Файл: Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях..pdf

чению закономерностей протекания процессов деформации и раз­ рушения сталей и жаропрочных металлов и сплавов [25—30].

Особенно интересным объектом для исследования на установ­ ках типа ИМАДІ-5С являются алюминиевые сплавы, которые представляют собой в большинстве случаев гетерофазные системы. Однако до настоящего времени систематических исследований характера разрушения алюминиевых промышленных сплавов не проводилось, хотя потребность в таких исследованиях в на­ стоящее время является весьма актуальной. Знание структур­ ных факторов, способствующих хрупкому разрушению высоко­ прочных алюминиевых сплавов, позволит учитывать их при вы­ боре сплавов для конструкций, а также поможет в определении путей устранения их неблагоприятного влияния.

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Структура поликристаллического алюминия характеризуется наличием двух структурных элементов — объемов зерен и гранич­ ных областей, чаще всего называемых в литературе границами зерен. Границы зерен, препятствуя протеканию процессов пласти­ ческой деформации, способствуют деформационному упрочнению алюминия, повышая его прочность. За счет деформационного упрочнения предел прочности алюминия может быть повышен с 6 до 15—20 кГ/мм2. Еще более значительное повышение проч­ ности алюминия достигается путем легирования.

В настоящее время за счет легирования достигнута прочность порядка 80 кГ/мм2, что позволяет широко использовать алюминие­ вые сплавы для конструкционных деталей в современном машино­ строении.

Упрочнение при легировании достигается следующими пу­ тями:

а) образованием твердых растворов; б) гетерогенизацией структуры за счет дисперсного распада

твердых растворов; в) измельчением структуры за счет модифицирования.

Образование твердых растворов за счет легирования приводит к увеличению количества несовершенств кристаллической решетки металла, может изменять прочность межатомной связи, однако в твердых растворах не возникает новых структурных составля­ ющих. С увеличением содержания легирующих элементов об­ разуются пересыщенные твердые растворы, в которых при охлаж­ дении выделяются частицы металлических соединений алюминия с легирующими добавками, являющиеся новым структурным элементом.

Распад пересыщенных твердых растворов протекает неравно­ мерно (в зависимости от степени искаженности кристаллической решетки), что может приводить к увеличению неоднородности

9

структурного строения сплавов за счет возникновения зон, сво­ бодных от выделений.

В ряде случаев легирующие элементы в алюминиевые сплавы вводят в количествах, превышающих их растворимость в твер­ дом состоянии, что приводит к образованию гетерогенной струк­ туры уже в процессе кристаллизации сплавов.

При модифицировании алюминиевых сплавов используют тугоплавкие элементы, образующие частицы металлических со­ единений в жидком расплаве, служащие центрами кристаллиза­ ции. Таким образом, введение в алюминий легирующих элемен­ тов в количествах, превышающих растворимость в твердом или жидком сплаве, приводит к возникновению новых структурных составляющих. С увеличением количества легирующих элементов и их числа вероятность увеличения структурной неоднородности возрастает.

Следует отметить, что в настоящее время наблюдается тен­ денция к разработке алюминиевых сплавов с максимальной сте­ пенью пересыщения твердого раствора легирующими элементами.

ния равномерности и полноты растворения легирующих элемен­

10

ганца, хрома, ванадия, молибдена, действие которых, кроме модифицирования, сводится либо к торможению диффузионных процессов, обусловливающих распад твердых растворов, либо к образованию стабильных дисперсных продуктов распада. Учи­ тывая, что большинство элементов переходных групп малорас­ творимо в алюминии, в реальных алюминиевых сплавах за счет ликвации создаются условия для образования первичных либо эвтектических выделений металлических фаз.

Кроме вышеперечисленных элементов переходных групп в алю­ миниевые сплавы вводят железо и никель, которые практически нерастворимы в алюминии. Эти элементы вводятся с целью со­ здания сетчатых или скелетообразных включений термически стабильной второй фазы. Между этими фазами и основным метал­ лом не идут заметные процессы обмена атомами, что обеспечи­ вает упрочнение при температурах выше 0,6—0,7 Тпд [36].

Необходимо отметить, что железо присутствует в качестве

Таким образом, как свидетельствуют данные табл. 1, в про­ мышленные алюминиевые сплавы легирующие элементы вводятся в количествах, значительно превышающих их предельную рас­ творимость не только при комнатной температуре, но и при темпе­ ратуре солидуса. Это неизбежно приводит к появлению в струк­ туре сплавов новых структурных составляющих — первичных и вторичных металлических фаз.

Наряду с вышерассмотренными структурными элементами в про­ мышленных алюминиевых сплавах существенную роль могут играть поры, рыхлоты и величина зерна, обусловленные техноло­ гией производства сплавов; их отрицательное влияние на склон­ ность сплавов к преждевременному разрушению может превышать положительное действие легирования и термической обработки.

Итак, промышленные высокопрочные алюминиевые сплавы обладают, как правило, сложной гетерофазяой структурой. Это обусловливает негомогенное протекание пластической деформа­ ции в этих сплавах и оказывает влияние на процессы зарождения

иразвития трещин. Оценка влияния каждого из элементов

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ

Пластическое разрушение под действием растягивающих на­ пряжений — один из видов разрушения металлических материа­ лов. Преждевременное разрушение пластических тел связано с неоднородностью протекания элементарных актов пластической

11

деформации, приводящих к возникновению и развитию трещин. Одним из факторов, обусловливающих неоднородность протека­ ния пластической деформации, является неоднородность струк­ туры реальных материалов. Наиболее полно в настоящее время изучен процесс протекания пластической деформации и разруніения чистых металлов и, в частности, алюминия.

Пластическая деформация в алюминии протекает преимущест­ венно путем скольжения, причем металлографическим свидетель­ ством этого является возникновение полос скольжения.

В монокристалле чистого алюминия пластическое течение

вмакроскопическом масштабе происходит при напряжениях

ниц зерен дает быстрое упрочнение, приводящее к значительному повышению предела текучести [37], что позволяет использовать чистый алюминий для практических целей.

На поверхности образца скольжение проявляется в двух видах: в виде грубых следов скольжения, выявляемых метал­ лографически, и в виде тонких следов скольжения, которые выявляются электронно-микроскопическим путем.

Впервые количество следов скольжения, образующихся при де­ формировании растяжением при различных температурах и степенях деформации, было подсчитано Мак-Лином [381. Было установлено, что вначале количество следов скольжения растет со временем, а затем становится постоянным, что соответствует

казало, что на начальной стадии растяжения магний уменьшает толщину следов скольжения и расстояние между ними, а с рос­ том деформации выравнивающее действие магния на сдвиговую

скольжения с увеличением температуры увеличивается из-за об­ легчения перехода скольжения с плоскости на плоскость, что приводит к сглаживанию некоторых следов скольжения.

что с повышением температуры и понижением скорости деформи­

12