Влияние зеренной структуры на усталостные свойства алюминиевого сплава 1570С

УДК 669.716:621.771

ВЛИЯНИЕ ЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРЫ НА УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1570С

© В.А. Кулицкий, С.С. Малофеев

Ключевые слова: алюминиевый сплав; равноканальное угловое прессование; многоцикловая усталость. Исследованы микроструктура, статические и циклические механические свойства сплава 1570С в экструдированном и прокатанном состояниях. Проведенные испытания показали, что холоднокатанный ультромелкозер-нистый сплав демонстрирует более низкую циклическую прочность (190 МПа) в сравнении со сплавом в исходном крупнозернистом состоянии (205 МПа). Однако изотермическая прокатка сплава в ультрамелкозернистом состоянии повышает циклическую прочность до 215 МПа.

Алюминиевые сплавы системы Al-Mg-Sc-Zr хорошо зарекомендовали себя благодаря высокой прочности и коррозионной стойкости. Изучаемый в данной работе сплав 1570С за счет модификации состава сочетает в себе высокую прочность и хорошую коррозионную стойкость. Увеличение прочностных и усталостных свойств с целью облегчения конструкций является актуальной задачей. Известно, что уменьшение размеров зерна оказывает существенное влияние на механические свойства сплавов. Наиболее распространенным методом интенсивной пластической деформации (ИПД) для формирования однородной ультрамелкозер-нистой структуры является равноканальное угловое прессование (РКУП). РКУП с последующей прокаткой позволяет получать полуфабрикаты с ультрамелкозер-нистой структурой. Однако сведений о влиянии ИПД методом РКУП с последующей прокаткой на микроструктуру и механических свойств сплава 1570С недостаточно [1, 2].

Поэтому целью данной работы является определить влияние холодной и изотермической прокатки при температуре 300 °С на микроструктуру и механические свойства сплава 1570С (А1 - 6,4 %, Mg - 0,4 % Мп -

0,2 % Sc - 0,08 % Zr) в ультрамелкозернистом состоянии.

Сплав 1570С подвергли гомогенизационному отжигу при 360 °С в течение 8 ч и горячей экструзии при 380 °С с обжатием ~50 %. Это состояние было принято в качестве исходного. Микроструктура сплава в исходном состоянии представлена крупными вытянутыми вдоль оси экструзии зернами размером 93 и 30 мкм вдоль и поперек направления деформации, соответственно (рис 1а и 1б). Механические свойства приведены в табл. 1 . Матрица алюминия содержит вторичные фазы А16Мп и А1^с (рис. 1в).

Плиту сплава 1570С размерами 180x180x40 мм подвергли РКУП при температуре 300 °С до истинной степени деформации ~12 по маршруту Вс2.

В результате в сплаве была сформирована ультра-мелкозернистая структура со средним размером зерна ~1 мкм.

Рис. 1. Микроструктура сплава 1570С в исходном состоянии: а) оптическая металлография; б) ДОРЭ; в) ПЭМ. На ДОРЭ-карте малоугловые и высокоугловые границы показаны белыми и черными линиями, соответственно

1591

Таблица 1

Параметры микроструктуры и механические свойства сплава 1570С

Состояние d*, ^0^ °в, s, °0,Ь

мкм МПа МПа % МПа

Исходное 93/30 275 390 22,5 205

РКУП+ХП 1/0,3 555 575 3,5 190

РКУП+ИП 1,3/1 370 430 10,5 215

Примечание: * - вдоль/поперек направления деформации.

В дальнейшем заготовка была подвергнута прокатке при комнатной температуре до степени деформации ~80 %. Исследования методом ДОРЭ образца после холодной прокатки показали, что зерна имеют вытянутую форму (рис. 2а), средний размер зерен в продольном направлении составил ~1 мкм, а в поперечном около 0,3 мкм. Коэффициент формы зерна ~3,3 (табл. 1). Предел прочности сплава в результате деформации значительно возрастает до значения 575 МПа.

Рис. 2. Карты ориентировок сплава 1570С после а) холодной и б) изотермической прокатки со степенью обжатия 80 %. Малоугловые и высокоугловые границы показаны белыми и черными линиями, соответственно

После изотермической прокатки микроструктура сплава представлена практически равноосными зернами (рис. 2б) со средним размером —1,3 и —0,9 мкм в продольном и поперечном направлениях, соответственно (табл. 1). Статическая прочность сплава возрастает и составляет 430 МПа.

На рис. 3 показана кривая усталости исследуемого сплава в исходном и деформированном состояниях. Испытание на многоцикловую усталость проводилась в условиях окружающей среды способом одноосного растяжения с коэффициентом асимметрии 0,1, предел циклической усталости определяли на базе 107 циклов. Образцы для испытаний подготовлены в соответствии с ГОСТ 25.502-79. Сопоставление результатов исследования позволяет увидеть, что холоднокатаный ультра-мелкозернистый сплав обладает меньшим пределом

усталостной прочности (190 МПа) по сравнению со сплавом в исходном крупнозернистом состоянии (205 МПа). Однако комплексная обработка РКУП + ИП позволяет увеличить предел циклической прочности до 215 МПа.

1е+4 1е+5 1е+6 1е+7

Количество циклов, IgN

Рис. 3. Кривые усталости сплава 1570С в исходном и деформированном состояния.

Выводы

1. Равноканальное угловое прессование сплава 1570С и последующая прокатка позволяет получать листы с ультрамелкозернистой структурой со средним размером зерна около 1 мкм.

2. Холодная прокатка ультрамелкозернистого сплава 1570С приводит к значительному возрастанию прочностных свойств по сравнению с исходным состоянием. Предел текучести возрастает с 275 до 555 МПа, предел прочности - с 390 до 575 МПа, но пластичность падает с 22,5 до 3,5 %. Наблюдается небольшое снижение усталостной прочности с 205 до 190 МПа.

3. Изотермическая прокатка при 300 °С ультрамелкозернистого сплава приводит к одновременному возрастанию прочностных и усталостных свойств сплава по сравнению с крупнозернистым состоянием. Предел усталостной прочности возрастает до 215 МПа. Предел текучести и предел прочности составили 370 и 430 МПа, соответственно. Пластичность достигла 10,5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kaibyshev R., Mogucheva A., Dubyna A. Strategy for Achieving high

Strength in Al-Mg-Sc alloys by Intense Plastic Straining // Materials

Scince Forum. 2012. V. 706-709. Р. 55.

2. Avtokratova E., Sitdikov O., Mogucheva A., Kaibyshev R. Achieving

high strength in an Al-Mg-Sc alloy produced by equal channel angular

pressing followed by cold rolling // Materials Scince Forum. 2012.

V. 710. Р. 223-228.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена на оборудовании ЦКП НИУ «БелГУ» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, государственный контракт № 14.132.21.1581.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kulitskiy V.A., Malofeyev S.S. INFLUENCE OF GRAIN STRUCTURE ON FATIGUE PROPERTIES OF ALUMINUM ALLOY 1570C

The microstructure, static and cyclic mechanical properties of aluminum alloy 1570C in the extruded and rolled conditions are studied. The cold-rolled ultrafine grained alloy exhibits a low cyclic strength (190 MPa) compared with the alloy in coarsegrained condition (205 MPa). It should be noted that isothermal rolling of ultrafine grained alloy led to increment of fatigue strength to 215 MPa.

Key words: aluminum alloy; equal channel angular pressing; high-cycle fatigue.

1592