Исследование усталостных характеристик некоторых магниевых сплавов

17.07.2019

В последние годы магниевые сплавы широко используются в качестве конструкционных материалов. Это обстоятельство вызвало интерес к изучению их усталостных характеристик и выяснению физических процессов, происходящих при разрушении.

В данной работе была поставлена задача исследовать закономерности усталостного разрушения некоторых магниевых сплавов в широком интервале напряжений, выяснить воздействие вакуума на долговечность и предел усталости, а также оценить возможность определения вязкости разрушения по результатам испытания на усталость на воздухе и в вакууме.

Исследование проводили на магниевых сплавах МА2-1, МА15, МА12, в отожженном состоянии. Химический состав и свойства сплавов приведены в таблице.

Для экспериментов использовали цилиндрические образцы (диаметр рабочей части 5,75 мм) с последующей механической и электролитической полировкой. Деформирование образцов проводили путем циклического симметричного растяжения — сжатия с частотой 1500 цикл/мин на установке. Эксперименты проводились на воздухе при давлении 760 мм рт. ст. и в вакууме 1*10в-6 мм рт. ст. при заданном напряжении до разрушения. После разрушения изломы образцов подвергали макрофрактографическому анализу на оптическом микроскопе МБС-2 и микрофрактографическому исследованию на электронном микроскопе УЭМВ-100В (методом двухступенчатых пластико-угольных реплик).
Исследование усталостных характеристик некоторых магниевых сплавов

о-N кривые, полученные при деформировании сплавов R1A2-1, МА15 и МА12 в атмосферных условиях и в вакууме, представлены на рис. 1. Видно, что в исследованном интервале напряжений все кривые, полученные после испытании в обеих средах, состоят из трех участков, отличающихся наклоном к оси абсцисс. Область ограниченных долговечностей состоит из двух участков с разным наклоном к оси абсцисс. Величины критических напряжений ок, при которых происходит перегиб кривых, равны: для сплава МА2-1 14,5 кгс/мм2, МА15 14 кгс/мм2, МА12 9,5 кгс/мм2.

Нижние ветви кривых о-N проходят параллельно оси абсцисс, что свидетельствует о наличии у исследованных сплавов физического предела усталости, который для данных сплавов равен. МА2-1 9,8 кгс/мм2: MAl5 8,0 кгс/мм2; МА12 6,0 кгс/мм2. Таким образом, наиболее высокий предел усталости у сплава МА2-1, самый низкий — у сплава МА12, соответственно значениям предела прочности (см. таблицу).

Известно, что наличие физического предела усталости свойственно чистому магнию и его сплавам с Al, Zn и Pb, а также сплавам с Li при небольших его количествах, когда отсутствует вторая ОЦК-фаза. Сопоставляя полученные данные с этими результатами, можно заключить, что физический предел усталости характерен для всех отожженных магниевых сплавов, имеющих однофазную структуру твердого раствора с некогерентными включениями интерметаллидов. Упрочнение дисперсными частицами путем закалки и старения, а также появление ОЦК-фазы при легировании приводит к отсутствию физического предела усталости.

Необходимо подчеркнуть, что кривые, полученные после испытаний в вакууме, смещаются в сторону больших долговечностей, а предел усталости и критическое напряжение ок в обеих средах одинаковы.

Обращает на себя внимание тот факт, что для всех исследованных сплавов влияние вакуума на долговечность в малоцикловой области значительно меньше, чем в области напряжений ниже ок.

Для объяснения закономерностей развития усталостного разрушения представляло интерес изучение характера макро- и микроразрушения образцов, деформированных при разных циклических напряжениях. Установлено, что для изломов всех сплавов характерно образование трех макроскопических зон разрушения (рис. 2): зоны стабильного роста усталостной трещины (ls), зоны ее ускоренного роста (ld) и зоны статического долома (lr). Зона lз отличается от зоны ld более мелкодисперсным строением. Эти зоны наблюдаются в образцах, деформированных как на воздухе, так и в вакууме. Образцы, испытанные в вакууме, отличаются от деформированных на воздухе более мелкодисперсной структурой усталостной зоны ls, особенно при деформировании в многоцикловой области. Измерения длины зон показали, что при низких амплитудах напряжения зоны ls и ld и, следовательно, полная усталостная зона lf = ls + ld сохраняются при повышении амплитуды напряжений вплоть до ок. При этом форма зоны ls меняется от выпуклой (рис. 2, а) к серпообразной (рис. 2, б). Это свидетельствует о переходе от одноочагового разрушения к многоочаговому при возрастании напряжений в многоцикловой области.

С повышением напряжения в малоцикловой области (о>oк) усталостные зоны ls и lf уменьшаются. Усталостная зона lf во всех случаях расположена в плоскости нормальных напряжений, а зона долома lr — в плоскости касательных напряжений. Описанные черты макроструктуры изломов относятся к образцам, деформированным в обеих средах.


Обращает на себя внимание тот факт, что вакуум не влияет на длину зон ls и ld во всех исследованных сплавах, кроме того, вакуумная среда не изменяет величины предела усталости (рис. 1). Отсюда можно заключить, что критическая величина зародышевой усталостной трещины, необходимая для ее дальнейшего роста, не меняется под влиянием среды.

Электронно-фрактографическое исследование показало, что для зон ls и ld образцов всех сплавов, деформированных в низкоамплитудной области в обеих средах, характерны фасетки скола с ручьистыми структурами (рис. 3, а), свидетельствующие о внутризеренном хрупком разрушении. В зоне ld иногда встречаются участки с неясно выраженными ямками. В высокоамплитудной области во всех усталостных зонах наряду с внутризеренными сколами встречается большое количество участков межзеренного разрушения (рис. 3, б).

Для сплава МА12 в малоцикловой области межзеренное разрушение преимущественное. В зоне долома lr во всей области исследованных напряжений наблюдаются в основном участки расслоений и ямок (рис. 3, в), являющихся результатом вязкого разрушения. При деформировании сплавов в вакууме микростроение изломов аналогично описанному для атмосферных условий. Отличие наблюдается лишь в переходной зоне ld всех сплавов, где количество участков вязкого разрушения несколько больше, чем на воздухе.

Тот факт, что рост усталостной трещины в исследованных магниевых сплавах в обеих средах происходит в плоскости нормальных напряжений путем хрупкого отрыва, дает основание предположить, что при этом соблюдается условие плоской деформации. В данном случае возможно оценить параметр циклической вязкости разрушения KIcц по методике. Для цилиндрического гладкого образца KIcц определяется по формуле

где ор — действующее максимальное брутто-напряжение цикла; li — критическая длина усталостной трещины.

Исследования, проведенные на ряде металлов и сплавов, показали, что соответствие между циклической вязкостью разрушения KIcц и статической KIcц наблюдается при подстановке в формулу для KIcц различных значений op и li. Исходя из того, что плоскодеформированное состояние сплава соблюдается в зоне lf, эта величина была выбрана в качестве критической длины усталостной трещины li при определении циклической вязкости разрушения.

На рис. 4 приведена зависимость KIcц от амплитуды приложенных напряжений для всех исследованных сплавов. Видно, что в низкоамплитудной области KIcц с повышением напряжений растет, а при о>ок изменяется незначительно для каждого сплава. При этом величина KIcц от среды не зависит. Отсутствие влияния вакуума на величину KIc было отмечено и на алюминиевом сплаве.

Известно, что величина вязкости разрушения KIcс, определенная при статическом деформировании для сплава MA15, равна 54—60 кгс/мм3, для сплава МА12 — 47 кгс/мм3. Сравнение полученных значений KIcц с этими данными показывает, что параметры KIcц и KIcc совпадают при значениях циклического напряжения ор=ок.

Выводы

1. Усталостные кривые O-N магниевых сплавов МА2-1, МА15 и МА12, полученные после деформирования на воздухе и в вакууме, состоят из трех участков: горизонтального, свидетельствующего о наличии физического предела усталости, и участков, меняющих наклон к оси долговечности при некотором критическом напряжении.

2. Из исследованных сплавов самые высокие значения предела усталости и долговечности в обеих средах имеет сплав МА2-1. Наиболее низкие усталостные характеристики у сплава МА12.

3. Переход низкоамплитудной области напряжений к высокоамплитудной характеризуется изменением макростроения изломов и микромеханизма разрушений: переходом внутризеренного хрупкого разрушения в межзеренное.

4. Циклическая вязкость разрушения магниевых сплавов, совпадающая с вязкостью разрушения при статическом деформировании, может быть определена из соотношения

где ок — амплитуда напряжения, соответствующая переходу низкоамплитудной области в высокоамплитудную, lf — глубина полной усталостной зоны, определенная из фрактографических данных.

5. Вакуумная среда при циклическом нагружении исследованных сплавов приводит к возрастанию долговечности, но не влияет на предел усталости, на критическое напряжение ок и на величину циклической вязкости разрушения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна