Файл: Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях..pdf

Р и с . 3. Приспособление для разметки образцов

ными точками. После снятия нагрузки относительная деформация на исследуемых участках определялась с помощью при бора ПМТ-3 (х485) . Общая и локальная деформация подсчитывалась по формуле

в = Ц = і п . 1 0 0 % , 'о

где 10 — исходный замер между контрольными отпечатками; If — расстояние между отпечатками в данный момент измерения.

Для выполнения трудоемкой операции по нанесению реперных точек и измерению расстояний между ними было изготовлено специальное приспособление к прибору ПМТ-3, которое позво­ ляет зафиксировать и быстро найти наблюдаемый участок (рис. 3). Приспособление устанавливается с помощью двух штиф­ тов на предметном столике прибора ПМТ-3. С помощью двух других штифтов (один из них неподвижен) закрепляется в исход­ ном или растянутом состоянии. Образец строго фиксирован отно­ сительно микрометрических винтов, что позволяет наносить отпе­ чатки микротвердости строго параллельно или перпендику­ лярно оси образца. Наблюдения за изменениями, происходящими в микроструктуре металла в процессе проводимых испытаний, проводились визуально с помощью микроскопа МВТ при уве­ личениях до 400. Фиксирование определенных участков поверх-

22

ности образца выполнялось с помощью отпечатков алмазной пирамиды, предварительно нанесенных на поверхность образца на приборе ПМТ-3 с помощью приспособления, показанного на рис. 3. Наблюдение и фотографирование микроструктуры осу­ ществлялись через определенные промежутки времени, которые зависели от продолжительности испытаний и кинетики микро­ структурных изменений в процессе деформации.

Дополнительное изучение структуры в исходном состоянии и после деформирования проводилось обычным способом при увеличениях до 1850 на микроскопе МИМ-8М.

В ряде случаев проводилось изучение тонкой структуры де­ формационного микрорельефа на электронном микроскопе УЭМВ100В с помощью оксидных и угольных реплик.

Поверхность деформированных образцов, с которой снимались реплики, не подвергалась травлению.

Исследование макроструктуры алюминиевых сплавов

спомощью установки ИМАШ-5С-65

Внастоящее время имеется два основных способа контроля макро­ структуры алюминиевых сплавов. Первый способ — изучение макроструктуры полированной и протравленной плоскости раз­ реза. Второй способ — изучение излома металла, полученного ударом либо растяжением. В изломе или на макрошлифе изучае­ мых образцов можно наблюдать картину, которая дает пред­ ставление о кристаллическом строении металла; по ним можно судить об особенностях литья и выявлять пороки металлурги­

ческого происхождения. Недостаток этого способа заключается в том, что изломы сравниваемых металлов образуются при раз­ личных степенях деформации и разных напряжениях, что не позволяет в ряде случаев получить достаточно сравнимые ре­ зультаты. Кроме того, фрактографический излом обычно изу­ чается при комнатной температуре и не дает представления о ре­ альной структуре металла при повышенных температурах, не

Выбранный нами способ исследования макроструктуры алю­ миниевых сплавов, отличающихся сравнительно крупным зер­ ном, с помощью установки ИМАШ-5С-65 в процессе их деформа­ ции в широком интервале температур заключается в создании и изучении образующегося при растяжении на полированной поверхности образца деформационного макрорельефа. Этот спо­ соб позволяет сравнивать поведение различных материалов, вопервых, при одинаковых рабочих температурах, во-вторых, при одинаковых степенях деформирования либо под действием оди­ наковых напряжений. При этом оцениваются неоднородность протекания пластической деформации, изменение формы и вели­ чины зерен в процессе деформации и вид окончательного излома.

23

На рис. 4, 5 приведены для сравнения вид изломов и макрорельефы образцов сплава AI—9,5% Mg без добавок и с добавкой циркония, введенного из лигатуры и солей. Преимущество этого способа перед другими способами исследования макроструктуры заклю­ чается в большей наглядности проведения исследований, а также в возможности проведения оценки однородности и неоднород­ ности протекания пластической деформации и изменений макро­ структуры, связанных с фрагментацией зерен, рекристаллиза­ цией при повышенных температурах и т. д. Контроль макро­ структуры осуществляется путем фотографирования изменения макрорельефа поверхности образцов при заданных степенях деформации либо напряжениях в широком интервале температур. Все наблюдаемые изменения макрорельефа поверхности люгут фиксироваться как в процессе испытания на установке ИМАШ- 5С-65, так и после снятия прикладываемой нагрузки, в случае отсутствия структурных или фазовых превращений при охла­ ждении образцов.

ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Большинство конструкций, изготовленных из алюминиевых спла­ вов, работает при температурах, не превышающих 300° С. Поэтому первоочередной интерес представляет изучение поведения этих сплавов в условиях деформирования в интервале температур от 20 до 300° С.

Известно, что при повышении температуры испытания меха­

ратурах и низких скоростях деформации, разрушаются интеркристаллически. В настоящей работе температура перехода транскри­ сталлического разрушения в интеркристаллическое (эквикогезив пая температура) для чистого алюминия и жаропрочного алюми­

Результаты исследования показали, что эквикогезивяая тем­ пература для чистого алюминия равна 360—370° С (рис. 6, а, б),

адля сложнолегированного жаропрочного деформированного

алюминиевого сплава АК4-1 — 320—330° С (рис. 6, в, г). В связи с тем, что максимальная рабочая температура большинства жаро­ прочных алюминиевых сплавов не превышает 300° С и механизм

24

ВЫБОР СКОРОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Трудности непосредственного наблюдения за изменением струк­ туры сплавов при высоких скоростях деформирования не позво­ ляют наблюдать последовательность и механизм разрушения сплавов и, следовательно, затрудняют выбор сплавов с наиболее подходящей для данных условий работы структурой.

Как указано в введении, в литературе почти не имеется экспе­ риментальных данных о распространении трещин в алюминиевых сплавах в зависимости от скорости деформирования. Это потре­ бовало проведения исследований по выяснению возможности оценки характера разрушения алюминиевых сплавов при высо­ ких и медленных скоростях деформирования по характеру раз­ рушения при скоростях деформирования, удобных для исследо­ вания.

Исследования проводили на сплавах в литом состоянии, так как литейные алюминиевые сплавы обладают, как правило, меньшей пластичностью, чем деформируемые, и, следовательно, более склонны к хрупкому разрушению. Полученные закономер­ ности подтверждались на деформируемых сплавах.

Для исследования были выбраны три литых сплава, резко отли­ чающиеся по характеру упрочнения легирующими элементами: 1) эвтектический сплав — силумин Ал4, характеризующийся низ­ кой пластичностью; 2) сплав типа магналий марки Ал27-1, пред­ ставляющий собой пересыщенный твердый раствор магния в алю­ минии в состоянии закалки, характеризующийся высокой проч­ ностью; 3) малолегированный алюминиевый сплав типа АМц, характеризующийся высокой пластичностью. Химический состав их указан в табл. 2.

Исследования влияния скорости деформирования на харак­ тер разрушения выбранных сплавов проводились при следующих

25

ограничивалась возможностью применяемой установки, мини­

дованных скоростях деформирования зарождение трещин на­ блюдается в местах залегания фазы AlSiFe. Известно, что эта фаза не имеет когерентной связи с окружающей ее матрицей и обладает сравнительно высокой хрупкостью. Напряжения вы­ зывают зарождение микротрещин на границе между фазой и матрицей, причем приложенные напряжения не вызывают за­ метной пластической деформации матрицы, о чем свидетельствуют отсутствие линий сдвига внутри зерен и незначительная (по­ рядка 1—2%) в момент разрушения локальная деформация мат­ рицы. Относительное удлинение образца в момент разрыва со­ ставляет 3—4% и может быть отнесено за счет деформации при раскрытии трещин. Сопоставление структур рис. 7 свидетель­ ствует, что характер зарождения трещин принципиально одина­ ков при всех скоростях нагружения.

На рис. 7, б, д показана структура сплава Ал27-1. В этом сплаве в начальный период " нагружения наблюдается пласти­ ческая деформация матрицы твердого раствора. Наличие линий сдвига и заметное относительное удлинение образцов к моменту разрыва (15—20%) это подтверждают. В данном случае зарожде­ ние трещин происходит по границам зерен. Таким образом, и в этом сплаве, менее гетерогенном, чем сплав Ал4, характер за­ рождения трещин в сплаве качественно не зависит от скорости деформации.

На рис. 7, в, е показана структура литого сплава типа АМц при различных скоростях деформирования. Зарождению трещин в этом сплаве предшествует значительная пластическая деформа­ ция матрицы (твердого раствора), причем до момента возникнове­ ния трещин наблюдается образование нескольких систем линий скольжения внутри зерен. Относительное удлинение образцов достигает 23—27%. Зарождение трещин происходило по грани­ цам зерен. Характер разрушения образцов и в этом случае ка­ чественно не меняется от скорости деформирования.

Таким образом, результаты проведенных испытаний показали, что характер разрушения исследованных литейных алюминиевых сплавов в широком диапазоне скоростей деформирования ка­ чественно не зависит от скорости деформирования и, следова­ тельно, процессы зарождения и развития трещин в сплавах при деформировании растяжением можно качественно оценивать по результатам исследований, полученных при стандартных ско-

26

ростях испытаний, либо при скоростях, удобных для исследова­ ния процессов деформирования. Сравнительная количественная оценка склонности алюминиевых сплавов Ал4, Ал27-1 и АМц к хрупкому разрушению была произведена по результатам испы­ таний при скоростях деформирования 0 , 8 - Ю - 5 и 1,2 * Ю - 3 м/сек.

г. сек

Рис. 8. Кинетические кривые разрушения алюминиевых сплавов при ско­ рости деформирования 0,8-10"? м/сек

1 — сплав Ал4; 2 — Ал27-1; 3 — литой сплав АМц. Начало разрушения пока­ зано стрелкой

имосвязь между напряжением, прикладываемым к образцу, и

нии 250 определяли момент зарождения микротрещин на поверх­ ности образца и наблюдали дальнейшее их развитие. На рис. 8 этот момент отмечен стрелками. При деформировании сплава Ал4 распространение трещин после ее зарождения при достижении максимального напряжения происходит практически мгновенно.

При деформировании сплава Ал27-1 зарождение трещин про­ исходит при напряжениях ниже максимального, затем следует сравнительно короткий по времени деформации участок, на ко­ тором происходит увеличение напряжения. В это время про­ исходит подрастание трещин до критического размера. Следую­

при этом наблюдаются падение напряжения и разрушение образца.

При деформировании литого сплава типа АМц зародыши трещин также наблюдаются при достижении напряжения, не­ сколько превышающего предел текучести, однако дальнейшая деформация длительное время протекает без заметного снижения напряжения, что свидетельствует о том, что процесс деформации

27