Прочность и трещиностойкость криопрокатанного и состаренного алюминиевого сплава Д16

УДК 539.4;539.89;539.214

ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КРИОПРОКАТАННОГО И СОСТАРЕННОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д16

© С.В. Крымский, Е.В. Автократова, О.Ш. Ситдиков, М.В. Маркушев

Ключевые слова: алюминиевый сплав; криопрокатка; микроструктура; прочность; трещиностойкость. Исследовали эффект совмещения структурного упрочнения и дисперсионного твердения от изотермической прокатки при температуре жидкого азота и упрочняющей термообработки, на уровень и анизотропию параметров статической прочности и трещиностойкости алюминиевого сплава Д16 при комнатной температуре. Установлены режимы старения предварительно закаленного и криопрокатанного сплава, позволяющие придать ему уникальный баланс свойств одновременно повысив параметры прочности, пластичности и трещиностойкости.

Разработка новых методов упрочнения металлов и сплавов за счет «пластического наноструктурирования» вызвала в последние годы заметный интерес к деформированию при криогенных температурах. Основанием послужили довольно значимые эффекты упрочнения обрабатываемых материалов. Однако до сих пор не определен предел их упрочнения, который может, а также должен быть достигнут для обеспечения наибольшей надежности работы конструкций. Этот вопрос актуален для сплавов на различных основах, в т. ч. и для сложнолегированных дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов типа дуралюмин, широко используемых промышленностью, в т. ч. аэрокосмической.

Цель работы - оценить эффект обработки, совмещающей криогенную деформацию и упрочняющую термообработку, на структуру и статическую прочность и трещиностойкость алюминиевого сплава Д16.

В работе использовали промышленный горячепрессованный пруток 0 60 мм сплава Д16 стандартного химического состава (Al-4,4Cu-1,4Mg-0,7Mn, % вес.) с грубоволокнистой структурой. Заготовки в виде пластин толщиной 5 мм, вырезанные вдоль оси прессования, сначала нагревали до температуры 500 °С и закаливали в воду комнатной температуры для фиксации пересыщенного алюминиевого твердого раствора. Затем заготовки охлаждали и прокатывали с суммарной степенью деформации е ~ 2 в изотермических условиях при температуре жидкого азота, после чего отжигали (старили) в интервале температур от комнатной до 190 °С Для сравнения, криопрокатанный (КП) сплав также подвергали стандартным видам термического упрочнения по режимам Т и Т1 - перезакалке и последующему естественному и искусственному старению (ЕС и ИС) при комнатной и температуре 190 °С, 6 суток и 12 ч, соответственно.

Механические испытания проводили при комнатной температуре на машине Ы^гоп 5982. Параметры статической прочности сплава при одноосном растяжении (условные пределы прочности и текучести (а0,2 и ав) и относительное удлинение (5)) определяли на плоских образцах с рабочей частью 9*3*0,7 мм. Характеристики трещиностойкости (удельную работу зарож-

дения и роста трещины (АЗТ и АРТ) оценивали по методу Кана при внецентренном растяжении образцов толщиной 0,7 мм с боковым V-образным концентратором. Испытывали не менее 3-х долевых (ДП) и поперечных (ПД) образцов на точку.

Обнаружено, что криопрокатка и последующее естественное старение сплава в течение ~6 суток приводили к обнаружению его уникально высокой прочности ('а02 = 590 МПа, ав = 640 МПа), сопровождаемой, однако, лишь удовлетворительной пластичностью (5 = 5,9 %) и низкой трещиностойкостью, в особенности, низким сопротивлением росту трещины (АЗТ = = 27 кДж/м2, АРТ = 4 кДж/м2) (табл. 1). Такой результат был достигнут, прежде всего, за счет структурного упрочнения от формирования при криопрокатке развитой наноячеистой структуры (размер ячеек 100-200 нм) [1], а также за счет зонного распада предварительно пересыщенного алюминиевого раствора, активно протекавшего в сильнодеформированной матрице [2]. Искусственное же старение прокатанного сплава по серийному режиму Т1 привело к заметному его разупрочнению (а02 = 405 МПа, ав = 465 МПа), причем практически до уровня, достигаемого лишь в результате его дисперсионного твердения (табл. 1). Причина -наложение и интенсивное протекание процессов распада твердого раствора, возврата и рекристаллизации деформационной структуры [3]. В результате, несколько неожиданным было фиксировать тот факт, что эффект структурного упрочнения сплава, обусловленный интенсивной низкотемпературной пластической деформацией, терялся при отжигах даже при температурах и длительностях, соответствующих стандартным режимам искусственного старения. Кроме того, несмотря на сильное разупрочнение, показатели пластичности и трещиностойкости прокатанного сплава увеличивались лишь незначительно (5 = 7 %, Аэт = 31 кДж/м2, АРТ = 9 кДж/м2). Соответственно, такое старение сводило на нет все усилия, направленные на повышение прочности сплава за счет обработки с использованием криопрокатки.

1 Здесь и далее по тексту приведены значения свойств после испытаний долевых (ДП) образцов.

1601

Таблица і

Механические свойства сплава Діб при комнатной температуре

Состояние ст02, M^ ств, M^ s, % ЛРТ, кДж/м2 AOT, кДж/м2 Apт + A^-, кДж/м2

280/ — ** 430/ — 19,0/ — — — —

Ті (З + ИС при і90 °C, і2ч) 390/ — 440/ — 7,0/ — — — —

КП + ЕС (б суток) 590/505 640/540 5,9/2,0 4/3 27/13 31/16

КП + Т 285/270 455/430 27,8/20,3 149/80 94/48 243/128

КП + ИС (і90 °С, і2 ч) 405/405 465/455 7,1/2,9 9/4 31/13 40/17

КП + Ті 375/365 465/450 12,0/8,6 48/18 90/28 138/46

КП + ИС (корр.) 610/510 665/550 10,4/3,1 18/5 42/18 60/23

Примечание: * - КП - криопрокатка, З - закалка, EC - естественное старение, ИС - искусственное старение; ** - в числителе -для долевых (ДП) образцов, в знаменателе - для поперечных (ПД).

Исправить ситуацию позволила корректировка режимов искусственного старения криопрокатанного сплава. С их использованием удалось не только значительно повысить параметры его пластичности (S = 10,4 %) и трещиностойкости (АЗТ = 42 кДж/м2, АРТ =18 кДж/м2), но и привести к его дополнительному упрочнению (а0д = бі0 МПа, ав = бб5 МПа), придав сплаву уникальный баланс механических свойств, определяющий его повышенную конструкционную прочность в условиях статического нагружения при комнатной температуре (табл. і). Причем состаренный по скорректированному режиму сплав, т. е. в состоянии, в котором он демонстрировал уникально высокую прочность и наилучшее сочетание прочности и пластичности при одноосном растяжении, оба параметра трещи-ностойкости превышали уровень, достигаемый после криопрокатки и старения по серийным режимам.

Анализ параметров трещиностойкости сплава показал также, что во всех исследованных состояниях, кроме состояния КП + Т, работа зарождения трещины как в образцах ДП, так и образцах ПД значительно превышает работу, затрачиваемую на ее распространение. Такое поведение характерно для малопластичных материалов с низкой вязкостью. При этом работа зарождения трещины в образцах ДП в 2,0-2,5 раза, а работа распространения трещины в і,5-3,5 раза была выше, чем в образцах ПД. По-видимому, это связано с тем, что зарождение и распространение трещины вдоль волокон и строчек вторых фаз (образцы ПД) легче, чем поперек их (образцы ДП), меньше зависит от особенностей зеренного строения сплава и определяется, в основном, параметрами строчечности, которые во всех исследованных состояниях были одинаковыми.

В целом, анизотропия характеристик трещиностой-кости сплава характеризуется значениями, находящимися в следующих пределах: коэффициент анизотропии для АЗТ (отношение соответствующих параметров для образцов ДП и ПД) находится в диапазоне 2,0—3,0; для АРТ - 1,5—3,7; и для A = АЗТ + АРТ - 1,9—3,1. В образцах после криопрокатки и старения по стандартным и скорректированному режимам этот коэффициент для

полной работы их разрушения составил і,9, 3,0 и 2,б, соответственно. Таким образом, эти данные свидетельствовали о том, что и по изотропности показателей трещиностойкости последний режим оказался не самым худшим. Если же принять во внимание абсолютные значения установленных параметров механического поведения, то можно считать, что криопрокатанный сплав после искусственного старения по скорректированному режиму на фоне уникальной прочности обладает не просто удовлетворительной, а хорошей трещи-ностойкостью. А принимая во внимание демонстрируемый уровень свойств сплава в целом, можно утверждать, что он обладает и уникальным балансом прочности, пластичности и трещиностойкости как вдоль направления прокатки листа, так и поперек него.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автократова Е.В., Крымский С.В., Маркушев М.В., Ситдиков О.Ш. Особеппости структуры алюмипиевого сплава Діб, иптеп-сивно деформированного при температуре жидкого азота // Письма о материалах. 20іі. Т. і. № 2. С. 92-95.

2. Крымский С.В., Автократова Е.В., Ситдиков О.Ш., Маркушев М.В. Твердость криопрокатанного и искусственно состаренного алюмипиевого сплава Діб // Письма о материалах. 20і2. Т. 2. № і. С. 45-48.

3. Krymskiy S., Sitdikov O., Avtokratova E., MurashkinM., MarkushevM. Strength of cryorolled commercial heat hardenable aluminum alloy with multilevel nanostructure // Reviews on Advanced Materials Science. 2012. V. 31. P. 145-150.

Поступила в редакцию і0 апреля 20 іЗ г.

Krymskiy S.V., Avtokratova E.V., Sitdikov O.Sh., Markushev M.V. STRENGTH AND CRACK RESISTANCE OF CRYOROLLED AND AGED D16 ALUMINIUM ALLOY.

The effect of structural and dispersion hardening from combination of isothermal rolling at temperature of liquid nitrogen and strengthening heat treatment, on room temperature static strength and crack resistance is analyzed for aluminum alloy D16. It is shown, that aging of preliminary quenched and cryorolled alloy under regimes developed leads to unique balance of its strength, plasticity and crack resistance.

Key words: aluminum alloy; cryorolling; microstructure; strength; crack resistance.

1602