ИСПЫТАНИЯ. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 669.715
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-4-81-84
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОВАНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА 1933Т3
Валерий Владимирович Захаров, докт. техн. наук, Евгений Иванович Швечков, докт. техн. наук
ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», Москва, Россия,
e-mail: [email protected]
Аннотация. Проведены испытания трех промышленных партий массивных поковок из сплава 1933Т3 на циклическую и статическую трещиностойкость. Выявлена небольшая по сравнению с прессованными полуфабрикатами из сплава В95очТ2 анизотропия характеристик трещиностойкости. В отличие от прессованных полуфабрикатов, обладающих ярко выраженной металлографической и кристаллографической текстурой, поковки, получаемые ковкой с несколькими осадками со сменой оси, такой текстуры не имеют. Одна промышленная партия поковок заметно отличается от двух других пониженными значениями характеристик трещиностойкости.
Ключевые слова: поковки; алюминиевый сплав 1933Т3; циклическая и статическая трещиностойкость; анизотропия
Characteristics of Crack Resistance of Open Forged Semis Made of 1933T3 Alloy. Dr. of Sci. (Eng.) Valery V. Zakharov, Dr. of Sci. (Eng.) Evgeny I. Shvechkov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. Three industrial lots of massive forgings made of alloy 1933T3 were tested for cyclic and static crack resistance. А lower anisotropy of crack resistance characteristics was revealed in comparison with extruded semis made of alloy B95ochT2. Unlike extruded semis, which have a strongly-pronounced metallographic and crystallographic texture, the forgings made by the several-upsets open forging with a change of axis do not have such a texture. One industrial lot of open forgings differs noticeably from the other two by lower values of crack resistance characteristics.
Keywords: open forgings; aluminum alloy 1933T3; cyclic and static crack resistance; anisotropy
Разрушению конструкций предшествует появление и развитие усталостной трещины. Поэтому информация о ее движении (направление и скорость распространения) имеет важное практическое значение. При условии изотропности свойств материала конструкции трещина движется под действием внешних усилий (напряжений), определяющих направление и скорость продвижения. Если же материал не изотропен, то движение трещины зависит от двух факторов - поля напряжений, действующего на трещину, и анизотропии механических свойств.
Последний фактор оказывает сильное влияние на направление распространения трещины.
В работе [1] было показано, что в массивных прессованных профилях из алюминиевого сплава В95очТ2 скорость распространения усталостной трещины зависит от направления ее движения. В продольном направлении (направление прессования) трещина продвигается значительно быстрее, чем в поперечном, поскольку сопротивление движению трещины в поперечном направлении заметно больше. Упомянутая закономерность в движении тре-
щины в прессованном профиле обусловлена его структурой.
Структура прессованных профилей из сплава В95очТ2 нерекристаллизованная. Нерекристал-лизованные зерна - волокна вытянуты в направлении прессования, а частицы избыточных фаз расположены в виде цепочек, которые также выстроены в направлении прессования. Такая ориентированная структура (металлографическая текстура) формируется в профилях в направлении прессования. Вместе с металлографической текстурой в прессованных профилях присутствует кристаллографическая текстура, которая также формируется в процессе прессования. Зерна, хаотично ориентированные в слитке, во время деформации постепенно поворачиваются таким образом, чтобы кристаллографические направления легкого скольжения зерен постепенно сближались с направлением главной деформации, т.е. с направлением прессования. С увеличением степени деформации все большее количество зерен втягивается в этот процесс, а направление легкого скольжения зерен все больше сближается с направлением прессования. Текстура становится все более совершенной. Наличие в прессованных профилях металлографической и кристаллографической текстуры обусловливает анизотропию механических свойств, в том числе характеристик трещиностойкости.
Горячепрессованные и термически упрочненные полуфабрикаты из высокопрочных алюминиевых сплавов типа Д16, В95, 1973, В96 в большинстве случаев имеют нерекристалли-зованную зеренную структуру с присутствием металлографической и кристаллографической текстуры и, как следствие, обладают анизотропией механических свойств, характеристик трещи ностой кости. Анизотропия циклической трещиностойкости при малых значениях ДК (15-20 МПаТм ) практически отсутствует. Сопротивление движению усталостной трещины в направлениях Д-П и П-Д одинаковое и трещина движется в обоих направлениях с одинаковой скоростью. При увеличении значений ДК (25-30 МПал/М) скорость движения усталостной трещины возрастает как в направлении Д-П, так и в направлении П-Д. Однако в направлении Д-П скорость возрастает в несколько раз, а в направлении П-Д на два порядка. Сопротивление движению трещины при высоких значениях ДК
в поперечном направлении значительно больше, чем в продольном. В продольном направлении трещина продвигается по продольным границам волокон зерен, избыточных фаз, находящихся на этих границах, по вытянутым цепочкам избыточных фаз. При этом трещина движется в благоприятно ориентированной алюминиевой матрице - в направлении легкого скольжения. При движении в поперечном направлении трещине приходится пересекать продольные границы зерен, цепочки частиц избыточных фаз и двигаться в неблагоприятном кристаллографическом направлении алюминиевой матрицы. При малых скоростях различие в направлении распространения трещины не влияет на сопротивление ее движению, а при высоких скоростях движения оказывает сильное влияние.
Однако такое явление наблюдается для прессованных полуфабрикатов, обладающих сильной металлографической и кристаллографической текстурой. Другие виды полуфабрикатов, например, поковки, полученные всесторонней ковкой (с несколькими осадками со сменой оси), обладают слабой текстурой. Смена оси осадки, направления пластической деформации в процессе ковки не дает возможности сформироваться текстуре, и материал этих полуфабрикатов не обладает такой сильной анизотропией.
В настоящей статье представлены результаты испытаний поковок из алюминиевого сплава 1933Т3 трех промышленных партий.
Использованный материал
и методика исследований
Исследовали три партии поковок из сплава 1933Т3. В каждой из них определяли скорость роста усталостных трещин (СРТУ) и вязкость разрушений (К1с). Испытания проводили с использованием образцов на внецентренное растяжение (тип ВР) [2, 3], имеющих меньшие габариты по сравнению с образцами с центральным надрезом (тип ЦНР), что дает несомненные преимущества при исследовании трещиностойкости массивных полуфабрикатов (плит, поковок, профилей с толстой полкой). В каждой из трех партий определяли значения СРТУ и К1с в двух направлениях (продольном и поперечном, П-Д и Д-П).
Испытания на СРТУ проводили по стандарту [2] на сервогидравлической машине ПСА-10.
Нагружение осуществляли по синусоидальному циклу с коэффициентом асимметрии R = 0,1 и частотой ( = 5,0 Гц. За развитием усталостной трещины наблюдали визуально с использованием дополнительного освещения. Образец предварительно полировали и размечали с нанесением реперных точек (вначале через 1,00, а затем 2,00 мм). Использовали компактные образцы типа ВР с размерами в плане 125 х 120 мм и толщиной 8,0 мм. Экспериментальные данные обрабатывали на ЭВМ, используя полиномиальный метод по семи точкам (определяли значение СРТУ при амплитудах коэффициента интенсивности напряжений, равных 15, 20, 25, 30, 31,2 МПа ^м ).
Испытания на вязкость разрушения проводили в соответствии с требованиями [3] на той же испытательной машине, что и СРТУ кроме того, оснащенной автономным диаграммным аппаратом для записи диаграмм «нагрузка - смещение». Испытывали стандартные компактные образцы с краевой трещиной на вне-центренное растяжение с толщиной 30,0 мм, обеспечивающей корректное определение ^^ Испытывали три образца на точку со скоростью статического нагружения 1,0 МПаТм /с. Величину коэффициента интенсивности напряжений вычисляли по формуле стандарта [3].
Результаты исследования и их обсуждение
В таблице представлены результаты испытаний поковок из сплава 1933Т3 трех промышленных партий на циклическую и статическую трещиностойкость.
Из таблицы видно, что поковки обладают меньшей анизотропией характеристик трещи-ностойкости по сравнению с прессованными полуфабрикатами [1]. Особенно хорошо это видно на примере поковок партий 1 и 2. Скорость распространения трещины da/dN, вязкость разрушения K1с в направлениях Д-П и П-Д не разнятся так сильно, как в прессованных полуфабрикатах [1]. Заготовки были тщательно прокованы со сменой оси осадки и соответственно со сменой направлений главной деформации. В результате поковки получили большую физическую деформацию, достаточную для трансформации литой структуры
Циклическая и статическая трещиностойкость поковок из сплава 1933Т3 трех промышленных партий
Номер партии Ориентация образца da/dN, мм/кцикп, при разных значениях Д^ МПа-у/м ^с, МПал/м
15,0 20,0 25,0 30,0 31,2
1 Д-П 0,37 0,80 1,22 1,83 2,04 42,8
П-Д 0,42 0,94 1,62 2,89 3,41 37,7
2 Д-П 0,44 0,87 1,33 2,25 2,60 42,8
П-Д 0,41 0,78 1,47 2,63 3,01 38,0
3 Д-П 0,42 0,87 1,48 2,90 3,40 35,2
П-Д 0,46 0,91 1,63 >~5 >5 32,4
в деформированную. При нагреве под обработку на твердый раствор деформированная структура превращается в полигонизованную. Поковки сохраняют нерекристаллизованную структуру. Сплав 1933 благодаря присутствию малой добавки циркония и оптимальному соотношению содержания цинка и магния имеет высокую температуру рекристаллизации, а горячедеформированные полуфабрикаты из этого сплава сохраняют при нагреве под упрочняющую термическую обработку нерекристал-лизованную структуру. Однако в поковках нет сильной металлографической и кристаллографической текстуры. Поэтому материал поковок близок к изотропному (поковки партий 1 и 2).
Поковки партии 3 отличаются от поковок партий 1 и 2 более низкими значениями характеристик трещиностойкости и более сильной анизотропией свойств. Предположительно, если поковки партий 1 и 2 были получены всесторонней ковкой, используя 3 или 4 схемы ковки (ковка с 3 или 4 осадками с изменением оси осадки), то поковка партии 3 получена с меньшим числом осадок. Отсюда меньшая проработка структуры и большая ее ориентированность в направлении деформации.
Структура алюминиевых полуфабрикатов является важным фактором, определяющим характер движения трещины, и в некоторых случаях может оказывать более сильное влияние, чем поле внешних напряжений. На рисунке представлен характер разрушения испытанного
Испытанный на СРТУ образец поковки из сплава 1933Т3:
трещина после выхода из надреза образца меняет направление движения из неблагоприятного с высоким сопротивлением движению на продольное с малым сопротивлением движению
на СРТУ образца. Трещина, выходя из надреза образца, уходит из поля максимальных напряжений, резко меняя направление из неблагоприятного на благоприятное вдоль ориентированной по направлению деформации структуры. Хотя ориентация структуры в кованом полуфабрикате незначительная, но как видно, структурный фактор оказывается более сильным (определяющим) для движения трещины по сравнению с внешним полем напряжений.
Заключение
1. Испытаны поковки из сплава 1933Т3 трех промышленных партий на циклическую и статическую трещиностойкость. По сравнению с прессованными полуфабрикатами поковки обладают меньшей анизотропией характери-
стик трещиностойкости. Дано объяснение этому отличию.
2. Термически упрочненные полуфабрикаты - поковки из сплава 1933Т3 и прессованные профили из сплава В95Т2 имеют нере-кристаллизованную структуру. Но профили обладают ярко выраженной металлографической и кристаллографической текстурой из-за направленного течения металла при прессовании в отличие от поковок, не имеющих такой текстуры из-за изменения направления главной деформации при смене оси осадки в процессе производства поковок.
3. Поковки партии 3 отличаются от поковок партий 1 и 2 более низкими значениями характеристик трещиностойкости и повышенной анизотропией этих характеристик. Предположительно, поковка была изготовлена с мень-шым количеством осадок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Швечков Е.И., Захаров В.В. Анизотропия циклической и статической трещиностойкости массивных прессованных профилей из сплава В95Т2 // Технология легких сплавов. 2024. № 3. С. 49-53.
2. ОСТ1 92127-90. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной амплитудой нагрузки. М.: ВИЛС, 1980. 66 с.
3. ГОСТ 25.506-65. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. 61 с.
REFERENCES
1. Shvechkov Ye.I., Zakharov V.V. Anizotropiya tsikli-cheskoy i staticheskoy treshchinostoykosti mas-sivnykh pressovannykh profiley iz splava V95T2 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2024. № 3. S. 49-53.
2. OST1 92127-90. Metod opredeleniya skorosti rosta ustalostnoy treshchiny pri ispytanii s postoyannoy amplitudoy nagruzki. M.: VILS, 1980. 66 s.
3. GOST 25.506-65. Metody mekhanicheskikh ispy-taniy metallov. Opredeleniye kharakteristik treshchinostoykosti (vyazkosti razrusheniya) pri staticheskom nagruzhenii. M.: Gosudarstvennyy komitet SSSR po standartam, 1985. 61 s.