Исследование механических свойств дисперсно-упрочненных композиционных сплавов

УДК 620.1

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ

А.В. Васильева1

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1

Исследовано влияние вибрационных нагрузок на механические свойства дисперсно-упрочненные композиционных сплавов (САС). Исследованию подвергались образцы, вырезанные из цилиндрических заготовок диаметром 120 мм из сплавов САС-50 и САС-400. Выявлено существенное изменение механических свойств по сечению заготовки диаметром 120 мм из сплава САС-400. Рекомендовано при динамических или усталостных нагрузках предпочтение для использования в конструкциях отдавать сплавам САС-400

Ключевые слова: образцы; микроструктура; ударная вязкость; растяжение; вибрация; усталость

Дисперсно-упрочненные композиционные сплавы (САС) изготовляют, в основном, по той же технологии, что и САП из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов. Они имеют низкий коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного расширения стали, и высокий модуль упругости. Сплавы САС содержат 25-30% Б1, 5-7% N1 и остальное алюминий. Коэффициент линейного расширения а=14,5 • 10- 1/°С, близкий к стали а = (11^12)-10-6 1/°С, и значительно меньший, чем у чистого алюминия (а = 27-10-6 1/°С). САС отличается высокой прочностью и твёрдостью (ов ~ 260 МПа и НВ 1200) и низкой пластичностью.

Преимуществом САС является их мелкозернистая структура с

равномерным распределением фаз и отсутствием литейных дефектов (ликвация, шлаковых включений и т. д.). Сплавы САС заменяют более тяжелые стальные детали при изготовлении корпусов приборов.

Физико-механические свойства композиционных сплавов типа САС-1 хорошо изучены. Однако, влияние их дисперсности на свойства при вибраци-

онных нагрузках требуют дополнительных специальных исследований. Особо важное значение это имеет для деталей приборов, испытывающих при эксплуатации вибрационные нагрузки, которые резко снижают их надежность.

Исследованию подвергались образцы, вырезанные из цилиндрических заготовок диаметром 120 мм из сплавов САС-50 и САС-400. Изучались микроструктура, плотность и механические свойства при статическом растяжении по сечению заготовки, свободные и вынужденные колебания в зависимости от амплитуды и частоты вибрацию.

Микроструктура изучалась на образцах из головок разрывных образцов. Выявление структуры осуществлялось травлением в реактиве Келлера. Фотографирование микроструктуры - на микроскопе "Рейхерт" при увеличении х300.

Плотность определялась методом гидростатического взвешивания образцов, вырезанных из поверхности заготовки, на середине радиуса и в центре заготовки.

Механические свойства при статическом растяжении - временное сопротивление (ов), условный предел текучести (о0,2), относительное удлинение (5) опре-

делялись на образцах (рис.1а) диаметром 6 мм с пятикратной расчетной длиной на машине ИМ-4Р. Схема вырезки образцов для испытаний из заготовки диаметром 120 мм приведена на рис. 2. Ударная вязкость определялась на маятниковом копре на специальных образцах сечением 10х10 мм длиной 55 мм с надрезом и без надреза (рис.1б).

Исследование свойств при вибрации, а именно свободных и вынужденных колебаний стержней размером 6х50х300 мм (рис.3 и 4) осуществлялось на специальном трёх-компонентном вибрационном стенде в диапазоне частот от 20 до 200 герц (рис.5).

Изучались свободные, а затем вынужденные колебания вблизи первого резонанса, вынуждаемые гармоническими вертикальными колебаниями опоры консоли.

соли и закон изменения изгибных деформаций вдоль длины балки.

Рисунок 1 - Образцы для определения механических свойств при растяжении

В результате анализа записей свободных колебаний находился их период, логарифмический декремент и коэффициенты трения по Фохту и по Соркину. При этом свободные колебания принимаются происходящими по первому тону. В случае вынужденных колебаний определялись частота, амплитуда конца кон-

Рисунок 2 - Схема вырезки образцов для испытаний на растяжение

Изучение микроструктуры образцов сплавов САС-50 и САС-400 свидетельствуют о том, что она имеет строение, характерное для алюминиевокремниевых сплавов подобного типа.

Рисунок 3 - Образцы для испытаний на усталость (а) и при вибрации (б).

Основными структурными составляющими являются первичные зёрна кремния ^) и мелкозернистая эвтектика (Э). Эвтектика представляет собой алюминиевый твёрдый раствор (светлое поле, на фоне которого располагаются дисперсные зёрна кремния). Кроме основных структурных составляющих в сплаве имеется интерметаллическая фаза А13№.

Первичные зёрна кремния были идентифицированы микрорентгеноспек-

тральным методом. Микротвёрдость эвтектики, макротвёрдость темплетов (твёрдость по Винкерсу) и размер зёрен кремния приведены в табл.1.

50

№1

№7

- \ №4 I 1

№5 1

~рт

50 №7 0

50

Рисунок 4 - Схема вырезки образцов для испытаний при вибрации из заготовки диаметром 120 мм

Вибростенда

Рисунок 5 - Схема установки образцов для виброиспытаний с указанием мест крепления датчиков (1,2,3) для записи амплитуд колебаний

Приведённые данные свидетельствуют о существовании определённого разброса в значениях микротвёрдости эвтектики (порядка 10 кГс/мм ) в пределах каждого образца, хотя средние значения микротвёрдости образцов довольно близки между собой.

Таблица 1 - Результаты исследования механических свойств

№ Микротвер- Твердость Размер зер-

№ дость эвтек- образцов по на кремния,

об- тики, Винкерсу -км

раз- кГс/мм2 кГс/мм2

ца Диа- Сред Диа- Сред Диа- Мак

па- нее па- нее па- сим.

зон зна- че- ние зон зна- че- ние зон зер- но

1 54- 57 92- 94 20х 30х

61 96 15 25

2 58- 59 86- 87 20х 35х

63 88 15 25

3 53- 58 93- 99 25х 35х

64 104 20 30

5 47- 51 95- 96 25х 40х

55 97 20 35

6 46- 51 91- 92 20х 40х

57 93 15 30

Средние размеры зёрен в образцах отличаются незначительно. Тем не менее размеры зёрен кремния в образцах колеблются в значительных пределах от 2-3 мкм до 30-40 мкм. Неодинакова и плотность распределения зёрен кремния в пределах одного образца. Это свидетельствует об определённой неоднородности структуры сплавов САС-50 и САС-400.

Вместе с тем выявлено, что чем выше дисперсность порошков, из которых изготовлены сплавы САС, тем меньше размеры частиц кремния, более однородны они по размерам и более равномерно их распределение в структуре. Изучение места излома образцов после разрушения указывает на то, что в сплавах САС-50 излом имеет хрупкий характер, с более гладкой поверхностью излома.

Сравнительные свойства сплавов типа САС-1 из порошков различной дисперсности, определённые на образцах, вырезанных из прутков диаметром 20 мм, приведены в табл.2.

Таблица 2 - Сравнительные свойства сплавов из порошков различной дисперсности

№№ п.п. Физико -механические свойства САС-50 САС- 400

1 Временное сопротивление разрыву ов, кГс/мм2 19-25 18-20

2 Относительное удлинение- 5,% 1,0 2,0-3,5

3 Удельный вес, г/см3 2,70 2,73- 2,78

4 Удельное электросопротивление 106 Ом см 7,75*106 7,9*106

5 Удельная теплоемкость, кДж/кг 0С 0,798 0,868

6 Коэффициент теплопроводности, Вт 127 135

7 Коэффициент линейного расширения 10-6 град-1 18,6 19,5

Расстояние от иеытиа заготовки, мм

Рисунок 6 - Влияние расстояния места вырезки образцов от центра заготовки диаметром 120 мм из сплава САС 400 на временные сопротивления

Установлено, что механические свойства по сечению заготовки в виде прутка диаметром 120 мм неодинаковы (рис.6 и 7). При увеличении расстояния от центра к периферии прутка временное сопротивление при разрыве повышается на 5-7%, а относительное удлинение на 20-50%. По-видимому, это связано с по-

вышением плотности поверхностных слоёв заготовки при её изготовленииРе-зультаты определения ударной вязкости сплавов на образцах с разрезом и без надреза приведены в табл.3.

Каждый результат табл.3 соответствует усреднённым данным испытаний 4 - 5 образцов.

Анализ и обобщение полученных данных свидетельствует о том, что ударная вязкость на образцах с надрезом примерно в 3,5 - 4 раза меньше, чем на образцах без надреза.

На ударную вязкость явное влияние оказывают границы раздела эвтектики различных по величине зёрен кремния. Надрез образца - искусственный концентратор напряжений, вызывает существенное снижение ударной вязкости сплавов типа САС-1.

3:5

0 10 20 30 40 50 б

Расстояние от иентоа заготовки, мм

Рисунок 7 - Влияние расстояния места вырезки образцов от центра заготовки диаметром 120 мм из сплава САС 400 на относительное удлинение

Таблица 3 - Ударная вязкость сплавов на образцах с надрезом и без надреза

№№ образ- ца САС-50 САС-400

ан, ак, ан,кГм/см ак,

кГм/см 2 кГм/см 2 2 кГм/см 2

1 0,13 0,54 0,13 0,69

2 0,13 0,40 0,25 0,76

3 0,13 0,54 - -

4 0,13 0,40 0,16 0,80

11 0,13 0,54 0,16 0,80

12 0,13 0,40 - -

13 0,13 0,40 0,18 0,74

14 0,13 0,40 - 0,70

15 0,13 0,40 - -

Среднее значе- 0,45 0,17 0,75

ние

0,13

Ударная вязкость сплава САС-50 на образцах с надрезом на 25% меньше, чем сплава САС-400, и на 40% меньше, чем на образцах без надреза.

Полученные данные указывают на то, что сплавы САС-50 обладают значительно худшей сопротивляемостью динамическим нагрузкам, чем сплавы САС-400, что необходимо учитывать при конструировании деталей из этих сплавов.

Испытанию на усталость по чистому изгибу подвергались образцы (рис.3а). Результаты, приведённые на рис.8, свидетельствуют о том, что зернистость сплава и в этом случае оказывает существенное влияние на его свойства. Число циклов до разрушения при одной и той же амплитуде колебаний образцы из сплава САС-400 выдерживают в 2 - 4 раза больше, чем из сплава САС-50. Причём при больших амплитудах колебаний эта разница увеличивается.

Изучение излома образцов после разрушения указывает на то, что образцы из сплава САС-50 имели ровный хрупкий излом без образования видимой усталостной трещины. Разрушение образцов из сплава САС-400 начиналось с образования хорошо видимой усталостной трещины глубина которой достигла 25% от толщины образца. После этого наступало разрушение образца.

Исходя из амплитуды колебаний и числа циклов до разрушения по известным из сопротивления материалов формулам легко рассчитываются максимальные напряжения, возникающие в образце при чистом изгибе.

О 100 200 300 400 500

Количество циклов до разрушения, N циклов

Рисунок 8 - Зависимость количества циклов до разрушения от амплитуд колебаний для сплавов САС-400 (а) и САС-50 (б).

Вибрационные испытания образцов (рис.3б) проводились на трёхкомпонентном вибростенде по схеме (рис. 5) с целью экспериментального определения логарифмического декремента свободных колебаний и изменения деформаций при изгибе вдоль образца. Результаты исследований сравнивались с данными аналогичных образцов из низкоуглеродистой стали (табл.4).

Из приведённых данных видно, что логарифмический декремент затухания колебаний для сплава САС-400 в два раза выше, чем для стали. Причём для сплава САС-50 логарифмический декремент меньше, чем для сплава САС-400. То же самое относится к коэффициентам вязкого трения и внутреннего неупругого сопротивления.

Полученные данные свидетельствуют о том, что сплавы типа САС-1 обладают повышенной демпфирующей способностью, что позволяет широко их применять в приборах.

Таблица 4 - Результаты вибрационных испытаний

Материал Лога- коэф- коэффи- Период

риф- фици- циент свобод-

миче- ент внутрен- ных

ский вязко- него не- колеба-

декре- го тре- упругого ний,сек-

мент ния, к сопро-

зату- тивле-

хания ния у

коле-

баний

Сталь 20 0,0500 2,22 0,0159 0,0226

САС-400 0,1098 4,01 0,0349 0,0275

САС-50 0,0957 3,82 0,0305 0,0251

7

, 6 О

uj*

« 5

я

я

со

2

а- Л о 4 в*

н

S 'У U і О — ь

о

1

О 40 80 120 160 200 240 280

Диапазон частот, герц

Рисунок 9 - Кривые экспериментального измерения деформации вдоль консоли

Кривые экспериментального закона изменения изгибных деформаций вдоль консоли, приведённые на рис. 9, показывают, что распределение деформаций и напряжений по длине консоли

для сплавов типа САС-1 существенно отличается от данных для стали. Как и следовало ожидать, образцы из сплава САС-400 имеют значительно меньшие деформации и напряжения по длине образца, чем из сплава САС-50.

Образцы из сплава САС-50, находясь в резонансе, выдержали до разрушения ~4000 циклов, в то время как образцы из сплава САС-400 выдержали ~25000 циклов без видимых изменений поверхностного слоя образца. Излом образцов из сплава САС-50 происходил без образования видимой усталостной трещины.

В заключение следует отметить, что проведённые исследования и их анализ свидетельствуют о существенном различии физико-механических свойств сплавов САС-400 и САС-50.

Несмотря на незначительное превышение временного сопротивления при разрыве сплава САС-50 по сравнению со сплавом САС-400, его пластичность и вязкость очень низки, а усталостная прочность в 2-4 раза ниже, чем для сплава САС-400. Сплав САС-400 обладает и более высокой демпфирующей способностью. В целом демпфирующая способность сплавов типа САС-1 в два раза выше, чем для стали.

Выявлено существенное изменение механических свойств по сечению заготовки диаметром 120 мм из сплава САС-400. Поэтому при динамических или усталостных нагрузках, предпочтение для использования в конструкциях следует отдавать сплавам САС-400, которые позволяют повысить надёжность работы приборов и других устройств в сложных условиях эксплуатации.

1 Васильева Анна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Адрес: Санкт-Петербург, Дунайский пр. д.34/16 кв.4; тел. (812)366 -02-07; email: vasilevaav@list. ru