Исследование усталостных свойств микрокристаллических сплавов системы Al–Si

УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Л1-81

© Ю.П. Вишня, М.Ю. Грязнов, В.Н. Чувильдеев

Ключевые слова: усталостные свойства; микрокристаллические материалы; алюминиевый сплав; спрей-технология; равноканальное угловое прессование.

Исследованы новые микрокристаллические сплавы (МК) А1 - 20 % 81, полученные по спрей-технологии и технологии равноканального углового прессования (РКУП). Показано, что предел выносливости микрокристаллического спрей-сплава А1 - 20 % 81 в 3 раза выше, чем у литого сплава, обработанного РКУП. Построена теоретическая модель, объясняющая поведение усталостных характеристик МК А1-81 сплавов.

В настоящее время большое внимание исследователей привлекают микрокристаллические материалы. Механические свойства МК материалов существенно отличаются от свойств обычных крупнокристаллических материалов (КК): их твердость и предел текучести в 3-5 раз выше, чем у КК металлов, также они обладают высокими прочностными и усталостными характеристиками, что необходимо для современных конструкционных материалов.

В качестве объекта исследования были выбраны МК сплавы системы А1-81: сплав А1 - 20 % 81, полученный по спрей-технологии и дальнейшего РКУП (спрей-РКУП А1-8120) и сплав А1 - 20 % 81, полученный по технологии инвертируемого литья и дальнейшего РКУП (литой-РКУП А1-8120). Исследования проводились при температурах 20, 150, 250 и 350 °С.

Для проведения испытаний на усталость был использован автоматизированный комплекс ПИУ-3 [1], разработанный в НИФТИ ННГУ, позволяющий проводить испытания на многоцикловую усталость металлических образцов в диапазоне температур от 20 до 500 °С. Испытания образца проводятся в автоколебательном режиме. Система измерения осуществляет контроль амплитуды, резонансной частоты и числа циклов нагружения образца.

Полученные в работе экспериментальные данные образуют две группы: первая включает в себя результаты измерения зависимости резонансной частоты колебаний образца от числа циклов, вторая представляет собой зависимость числа циклов до разрушения от величины механического напряжения в образце (кривая Велера).

Установлено, что предел выносливости исследуемых материалов существенно зависит от температуры испытаний: для сплава спрей-РКУП-А1-8120 уменьшается от 140 до 75 МПа, а для сплава литой-РКУП А1-8120 от 140 до 20 МПа при увеличении температуры от 25 до 350 °С.

При комнатной температуре значения предела выносливости для спрей-РКУП А1-8120 и сплава литой-РКУП А1-8120 сопоставимы и составляют 140 ± 10 МПа, несмотря на то, что пределы прочности отличаются практически в два раза (оВ (спрей-РКУП А1-8120) =

= 350 МПа, аВ (литой-РКУП А1-8120) = 230 МПа). При температуре испытаний 350 °С предел выносливости для спрей-РКУП А1-8120 в 3 раза выше, чем у литого -РКУП А1-8120.

В ходе экспериментов обнаружено изменение частоты колебаний образца, т. е. наблюдается рост частоты с увеличением числа циклов нагружения. Построена модель, объясняющая наблюдаемый эффект повышения резонансной частоты колебаний образца от числа циклов. В основе модели лежит предположение о связи резонансной частоты с изменением дефектности материала и о повышении объемной доли пор (трещин) с увеличением числа циклов колебаний, а также предположение о том, что в процессе усталостного нагружения происходит зарождение и рост усталостных трещин, интенсивность которого пропорциональна скорости микродеформации, возникающей в зернах под действием циклических внешних напряжений.

В работе построена модель, объясняющая зависимость наклона кривой Велера от температуры и напряжения. В основе модели лежат представления о связи механизма усталостной деформации и деформации при постоянном напряжении. При использовании модели Эшби для скорости деформации при комнатной температуре получены значения энергии активации преодоления точечных препятствий при комнатной температуре, соответствующие препятствиям средней мощности [2]. При использовании модели Эшби для степенной ползучести при высокой температуре полученные значения показателя степени скорости деформации от напряжения п = 10 являются типичными для двухфазных сплавов, упрочненных крупными частицами 81.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сысоев А.Н., Грязное М.Ю., Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Пав-люков А.А. Усталостные свойства нано- и микрокристаллических алюминиевых сплавов: новый метод испытаний и результаты экспериментальных исследований // Вестн. ННГУ. 2010. № 5. С. 46-52.

2. Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 304 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

1582

Vishnya Y.P., Gryaznov M.Y., Chuvildeyev V.N. RESEARCH FATIGUE PROPERTIES OF MICROCRYSTALLINE Al-Si ALLOYS

New microcrystalline (MC) Al - 20 % Si alloys processed by the spray-technology and using ECAP are investigated. It is shown MC aluminum Al - 20 % Si alloys have higher fatigue characteris-

tics than the analogous cast alloys processed by ECAP. The theoretical model to explain the behavior of the fatigue characteristics of MC Al-Si alloys is proposed.

Key words: fatigue properties; microcrystalline materials; aluminum alloy; spray technology; ECAP technology.

УДК 539.4

ЗАРОЖДЕНИЕ МИКРОТРЕЩИН ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© Г.Ф. Сарафанов

Ключевые слова: дислокационный ансамбль; дисклинации; микротрещина; упругая энергия; фрагментация; экранирование.

Рассмотрены условия зарождения микротрещины в упругом поле дисклинации, экранированном распределенным дислокационным зарядом. Определено значение пороговой мощности дисклинации, при которой происходит зарождение микротрещины. Показано, что пластическая деформация, экранирующая упругое поле дискли-нации, стабилизирует рост микротрещины до размеров порядка 1с и 0,1 мкм.

Очевидно, что физическая теория образования микротрещин в сильно деформирозанных кристаллах должна явно учитывать особенности формирования фрагментированных структур и правильно описывать природу возникающих в материале внутренних напряжений.

Наиболее последовательно это удается сделать в рамках дисклинационной теории развитой пластической деформации и вязкого разрушения кристаллов [1]. В основе ее лежит представление о стыковых дискли-нациях [2]. Возникая при пластической деформации в стыках и изломах границ зерен, вследствие неоднородности пластического течения по ансамблю зерен, стыковые дисклинации вызывают мощные дальнодейст-вующие напряжения, способные привести к зарождению микротрещин, их развитию и разрушению материала. В реальности дисклинационные поля внутренних напряжений не увеличиваются до бесконечности (до размера кристалла), а взаимно компенсируются на расстоянии г ~ d (d - размер зерна), поскольку стыковые дисклинации группируются в мультипольные образования [3]. Вместе с тем, как показано в [4-7], более эффективным способом экранировки упругого поля стыковой дисклинации может оказаться дислокационное экранирование.

Поэтому рассмотрим пластически деформируемый вдоль некоторой системы скольжения кристалл, в центре которого помещена дисклинация мощности —га (рис. 1) Поскольку в пластической зоне проявляются эффекты экранировки упругого поля на характерном расстоянии Гd <<Я (гЛ - радиус экранирования упругого поля), то кристалл можно считать бесконечным и воспользоваться результатами работы [7] для вычисления плотности упругой энергии м>(х,у) экранированного поля напряжений.

Возникновение микротрещины некоторой длины 21 из-за наличия дисклинации приводит, с одной стороны, к уменьшению энергии кристалла из-за форми-

рования зоны релаксации порядка I (принцип Сен-Венана), с другой - увеличению энергии, т. к. совершается работа на образование свободной поверхности трещины. Изменение общей энергии при этом будет равно:

А W =4 yl - JJw ( x, y ) dxdy

4 у l -

-J f ( r /rd ) dr.

Здесь функция f(l/rd ) определяется следующим образом [7]:

f(z) =

= z{K2 (z)[ І0 (2 z) -1] + (1 - 2v) K02 (z)[ І0 (2 z) +1]},

Рис. 1. Пластически деформируемый кристалл, в центре которого помещена дисклинация мощности -ю, в упругом поле растягивающих напряжений которой возникает микротрещина длины 21

S

L

1583