книги из ГПНТБ / Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях

и скорость выделения продуктов распада по границам зерен выше, чем по объему зерна, было проведено исследование влияния режи­ мов искусственного старения на разрушение деформированного сплава системы AI—Си—-Mg—Fe—Ni.

Влияние режимов искусственного старения на протекание пластической деформации и работу разрушения изучалось на сплаве АК4-1 стандартного состава при температурах 20 и 300° С. Сплав закаливали с температуры 535 + 5° С в воду и подвергали старению по различным режимам.

Для исследования были выбраны следующие режимы старения: 1) при 185° С в течение 10 час — стандартный режим старения, обеспечивающий высокие значения предела прочности и относитель­

ного удлинения сплава; 2) при 200° С в течение 20 час — высокотемпературный ре­

жим старения, обеспечивающий максимальные значения предела

начальной стадией перестаривания сплава при сохранении до­ статочно высоких прочностных характеристик и длительной прочности.

Механические свойства и длительная прочность сплава АК4-1 после старения по вышеуказанным режимам приведены в табл. 21.

Исследование характера разрушения сплава АК4-1, состарен­ ного по вышеуказанным режимам, показало, что характер раз­ рушения сплавов одинаков. Зарождение трещин происходит в грубых полосах скольжения при степенях деформации, близких к разрушению (рис. 91). Избыточные частицы фазы Al9 FeNi бло­ кируют распространение грубых полос скольжения и тормозят раз­ витие трещин. Разрушение носит транскристаллический характер.

Данные по определению разрушающего напряжения и работы разрушения сплава после старения по различным режимам при­ ведены в табл. 22.

110

Итак при комнатной температуре уже начальная стадия перестаривания сплава АК4-1 приводит к резкому падению разру­ шающего напряжения и работы разрушения. При температуре 300° С минимальные значения разрушающего напряжения по­ лучены для режима старения 185° С, 10 час.

Таким образом, показано, что с помощью испытания образцов при активном растяжении на установке типа ИМАШ-5С при за­ медленных скоростях деформирования можно оценить работо­ способность сплава после старения по различным режимам как при комнатной, так и при повышенных температурах, причем незначительные отклонения в режиме старения, не приводящие к заметному изменению механических свойств сплава, могут

В выпускаемых промышленностью деформированных полуфабри­

Структурно-энергетическая теория, развиваемая В. С. Ивано­ вой [119], предполагает, что чем больше однородность распреде­ ления локальных объемов, в которых запасается или выделя­ ется подводимая при деформировании энергия, тем выше энерго­ емкость металла и, следовательно, тем лучше металл сопротив­ ляется разрушению.

С помощью установки ИМАШ-5С-65 оценивалось влияние величины зерна на протекание пластической деформации, за­ рождение и развитие трещин и изменение структуры при рас­

8* 111

состоянии пересыщенный твердый раствор. Полученные данные были проверены на реальных сплавах АМгб и Д16, выплавлен­ ных в заводских условиях. Исследование влияния величины зерна на колебания локальной деформации в чистом алюминии проводили на алюминии марки А99. Сравнивали образцы литого алюминия с величиной зерна 0,5 и 5 мм.

Растяжение в условиях комнатной и повышенных температур со скоростью 2'10~6 місек показало значительную разницу в ло­ кальной деформации образцов с крупным и мелким исходным зерном (табл. 23), причем с повышением температуры разница не только сохраняется, но и увеличивается.

В литом сплаве AI—9,5% Mg и деформированных сплавах АМгб (отожженном) и Д16 (закаленном и искуственно состарен­ ном) исследования влияния величины зерна на колебания локаль­ ной деформации проводились при комнатной температуре.

На предварительно электрополированных и протравленных образцах выбирали участки с ярко выраженной разнозернистостью, на которых уколами алмазной пирамиды наносили реперные линии через 20 мкм. Характерные примеры изменения ед о к приведены на рис. 92, где наглядно видно, что даже в деформи­ рованных сплавах в участках с крупным зерном разброс значе­ ний ел о к значительно выше, чем в участках с мелким зерном. Следовательно, увеличение размера зерна в сплаве, а также разнозернистость увеличивают вероятность образования микро­ трещин.

Анализ работы разрушения на примере образцов литого сплава AI—9,5 % Mg, вырезанных из различных участков слитка,

112

Mg следует ожидать, что зоны слитка с различным зерном будут деформироваться различно, и это может оказывать влияние на механические свойства полуфабрикатов.

Для проверки этого предположения проводили исследования на сплаве АМгб (AI—6 %, Mg—0,7% Мп), представляющем в ос­ новном твердый раствор магния и марганца в алюминии. От плос­ ких слитков размером 228х 1380x370 мм, отлитых по принятой на металлургическом заводе технологии, были отобраны попереч­

114

На рис. 94 показано изменение величины зерен донной, сред­ ней и литниковой части в центральной и периферийной зонах слитка одной из серийных плавок. Аналогичные данные получены при измерении величины зерен по ширине и высоте слитков дру­ гих плавок (всего проверено 10 плавок).

Анализ приведенных данных свидетельствует, что величина зерна в поперечном сечении слитка меняется более чем в 4 раза, причем можно заметить одну и ту же закономерность: в слитках

и крупным зерном, отобранных от средней части слитков в соот­ ветствии со схемой рис. 93, были вырезаны пластины размером 300x120x30 мм для прокатки. Прокатку вели во всех случаях (до каждой исследуемой степени деформации) за один нагрев. Пластины нагревали в электропечи до температуры 460° С, время выдержки в печи —3 час. За каждый проход через валки давали 1 мм обжатия. Прокатку проводили до заданной степени дефор­ мации по одной пластине с исходным крупным и мелким зерном. Из прокатанных пластин с различной исходной величиной зерна изготавливали образцы для испытания механических свойств. На каждую точку испытывалось не менее 5—7 образцов.

Изменения механических свойств сплава в зависимости от сте­ пени деформации приведены на рис. 96, а зависимость изменения величины зерна в сплаве при прокатке — на рис. 97. Резуль­ таты замеров изменения величины зерен при различных

Рис.;96. Изменение механических свойств сплава АМгб в зависимости от сте­ пени деформации

1 — мелкое зерно; 2 — крупное зерно

Рис. 97. Изменение величины зерна в сплаве АМгб в зависимости от степени деформации

I — мелкое зерно; 2 — крупное зерно

степенях деформации свидетельствуют, что у пластин с исход­ ным крупным и исходным мелким зерном выравнивание величины зерен после прокатки не наблюдается даже п р и е с р = 8 2 % (рис. 97). Прочностные и пластические свойства пластин с мелким исход­ ным зерном, начиная с самых малых и кончая самыми большими исследованными степенями деформации, значительно выше, чем у пластин с крупным исходным зерном. Следовательно, наличие в структуре исходного слитка из сплава АМгб разнозернистости приводит к неоднородности механических свойств в горячеката­ ных полуфабрикатах (хотя образования трещин при прокатке

при горячей прокатке аналогичные исследования были проведены на промышленных слитках сплава Д16, который обладает мень­

вание поверхностных микротрещин. Указанные микротрещины, развиваясь, приводили к образованию рваных кромок у про­ катанных листов (рис. 98). На снимках отражена значительно более низкая технологичность пластин с крупным зерном. Таким образом, исследования чистого алюминия и литого сплава AI— 9,5% Mg показали, что металл с крупнозернистой структурой характеризуется большей неоднородностью протекания пластиче­ ской деформации и меньшей работой разрушения, чем металл с мелкозернистой структурой при горячей деформации высоко­ пластичного сплава (АМгб). Указанные отличия в поведении мелкозернистой и крупнозернистой структур приводят к неравно­ мерности механических свойств, которые сохраняются до самых больших исследованных степеней пластической деформации. При горячей деформации сплава с более низкими пластическими свойствами (Д16) наличие крупнозернистой структуры облегчает образование трещин. Необходимо отметить, что в промышленных сплавах образованию трещин также способствует и сегрегация примесей по границам зерен. Действие последнего фактора воз­ растает с увеличением величины зерна.

Продольные трещины

вгорячедеформированных полуфабрикатах

Визломах горячедеформированных полуфабрикатов из высоко­

легированных алюминиевых сплавов (АК6, АК8, АМгб, В92, В93 и др.) часто наблюдаются площадки вытянутой формы, имею­ щие либо блестящую, либо светлую матовую поверхность и раз­ меры до нескольких десятков квадратных миллиметров. Проведен­

ие

ные исследования показали, что причиной появления площадок являются внутренние трещины, ориентированные строго вдоль волокна, далее называемые продольными трещинами. Их выход на поверхностях макрошлифа в штамповке показан на рис. 99.

Продольные трещины резко снижают механические свойства металла в направлении поперек волокна, практически не снижая их в направлении вдоль волокна (табл. 24). В практике продоль­ ные трещины называют расслоениями, окисными пленами и др. Термин «расслоение» недостаточно четко характеризует описывае­ мый дефект, так как, согласно принятому определению [120], для расслоения характерно наличие внутри металла одного или ряда дефектных мест, указывающих на нарушение цельности металла до его деформации. Проведенные же нами исследования таких начальных нарушений не обнаружили [140]. Причинами, вызывающими образование указанных дефектов в алюминиевых сплавах, могут быть, по литературным данным, наличие окисных плен и присутствие водорода [121, 122].

Проведенные нами исследования поверхности трещин мето­ дами электронной микроскопии, электронографии и рентгеиострукгурного анализа не обнаружили присутствия более толстой окисной плены, чем обычная защитная плена. Кроме того, на­ блюдаемое в поковках увеличение количества трещин с ростом степени укова [124] не может быть объяснено наличием в металле окисных плен, а указывает на деформационный характер разви­ тия дефектов. Вторая точка зрения основывается на ряде экспери­ ментальных данных [122], которые подтверждают, что при боль­ шом содержании водорода в сплавах наблюдается возрастание количества продольных трещин.

Однако в высокопрочных алюминиевых сплавах наблюдалось (на примере сплава АМгб: AI—6% Mg—0,7% Мп с добавкой

продольных трещин. При уменьшении толщины проката (е=75— 95%) количество трещин продолжает возрастать, а затем при е = = 95—97,5% уменьшается (табл. 25)

117

Кроме того, статистический подсчет величины продольных тре­ щин в зависимости от степени деформации металла, начиная от 50 % деформации, показал, что трещины в процессе дальнейшей про­ катки уменьшаются в размерах и в горячекатаных листах тол­ щиной 5—6 мм при деформации 97% происходит практически полное залечивание трещин.

Для того чтобы трещина, возникшая в металле, распространи­ лась в окружающую матрицу, необходима повышенная концентра­ ция упругих напряжений в зоне металла вокруг этой трещины.

Известно, что внутренние напряжения, вызывающие распростра­ нение трещин, понижают компактность атомной решетки и, следо­ вательно, уменьшается плотность металла. Проведенные нами

нях деформации 50—75% она резко возрастает, что свидетель­ ствует об интенсивном снятии внутренних напряжений.

При горячей деформации снятие внутренних напряжений может происходить тремя путями: рекристаллизацией, пластической деформацией без разрушения сплошности деформируемого тела

118

и разделением тела на части, т. е. путем образования трещин [125, 126]. Вышеприведенные данные подтверждают, что про­ дольные трещины в металле возникают в том же интервале степе­ ней деформации (50—75%), при которых происходит снятие внутренних напряжений, следовательно, релаксация внутренних напряжений при горячей прокатке происходит в определенной степени и за счет образования внутренних трещин.

Накоплению внутренней энергии и росту внутренних напряже­ ний в прокате, особенно из высоколегированных алюминиевых спла­ вов, до степеней деформации 50—60% способствуют неоднород­ ность величины литого зерна и пониженная пластичность ли­ того металла при повышенных температурах. Местами максималь­ ной концентрации внутренних напряжений будут границы областей металла с различной величиной зерна, так как в этих местах будет наибольшим градиент скоростей течения металла. Существо­ вание указанных областей и их сохранение до больших степеней деформации были показаны выше. Трещины, возникшие в этих зонах, преимущественно проходят по границам зерен (так как горячая деформация прокатанных сплавов происходит при темпе­ ратурах выше эквикогезивной, то энергетически выгоднее интер­ кристаллическое разрушение) и переходят с одной границы на другую параллельную границу (рис. 101). Действительно, про­ дольные трещины, имеющие в изломе матовую поверхность (ин­ теркристаллическое распространение трещины, образовавшей не­ сплошность), встречаются чаще и имеют большую площадь, чем продольные трещины с блестящими изломом (транскристалличе­ ское разрушение). Механизм образования трещин в других видах горячедеформированных полуфабрикатов принципиально не дол­ жен отличаться от механизма образования трещин в прокате. В горячедеформированном металле при любой схеме деформации зоны максимальной концентрации внутренних напряжений будут возникать параллельно направлению волокна.

Таким образом, одной из причин образования продольных трещин в горячедеформированных высоколегированных алюми­ ниевых сплавах является концентрация внутренних напряжений в зонах наибольших градиентов скоростей течения металла.

с низкой пластичностью сплавов), поэтому часть внутренней энергии релаксируется за счет образования трещин. Однако для образова­ ния продольной трещины в металле должна существовать зароды­ шевая микротрещина, которая под действием внутренних напряже­ ний может развиться в продольную трещину, причем чем меньше размер зародышевой микротрещины, тем больший уровень внутрен­ них напряжений требуется для инициирования ее развития. По­ этому наиболее опасными являются зародышевые трещины круп­ ных размеров, существующие в исходном металле. Как было показано выше, в промышленных алюминиевых сплавах истоЧ-

119