усталостную
циклической прочностью
состоянии (размер зерна ~ 100
скандием и цирконием сплав
прочности по сравнению
состоянии.
Секция 6. Формирование струк
туры и свойств металлопродукции.
591
Рис. 5. Кривые усталости алюминиевых сплав
ов
Sc
– 0,08Zr 9 (РКУП - 6 проходов); 2 –
коммерческий
Mg) (Washikita и др. [9]); 3 – сплав Al – 6
Mg
(РКУП - 4 прохода) (Washikita и др.[9]).
представлена кривая усталости исследованного алюминиевого
(РКУП
-
6 проходов) (кривая 1) и для сравнения
по химическому составу сплава
Al – 6Mg –
0,2
др. [5, 9]) (кривая 3) и коммерческого высокопрочного
Mg
) [5]) (кривая 2). Видно, что сплав системы
более высокий предел выносливости по сравнению
Cu
– Mg
. Более высокая ограниченная долговечность
исследованного нами сплава системы
Al – Mg –
Sc
[9] (сравни кривые 1 и 3 на рис. 5), по
мягкой схемой нагружения (повторное растяжение
различиями химического состава сплава и технологии
усталостную прочность исследуемого сплава
Al –
прочностью высокочисто
го сплава Al – 0,5%Mg
в
зерна ~ 100 мкм) и после РКУП (рис. 6) [20]. Видно
цирконием сплав обладает более высокими характеристиками
сравнению со сплавом
AlMg05 посл
е РКУП и в
туры и свойств металлопродукции.
ов:
коммерческий сплав 2224
Mg
– 0,2Sc – 0,15Zr 9
исследованного алюминиевого сплава
Al
сравнения приведены кривые
0,2
Sc – 0,15Zr 9 (РКУП - 4
высокопрочного сплава 2224
системы
Al – Mg – Sc – Zr
сравнению с коммерческим
долговечность при высоких
Sc
– Zr по сравнению с
по видимому, связана с
повторное растяжение), а также с
технологии РКУП. Интересно
6Mg – 0,3Sc – 0,08Zr с
в рекристаллизованном
Видно, что легированный
характеристиками циклической
и в рекристаллизованном
Секция 6. Формирование струк
Рис. 6. Кривые усталости
сплава Al – 0,5%
Mg
Фрактографические
обоих состояниях наблюдается
ямок (димплов) составляет
(рис. 7, б
). На дне многих ямок
а
Рис. 7. Фрактография разрушения
- 0,08 Zr (сплав 1570):
а
На рис. 8 и 9 представлена
образцов из сплава
AL
напряжениях цикла 200 и
обоих случаях можно довольно
усталостной трещины (рис
(рис. 8,б
) и в период ее
наблюдается вязкая “чешуйчатая
Секция 6. Формирование струк
туры и свойств металлопродукции.
592
усталости сплава
Al – 6Mg – 0,3Sc – 0,08Zr
после РКУП
Mg
после РКУП и в состоянии после рекристаллизации
Фрактографические исследования.
При статическом деформировании
наблюдается вязкое ямочное разрушение (рис. 7,
составляет ~ 10 мкм. Таким образом, одна ямка объединяет
многих ямок наблюдаются н
еметаллические включения
б
Фрактография разрушения при статическом растяжении сплава
а
– вязкое ямочное разрушение; б – схем
а формирования
ямочного разрушения.
представлена фрактография усталостного разрушения
AL
–6,0Mg – 0,3Sc - 0,08 Zr
, испытанных
200 и 300МПа соответственно. Видно, что на
общей
можно довольно четко выделить область стабильного
(рис. 8, а и рис. 9 ,а). На стадии зарождения
период ее стабильного распространения (рис. 8,
чешуйчатая” поверхность разрушения с небольшим
туры и свойств металлопродукции.
после РКУП и высокочистого
рекристаллизации [20]
деформировании образцов в
рис. 7,
а). Средний размер
ямка объединяет группу зерен
включения.
растяжении сплава
AL –6,0Mg – 0,3Sc
а формирования вязкого
усталостного разрушения исходных
испытанных при максимальных
общей картине излома в
стабильного распространения
зарождения усталостной трещины
рис. 8,
г, д и рис. 9, б - г)
с небольшим количеством
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
593
отдельных вязких ямок. На поверхности чешуек при напряжении 200МПа наблюдаются
усталостные бороздки (рис. 8, в), а при напряжении 300МПа вдоль бороздок наблюдается
вторичное растрескивание. На стадии ускоренного распространения усталостной трещины
ближе к зоне статического долома на поверхности разрушения на фоне усталостных
бороздок наблюдается большое количество вязких ямок разрушения (рис. 8, е и рис. 9, е).
Интересно, что в данном случае мы наблюдаем, так называемые усталостные ямки
(fatigue voids) [21] со следами циклической бороздчатости (рис. 8, ж и рис. 9, ж).
Механизм образования такого рода ямок при циклическом деформировании описан в
работе Сандера с сотр. [21].
а б
В г
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
594
д е
ж з
Рис. 8. Фрактография усталостного разрушения исходного образца
(
σ
max
= 200МПа, N = 2,46.10
5
циклов; стрелкой указано направление распространения
усталостной трещины)
А б
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
595
в г
д е
ж з
Рис. 9. Фрактография усталостного разрушения исходного образца
(σ
max
= 300МПа, N = 2,3.10
4
циклов; стрелкой указано направление распространения
усталостной трещины)
На рис. 10 и 11 представлена фрактография усталостного разрушения образцов
сплава AL –6,0Mg – 0,3Sc - 0,08 Zr после РКУП при максимальных напряжениях цикла
нагружения 200МПа и 300МПа соответственно. При максимальном напряжении 200МПа.
На начальных стадиях усталостного разрушения наблюдается вязкий характер
разрушения с крупными ямками (рис. 10, а, б, в). Однако на поверхности разрушения
наблюдается вторичное растрескивание (рис.10,б). Внутри крупных ямок наблюдается
бороздчатый характер разрушения (рис.10, в). Расстояние между бороздками составляет ~
1
мкм. На стадии ускоренного развития трещины ямки становятся менее глубокими и
расстояние между бороздками уже составляет ~2 мкм (рис. 10, г). Статический долом
связан с вязким ямочным разрушением.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
596
а б
в г
Рис. 10. Фрактография усталостного разрушения сплава Al –6,0Mg – 0,3Sc - 0,08 Zr после
РКУП: а – макроснимок поверхности разрушения (стрелкой указано направление
распространения усталостной трещины); б – зона стабильного распространения трещины;
в – зона ускоренного распространения трещины; г – зона статического долома (σ =200
МПа, N = 1,5. 10
5
).
На рис. 11, а (σ = 300 МПа, N = 3. 10
4
) хорошо видна область зарождения
усталостной трещины от угла образца и направление ее распространения (указано
стрелкой). При большем увеличении зоны распространения трещины виден вязкий
бороздчатый рельеф с гребнями вытянутыми вдоль направления роста трещины (указано
стрелкой (рис. 11, б). Расстояние между бороздками составляет ~2 мкм, что значительно
больше, чем размер зерна. Рис. 11, в характеризует область ускоренного развития
усталостной трещины при переходе к статического долому, а на рис. 8, г представлен
рельеф статического долома, который сильно отличается от характера статического
долома образца в исходном состоянии. Если у исходного образца, также испытанного на
усталости при σ = 300 МПа, наблюдается классическое вязкое ямочное разрушение (рис.
9, з), то в случае образца, подвергнутого РКУП, наблюдается более плоский рельеф
разрушения с набором крупных ямок размером 10 – 15 мкм и областей поверхности
разрушения с мелкими ямками размером ~ 2 мкм (рис. 10, г). В крупных ямках
наблюдаются области с повышенным содержанием включений.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
597
а б
в г
Рис. 11. Фрактография усталостного разрушения сплава Al –6,0Mg – 0,3Sc - 0,08 Zr после
РКУП: а – макроснимок поверхности разрушения (стрелкой указано направление
распространения усталостной трещины); б – зона стабильного распространения трещины;
в – зона ускоренного распространения трещины; г – зона статического долома (σ = 300
МПа, N
р
= 3.10
4
циклов)
Выводы
1.
Полученные экспериментальные данные по исследованию статической и
усталостной прочности образцов из алюминиевого сплава 01570 системы AL –Mg – Sc с
добавками циркония показали, что интенсивная пластическая деформация путем
равноканального углового прессования (РКУП) может существенно повысить статические
прочностные характеристики (предел текучести с 187 до 320МПа, предел прочности с 367
до 438МПа) при некотором снижении относительного удлинения (с 22,5 до 13,4%).
2. На кривых статического растяжения исходных отожженных образцов и образцов
после РКУП было обнаружена скачкообразная деформация (эффект Портевена – Ле
Шателье), однако ее проявление существенно отличалось в обоих случаях. Если у
исходных образцов на площадке текучести после деформации Людерса - Чернова
скачкообразная деформация сохранялась на всем протяжении кривой статического
растяжения, то после РКУП у образцов отсутствовала площадка текучести и
скачкообразная деформация наблюдалась после некоторой критической пластической
деформации на стадии деформационного упрочнения. Характерно также, что размах
скачков скачкообразной деформации в два раза больше, чем в материале после РКУП, что
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
598
свидетельствует о меньшей стабильности материала в субмикрокристаллическом
состоянии
3. РКУП привело к существенному повышению долговечности в области
малоцикловой усталости (до 4.10
4
циклов нагружения) и сохранению исходного предела
выносливости (150МПа), несмотря на снижение пластичности материала.
4. Фрактографические исследования показали, что особенностью распространения
усталостной трещины в образцах после РКУП является более вязкий бороздчатый
характер распространения трещины на стадии ее стабильного распространения, что, по-
видимому, связано с метастабильным структурным состоянием материала после
интенсивной пластической деформации.
Литература
1.
Добаткин С.В., Захаров В.В., Эстрин Ю. и др. Повышение прочности и пластичности Al
– Mg – Mn – c
плавов, легированных цирконием и скандием, при равноканальном угловом
прессовании // Технология легких сплавов, 2009, № 3, с. 46 – 59.
2. Добаткин С.В., Захаров В.В., В.Н. Перевезенцев В.Н. и др. Особенности механических
свойств субмикрокристаллических Al-Mg (АМГ-6) и Al-Mg-Sc (01570) сплавов.
Технология легких сплавов. №1, 2010, с.74 - 84.
3. Dobatkin S., Estrin Y., Zakharov V. et. al. Improvement in the strength and ductility of Al –
Mg – Mn alloys with Zr and Sc additions by equal channel angular pressing // Int. Mat. Res.
(formerly Z. Metallkd., 2009, vol. 100,
№ 12, p. 1697 – 1704.
4. Афтогратова Е.В., Кайбышев Р.О., Ситдиков О.Ш. Усталость мелкозернистого
высокопрочного Al – 6Mg – Sc сплава, полученного равноканальным угловым
прессованием // Физика металлов и металловедение, 2008, том 105, № 5, с. 532 – 540.
5. Vinogradov A., Washikita A., Kitagawa K., Kopylov V.I. Fatigue life of fine – grain Al – Mg
– Sc alloys produced by equal – channel angular pressing // Material Science and Engineering
A349, 2003, p. 318 – 326.
6. Patlan V., Vinogradov A., Higashi K., Kitagawa K. Overview of fatigue properties of fine
grain 5056 Al – Mg alloy processed by equal – channel angular pressing // Materials Science
and Engineering A 300, 2001. – P. 171 – 182.
7. Vinogradov A., Hashimoto S. Multiscale Phenomena in Fatigue of Ultra – Fine Grain
Materials – an Overview // Materials Transactions. – 2001. – Vol. 42. -
№ 1. – P. 74 – 84.
8. Кикин П.Ю., Мишакин В.В., Перевезенцев В.Н. и др. Исследование корреляции
структурных параметров и механических свойств с акустическими характеристиками
ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1421 // Вопросы материаловедения, 2008, №
3 (55), с. 19 – 24.
9. Washikita A., Kitagawa K., Kopylov V.I. et. al. Tensile and fatigue properties AL –Mg – Sc –
Zr alloy fine-grained by equal – channel angular pressing / Ultrafine Grained Materials II; Edited
by Y.T. Zhu et. al.. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2002, p. 341 – 350.
10. Höppel H.W., May J., Göken M. Cyclic deformation behaviour and fatigue life of ultrafine –
grained Aluminium – Magnesium alloys // Material Science Materials Science Forum Vols. 584
– 586, 2008, p. 640 – 845.
11. Vinogradov A., Hashimoto S. Multiscale Phenomena in Fatigue of Ultra – Fine Grain
Materials – an Overview // Materials Transactions. – 2001. – Vol. 42. - № 1. – P. 74 – 84.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
599
12. Pao P.S., Jones H.N., Cheng S.F. et. al. Fatigue crack propagation in ultrafine grained Al –
Mg alloy // International Journal of Fatigue, vol. 27, Issues 10 – 12, October – December 2005,
p. 1164 – 1169.
13. Pao P.S., Jones H.N., Cheng S.F. et. al. Fatigue crack growth in ultrafine grained Al – 7,5Mg
// Proc. of a Symposium ″Ultrafine Grained Materials III″. – Edited by Y.T. Zhu et. al. TSM
(The Materials , Metals & Materials Society), 2004, p. 529 – 534.
14. Zhang J.Z., Zhang J.Z., Meng Z.X. Direct high resolution in situ SEM observations of very
small fatigue crack growth in the ultra – fine grain aluminium alloy IN 9052 // Scripta materialia,
2004, 50, p. 825 – 828.
15. Estrin Y., Vinogradov A. Fatigue behaviour of light alloys with ultrafine grain structure
produced by severe plastic deformation: An overview // International Journal of Fatigue, 2010,
vol. 32, p. 898 – 907.
16. Avtokratova E., Sitdikov O., Kaibyshev R. et. al. Fatigue – Crack – Growth Behavior of
Ultrafine – Grained Al – Mg – Sc alloy Produced by ECAP // Materials Sciece Forum Vols. 584
– 586 (2008), p.821 – 826.
17.
Афтогратова Е.В., Ситдиков О.Ш., Кайбышев Р.О. и др. Поведение
субмикрокристаллического алюминиевого сплава 1570 в условиях циклического
нагружения // Физика металлов и металловедение, 2009, том 107, № 3, с. 309 – 315.
18. Sun L., Zhang Q., Jiang H. Influence of solute concentration on PLC effect in Al – Cu alloys
// Acta Metallurgica Sinica, 2006, vol. 42, № 12, p. 1248 – 1252.
19. Шибков А.А., Мазилкин А.А,, Протасова С.Г и др. Влияние состояния примесей на
скачкообразную деформацию сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов,
2008, с. 24 – 32.
20. Höppel H.W., May J., Göken M. Cyclic deformation behaviour and fatigue life of ultrafine –
grained metals / Plasticity, Failure and Fatigue in Structural materials – from Macro to Nano:
Proceedings of the Hael Mughrabi Honorary Symposium. Edited by K. Jimmy Hsia et. al. TSM
(The Materials , Metals & Materials Society), 2008, p. 149 – 154.
21. Sunder R., Porter W.J., Ashbaugh N.E. Fatigue voids and their significance // Fatigue Fract.
Engng. Mater. Struct., 2002, vol. 25,
№ 11, p. 1015 – 1024.