Оценка прочности и многоцикловой усталости алюминиевого сплава АК4-1 со стандартной и ультрамелкозернистой структурой

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

УДК 620.16/17

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АК4-1 СО СТАНДАРТНОЙ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

Е.Р. Голубовский, докт. техн. наук

Представлены результаты исследования микроструктуры сплава АК4-1 после интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования (РКУП); показано, что средний размер зерна составляет ~ 30 мкм. На основе результатов испытаний образцов при 20 и 175 °С получены оценки пределов кратковременной прочности ств при растяжении и пределов многоцикловой усталости при осевом нагружении на базе N = 107 циклов сплава АК4-1 с ультрамелкозернистой и стандартной структурой.

Ключевые слова: стандартная и ультрамелкозернистая структуры, размер зерна, испытания на растяжение, испытания на многоцикловую усталость при осевом нагружении, коэффициент асимметрии цикла.

Evaluation of Strength and Low-Cycle Fatigue of АК4-1 Aluminium Alloy with „ Standard and Fine-Grained Structures. Ye.R. Golubovsky, R.K. Islamgaliyev, M.Ye. Vol- „

kov, K.M. Nesterov, E.D. Khafizova.

The results of examination of AK4-1 alloy microstructure after intensive plastic working via equal-channel angular extrusion technique are presented; mean grain size were ~ 300 |im. Based on the results of specimen tests carried out at 20 and 175 °C, estimations of ultimate tensile strengthes (UTS) and high-cycle fatigue strengthes in the case of axial loading of AK4-1 alloy with ultrafine-grained and standard structures (N = 107 cycles) were obtained.

Key words: standard and ultrafine-grained structures, grain size, tensile tests, high-cycle fatigue tests under axial loading, cycle asymmetry coefficient.

Минимизация массы узлов и основных деталей является одной из основных задач при разработке и модернизации авиационных двигателей. Решение этой задачи возможно по двум направлениям - производство деталей из новых материалов или применение известных материалов с использованием новых технологий, которые обеспечивают более высокие удельные характеристики конструкционной прочности. Одним из решений второго направления, применительно к лопаткам вентилятора, может рассматриваться возможность использования алюминиевых сплавов в состоянии с ультрамелкозернис-

той (УМЗ) структурой [1]. Основой для рассмотрения такой возможности являются результаты исследований прочностных характеристик различных алюминиевых сплавов:

- статические прочностные характеристики сплава 5056 с УМЗ-структурой значительно повышаются в сравнении с исходной структурой [2];

- для деформируемых алюминиевых сплавов установлена прямая корреляция [3] предела многоцикловой усталости (МнЦУ) и предела прочности ств, т. е. с повышением ств повышается предел выносливости при растяжении-сжатии;

-Ф-

-Ф-

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

- кривые МнЦУ сплава 5056 свидетельствуют о том, что на базе N = 107 циклов предел выносливости практически одинаков для исходной и УМЗ-структуры [2]. Однако в [4] было экспериментально установлено более высокое сопротивление усталости образцов с УМЗ-структурой в сравнении с исходной структурой.

В настоящей работе исследовано сопротивление статическому растяжению и МнЦУ алюминиевого сплава АК4-1 в состоянии со стандартной структурой и УМЗ-структурой при рабочих температурах 20 и 175 °С.

Материал, образцы и методика исследований

Стандартная структура. Сплав АК4-1 [5] поставлен в виде прутков 0 40 мм. Изготовитель: Каменск-Уральский металлургический комбинат. Прутки были разрезаны на заготовки ^ - 200 мм. Заготовки термообработаны по режиму: нагрев при 530 °С в течение 1 ч с последующей закалкой в холодной воде; старение при 180 °С в течение 12 ч. После термообработки из заготовок изготовили образцы, которые имели стандартную структуру (рис. 1). Средний размер зерна после закалки составил примерно 100 мкм. В структуре имелись включения, которые не растворились при образовании пересыщенного твердого раствора. После дополнительного старения при температуре 180 °С заметного роста среднего размера зерна не наблюдали.

УМЗ-структура получена методом равно-канального углового прессования (РКУП) [1]. Перед проведением РКУП заготовки сплава АК4-1 диаметром 40 мм и длиной 160 мм нагревали при температуре 530 °С в течение 1 ч, с последующей закалкой в воде. РКУП проводили при 160 °С на оснастке с углом пересечения каналов 120°, в шесть проходов. Затем полученные прутки с УМЗ-структурой деформировали протяжкой при этой же температуре для получения удлиненных заготовок диаметром 23 мм и длиной 43 см (рис. 2).

Полученная типичная УМЗ-структура показана на рис. 3. Средний размер зерен в УМЗ-образцах составил примерно 300 нм (рис. 3). При этом в структуре наблюдали

Рис. 2. Внешний вид заготовок для образцов с УМЗ-структурой из сплава АК4-1 после РКУП при 160 °С и дополнительной протяжки

большое количество дисперсных частиц, которые служат эффективными препятствиями движению дислокаций (рис. 4) и, как следствие, снижают уровень накопленной пластической деформации.

В УМЗ-структуре образцов были выявлены два типа частиц. Первый тип имел глобулярную форму и средний размер примерно 20 нм (рис. 5, а). По данным энергодисперсионного анализа, эти частицы содержали в основном алюминий и медь (рис. 5, в), то есть относились к частицам фазы А^Си, которые являются упрочняющими для данной системы сплавов.

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 3. Типичная микроструктура сплава АК4-1 после РКУП при 160 °С и дополнительной протяжки:

а, б - светлопольное и темнопольное изображения соответственно

-Ф

а б

Рис. 4. ПЭМ УМЗ-структуры образцов сплава АК4-1 с изображением дислокаций внутри зерен:

а, б - светлопольное и темнопольное изображения соответственно

Второй тип частиц со средним размером примерно 70 нм (рис. 5, б) имел слегка вытянутую форму и содержал в основном алюминий, магний и медь. По элементному составу и морфологическим признакам их можно отнести к частицам фазы А^МдСи, которые также часто встречаются в сплаве АК4-1 (рис. 5, г) [5].

Структурные исследования проводили на сканирующем электронном микроскопе иЕМ-6390 и просвечивающем электронном микроскопе иЕМ-2100, оснащенном приставкой для энергодисперсионного анализа. Тонкие фольги были приготовлены на установке Тепиро1-5 методом струйной электролитической полировки.

Образцы. Для испытаний на растяжение использовали цилиндрические образцы диа-

метром d = 5 мм и расчетной длины рабочей части l = 5d. На МнЦУ испытывали гладкие образцы круглого сечения корсетного типа (тип I [6]) диаметром в минимальном сечении d = 5 мм и радиусом корсетной части R = 37,5 мм.

Методика испытаний при температурах 20 и 175 °С. Испытания на растяжение проводили на машине типа 1пв1гоп в соответствии с требованиями стандартов [7, 8]; МнЦУ испытывали на высокочастотных резонансных пульсаторах Атв!ег 100 НРР 5100 ^ок/Яое!!) при осевом нагружении образца в соответствии с требованиями стандарта [6]. Частота f = 75-81 Гц. Форма цикла синусоидальная. Коэффициент асимметрии цикла И0 = 0,1. База испытаний до - N = 107 циклов. Также были проведены испытания четырех образцов

-Ф-

-Ф-

"Ф

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

ЩШ

-Ф

Количественные результаты

Мв 15,6 %

А1 45,7 %

Си 38,7 %

в г

Рис. 5. Темнопольное изображение частиц

-Ф-

со стандартной структурой при 20 °С, осевом нагружении и симметричном цикле И0 = -1.

Результаты испытаний и обсуждение

Испытания на растяжение образцов со стандартной и УМЗ-структурой были проведены при температурах 20 и 175 °С. Полученные диаграммы растяжения представлены на рис. 6.

По результатам испытаний при 20 °С установлено (рис. 6, а), что образцы с УМЗ-структурой имеют предел прочности ств « 460 МПа с относительным удлинением 8 « 7 %. То есть сплав АК4-1 в состоянии с УМЗ-структурой имеет более высокий предел прочности , (на 20 % выше), чем в крупнозернистом образце, подвергнутом стандартной обработке (370 МПа) (рис. 6, а), но при этом пластичность 8 снизилась более чем в 2 раза.

Повышенная прочность УМЗ-образцов при комнатной температуре является, очевидно,

результатом сильного измельчения зеренной структуры и дисперсионного упрочнения, тогда как уменьшение относительного удлинения можно объяснить более высокой плотностью дислокаций (см. рис. 4), наличием внутренних напряжений в окрестности частиц (см. рис. 5) и вблизи границ зерен, препятствующих развитию и движению дислокаций.

В УМЗ-образцах наблюдали также малую протяженность стадии деформационного упрочнения, при которой, как известно, происходит увеличение плотности дислокаций. В УМЗ-структуре после интенсивной пластической деформации по технологии РКУП формируется более высокая плотность дислокаций, чем в сплаве со стандартной структурой. Кроме того, расстояние между границами зерен значительно меньше, поэтому дислокации быстрее достигают противоположной границы зерна и аннигилируют. Этим можно объяснить менее продолжительную стадию деформа-

-Ф

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

ционного упрочнения в УМЗ-образцах и, соответственно, малую величину однородной деформации.

Испытания УМЗ-образцов при повышенной температуре (175 °С) показали (рис. 6, б), что значение предела прочности снижается незначительно (до 430 МПа), при этом величина 5 практически не изменяется. Этот результат свидетельствует о термической стабильности характеристик кратковременной прочности и пластичности сплава АК4-1 с УМЗ-структурой в интервале температур 20-175 °С.

Испытания на МнЦУ образцов со стандартной и УМЗ-структурой были проведены при температурах 20 и 175 °С. Для определения предельных значений максимальных напряжений в цикле амакс на базе N = 107 циклов при Т = 20 °С для сплава со стандартной структурой использовано соотношение, предложенное в работе [3] для деформиро-

500 -

a

<D

& 200

с

a

100

—1—1—1—1—1—1—1—1—1— -i——1 1—'—г~ -»-1-1-

4

f 10"1 с"1

2 — кг2 с"1

3 — ю-3 с"1 _

4 — ......... ю-3 1 . с4

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Относительное удлинение, % a

<D

а 200

с

a

m 100

• 1  1 1 1 1 1 1 1 1 1

^ / .....

7—Ю-3 с-1

2—Ю-2 с"1

2 4 6 8 10 12 14

Относительное удлинение, %

Рис. 6. Диаграммы растяжения после испытаний образцов из сплава АК4-1 со стандартной

ванных алюминиевых сплавов при асимметричном растяжении-сжатии:

аа = 3,33(ав - ат)0'630,

а,

мин

)/2

амплитуда напря-

- минимальное на-

где аа = (амакс жений в цикле;

амин _ ^аамакс _ 0,1 амакс пряжение в цикле;

am = (амакс + амин)/2 - среднее напряжение в цикле;

Аа = (амакс -

: - ам

н) - размах напряжений.

Соотношение (1) можно преобразовать к виду:

1од(0,45аМакс) =

= 1од

Выражение (2) представляет собой трансцендентное уравнение относительно амакс. С использованием справочных данных ав [5] графическим решением уравнения (2) является величина амакс = 245 МПа. Поэтому испытания образцов были начаты с уровня напряжений амакс = 250 МПа. Результаты испытаний приведены на рис. 7, 8.

Полученные экспериментальные данные были обработаны с применением степенной модели:

N = C а

-n

макс .

Значения коэффициентов уравнения (3) приведены в табл. 1. С использованием этих значений построены регрессионные кривые МнЦУ, представленные на рис. 7, 8.

На рис. 7 приведены экспериментальные данные и регрессионные кривые МнЦУ для максимальных напряжений амакс, амплитуды аа и размаха напряжений Аа, а также результаты испытаний образцов, полученные при симметричном цикле (точки с цифрой 3) и справочные данные. Результаты испытаний образцов, полученные при симметричном цикле, показывают, что данные образцы со стандартной структурой имеют несколько более высокое сопротивление МнЦУ в сравнении со справочными данными. Следует также отметить, что сопротивление МнЦУ при асимметричном цикле в условиях осевого нагружения (Яа = 0,1) в сравнении с симметричным циклом имеет более высокое значение по амакс,

-t

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 7. МнЦУ, Яа = 0,1, Т=20 Зависимость числа циклов до разрушения N от напряжений в цикле. Кривые МнЦУ:

1 (А) - стандартная структура; 2 () - УМЗ-струк-тура; 3 (•) - экспериментальные данные по образцам с исходной структурой, испытанным при симметричном цикле = -1); 4 (0) - справочные данные ВИАМа [5] при симметричном цикле - консольный

изгиб с вращением; a -N = Г

N = ^акс); б - N = ^аа); в-

Рис. 8. МнЦУ, Яа= 0,1, Т= 175 °С. Зависимость числа циклов до разрушения N от напряжений в цикле:

а - стандартная структура; б - УМЗ-структура; • -экспериментальные данные

а по амплитуде аа и размаху напряжений Аа наблюдается обратное отношение.

На рис. 8 представлены экспериментальные данные и регрессионные кривые МнЦУ только для максимальных напряжений амакс. При необходимости, используя эти диаграммы, можно получить графики, аналогичные рис. 7 (б, в).

В табл. 2 приведены значения пределов МнЦУ на базе N = 107 циклов, рассчитанные по уравнению (3) с численными коэффициентами (табл. 1).

Как следует из рис. 7 и табл. 2 образцы с УМЗ-структурой при 20 °С имеют более высокие (- на 15 %) значения предела МнЦУ на базе N = 107 циклов, чем образцы со стандартной структурой. Необходимо отметить, что образцы с УМЗ-структурой, испытанные при температуре 175 °С (рис. 8 и табл. 2), имеют

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1 Значения коэффициентов уравнения

Температура, °С Состояние Log C n

20 Стандартная структура УМЗ-структура 55,2 121,1 20,5 47,3

175 Стандартная структура УМЗ-структура 43,01 46,04 15,19 16,89

Таблица 2

Значения пределов МнЦУ по максимальному напряжению а„акс, по амплитуде аа и размаху Аа на базе' N = 107 циклов сплава АК4-1 в состояниях с исходной и УМЗ-структурой при температурах 20 и 175 °С

Темпе- Предел МнЦУ

ратура , °С Состояние стмакс' МПа МПа ACT, МПа

20 Исходная структура УМЗ-структура 222,5 257,5 101 116 202 232

175 Исходная структура УМЗ-структура 234,5 204,5 105,5 92 211 184

больший разброс в сравнении с образцами со стандартной структурой и обладают меньшим сопротивлением МнЦУ.

Заключение

1. Сплав АК4-1 с УМЗ-структурой, полученной методом РКУП, при температуре 20 °С имеет более высокие значения характеристик кратковременной прочности ств

и меньшие значения относительного удлинения 8 (более чем в 2 раза) в сравнении со сплавом со стандартной структурой. При температуре 175 °С предел прочности ств снижается незначительно на величину - 8-9 %, при этом 8 практически не изменяется. Этот результат свидетельствует о термической стабильности характеристик ств и 8 сплава АК4-1 с УМЗ-структурой в интервале температур 20-175 °С, по крайней мере, в течение времени, необходимого для проведения процедуры испытания.

2. Сопротивление многоцикловой усталости при 20 °С = 0,1; база N = 107 циклов) образцов из сплава с УМЗ-структурой имеет более высокое значение (- на 15 %), чем образцов из сплава со стандартной структурой.

При температуре 175 °С предел МнЦУ сплава со стандартной структурой на базе N= 107 циклов практически равен пределу МнЦУ при температуре испытаний 20 °С. В сплаве с УМЗ-структурой при повышении температуры испытаний от 20 до 175 °С происходит снижение предела МнЦУ на - 20 %. При этом сопротивление МнЦУ сплава с УМЗ-структу-рой ниже, чем сплава со стандартной структурой, что свидетельствует о возможной термической нестабильности сплава с УМЗ-структурой в условиях многоциклового нагружения.

3. Полученные данные не позволяют сделать однозначного вывода о возможности применения сплава с УМЗ-структурой для таких деталей, как лопатки вентилятора и КНД. Результаты исследования свидетельствуют о потенциальных возможностях методов интенсивной пластической деформации, одним из которых является РКУП, дальнейшее развитие которых может привести к желаемым результатам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные на-ноструктурные металлические материалы. - М.: Академкнига, 2007. - 398 с.

2. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. - М.: Наука, 2003. - 254 с.

3. Степнов М.Н., Чернышев С.Л., Ковалев И.Е., Зинин А.В. Характеристики сопротивления усталости. Расчетные методы оценки. - М.: Технология машиностроения, 2010. - 256 с.

4. 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. V. 32. P. 898-907.

5. Авиационные материалы. Справ. Т. 4. Ч. 1. Кн. 1. -М.: ВИАМ, 1982. - 628 с.

6. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

7. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

8. ГОСТ 9651-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах.