CC BY
154
УДК 621.357:669.715
В. Н. Малышев
ОЦЕНКА УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МИКРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКОЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Проведенные исследования влияния микродуговой обработки алюминиевых сплавов на их механические характеристики показали существенное повышение прочностных характеристик (в первую очередь модуля упругости) в области упругого деформирования. Результаты статических и динамических тестов подтвердили эффект упрочнения алюминиевых сплавов МДО-обработкой.
Введение
Оценка физико-механических свойств покрытий, сформированных микродуговым оксидированием, является необходимым и важным этапом исследования их характеристик, т.к. физико-механические свойства материала являются, как правило, определяющими при выборе его для тех или иных условий эксплуатации. В частности для оценки износостойкости и других триботехнических характеристик знание уровня физико-механических свойств покрытий позволяет, используя существующие зависимости между физико-механическими свойствами и износостойкостью [1, 2], прогнозировать работоспособность трущегося сопряжения в зависимости от внешних условий нагружения.
При микродуговом оксидировании (МДО) происходят сложные процессы окисления поверхностного слоя металла с образованием плотного, прочного покрытия. Высокий уровень механических свойств формирующихся покрытий в первую очередь обусловлен образованием в процессе МДО высокотемпературной модификации окиси алюминия а -А1203.
Изучение основных физико-механических характеристик МДО-покрытий (модуля упругости, пределов прочности и текучести, степени пористости и рыхлости и т.д.) с использованием обычных методов определения этих характеристик осложняется тем, что выделение в чистом виде участка покрытия в объеме, достаточном для проведения механических испытаний традиционными методами на растяжение или сжатие хотя бы на микрообразцах, является исключительно трудной задачей. С другой стороны, свойства покрытия, отделенного от подложки, в особенности его прочностные характеристики, будут значительно отличаться от свойств, определенных в условиях, когда покрытие с подложкой составляют единое целое.
В связи с этим основная оценка физико-механических характеристик покрытий, сформированных методом МДО, была осуществлена ранее методом кинетической микротвердости [3, 4].
Тем не менее испытания алюминиевых сплавов со сформированным на их поверхности МДО-покрытием традиционным способом на статический разрыв образцов позволяют получить информацию о степени упрочнения материала и проследить кинетику изменения механических характеристик от прикладываемого разрывного усилия.
Цель исследования. Оценить эффект упрочнения алюминиевых сплавов, обработанных методом микродугового оксидирования, используя традиционные методы испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и т.п.
Материалы и методика эксперимента. Исследования проводили на сплавах алюминия Д16, Д16АТ и АМг6 [5-8]. Плоские образцы стандартной формы (рис. 1) вырезались из листов толщиной 3 и 1,5 мм соответственно. Анодно-катодную обработку микродуговым методом проводили на конденсаторном источнике питания в слабощелочном электролите при плотности анодного тока = 10 А/дм2 и соотношении Ik/Ia = 0,95. При этом получали несколько серий образцов (по 6-7 образцов в каждой серии), отличающихся по толщине сформированного покрытия. Кроме того, для выявления характера влияния покрытия на прочностные характеристики алюминиевых сплавов часть образцов покрывали наполовину рабочей длины l.
А
< / \< н —►
i 1 з 1 Г < >- — < .а <■ >
v; —
А L
< ■*. ► L ►
Размеры АМг6 Д16Т Д16АТ
b0, мм 3 3 20
l0, мм 45 60 150
A, мм 60 75 210
B, мм 15 15 75
L, мм 75 90 250
Рис. 1 Вид и размеры образцов стандартной формы для испытаний на статическое растяжение (АМг6, Д16Т) и циклическое растяжение-сжатие (Д16АТ)
Испытания при статических нагрузках осуществляли растяжением образцов на установке ИМАШ «АЛА-ТОО» при скорости нагружения 4 мм/мин и постоянной нагрузке. Запись диаграмм растяжения проводили на двухкоординатном самописце Н306.
Для динамических испытаний использовали образцы, вырезанные из алюминиевого сплава Д16АТ по размерам, указанным на рисунке 1, с последующей обработкой методом МДО и симметричным нагружением их растяжением-сжатием. Для сравнения результатов испытаний использовали такие же образцы без обработки МДО, но с концентраторами напряжений в виде отверстий под болтовые соединения, а также при наличии фреттинг-коррозии.
Результаты и их обсуждение. На рисунке 2 приведены типичные диаграммы растяжения образцов, а на рисунке 3 - характерные кривые зависи-
мости напряжения а от относительной деформации є, построенные по диаграммам растяжения. Обработка результатов испытаний показала, что влияние МДО-покрытия на прочностные характеристики алюминиевых сплавов проявляется двояко. В таблице 1 приведены основные механические характеристики алюминиевых сплавов, упрочненных методом МДО, в сравнении с неупрочненными.
Р
--------► /
Рис. 2 Типичная диаграмма растяжения образцов с МДО-покрытием
Рис. 3 Характерные кривые напряжение-деформация для алюминиевых сплавов с МДО-покрытием: 1 - образцы с покрытием толщиной 240 мкм; 2 - образцы с покрытием толщиной 240 мкм, сформированным на половине рабочей длины образцов; 3 - образцы с покрытием толщиной 120 мкм;
4 - образцы неупрочненного сплава алюминия
В области упругого деформирования наблюдается эффект упрочнения. Здесь модуль Юнга возрастает до значений Е = 110-220 ГПа (относительно исходного модуля упругости алюминиевых сплавов Е = 65-71 ГПа) и приближается к модулю упругости самого материала покрытия (Е = 120-290 ГПа), определенного из испытаний по методу кинетической микротвердости [4].
134
Таблица 1
Механические характеристики алюминиевых сплавов, упрочненных методом МДО, при статическом испытании растяжением
№ п/п Характеристика образцов Исходные данные Механические характеристики
ао, мм Ьо, мм /о, мм г-1 2 Го, мм а !>• МПа (Уу, МПа С^т, МПа Е, ГПа 8, %
1 Упрочнение МДО на толщину X = 240 мкм на длину 1 АМгб 1,46 3,41 33,6 5,01 193,8 117,8 125,7 229 11,8
Д16Т 3,3 3,3 45,0 10,9 399 297 329 112 8,84
2 Упрочнение МДО на толщину X = 240 мкм на длину 1/2 АМгб 1,45 3,23 35,9 4,74 201,1 117,5 126,5 120 8,9
Д16Т 3,3 3,3 45,0 10,9 413 306 336 89 7,85
3 Упрочнение МДО на толщину X — 120 мкм на длину / АМгб 1,40 3,3 33,6 4,55 237,7 140 146,6 212 14,5
Д16Т 3,2 3,2 45,0 10,3 379 279 303 100 10,6
4 Неупрочненные сплавы АМгб 1,3 3,23 34,1 4,18 305,4 142,1 157,9 62,6 17,2
Д16Т 3,15 3,2 45,0 10,1 455 322 374 65,7 9,7
Известия высших учебных заведений.
Материал упрочненного слоя начинает разрушаться в зоне между пределами упругости (сту или ап) и текучести (ат или Стог). Затем нагрузка прикладывается к основному материалу. При этом сопротивление материала уменьшается. Характерно, что упрочняющий эффект имеет место до появления первой трещины, которая отмечается в области предела упругости (рис. 4). Визуальное наблюдение в микроскоп в процессе растяжения образцов позволяло фиксировать момент образования первых трещин. После нарушения сплошности покрытия наблюдается повышенная, по сравнению с исходным материалом, пластическая деформация.
Рис. 4 Характерный вид первой трещины, появляющейся при деформации растяжением МДО-покрытий в диапазоне нагрузок выше области упругости
Как и следовало ожидать, поведение образцов, обработанных наполовину рабочей длины, при растяжении имеет нестабильный характер. Разрушение их происходило чаще по границе обработанной и необработанной поверхностей, однако наблюдались разрушения и в других сечениях. Поэтому сечение по границе обработанной и необработанной поверхностей однозначно нельзя считать концентратором напряжений.
Повышение модуля Юнга для образцов с покрытием сопровождается некоторым снижением их предела упругости, однако это не должно препятствовать применению этих покрытий в конструкциях, испытывающих растяжение, изгиб, сжатие и т.п., поскольку напряжения, возникающие в процессе их работы, значительно ниже предела упругости.
Расположение кривых в области пластического деформирования (рис. 3) явно указывает на разупрочнение алюминиевого сплава, тем большее, чем большей толщины сформировано покрытие. Это объясняется, очевидно, тем, что с ростом толщины уменьшается площадь поперечного сечения алюминиевого сплава, поскольку покрытие при микродуговом оксидировании на
60-90% формируется в глубь материала. При разрушении покрытия и нарушении его сплошности оно уже не оказывает сопротивления деформации растяжения. Аналогичные результаты были получены авторами [9] и на более крупных образцах, при других нагрузках, что подтверждает отсутствие проявления масштабного эффекта. Влияние МДО-обработки сказывается и на пластических характеристиках алюминиевых сплавов, а именно на относительном удлинении 8, которое уменьшается с ростом толщины покрытия.
При проведении усталостных испытаний образцов с покрытиями, сформированными на сплаве Д16АТ, в условиях симметричного нагружения растяжением-сжатием (при изгибе с защемленным концом) получены данные (рис. 5), показывающие повышение пределов выносливости примерно на 20% относительно образцов с концентраторами напряжений (отверстия под болтовое соединение) и при наличии фреттинг-коррозии, и примерно на такую же величину понижение относительно исходных образцов, но без концентраторов напряжений. То есть микродуговая обработка, даже при некотором уменьшении сечения образца, что является, по-видимому, одной из причин более низкой усталостной прочности, в отличие от необработанных образцов, обеспечивает повышение прочности при циклических нагрузках, по сравнению с образцами, имеющими концентраторы напряжений.
сттах, МПа
290
260
230
200
170
140
110
104 105 106 М, циклы 10'
Рис. 5 Кривые усталости при растяжении-сжатии с коэффициентом асимметрии цикла Я = 0: 1 - исходного сплава Д16АТ; 2 - сплава Д16АТ при наличии фреттинг-коррозии; 3 - сплава Д16АТ, упрочненного методом МДО
Заключение
Таким образом, наличие эффекта упрочнения алюминиевых сплавов
при их обработке микродуговым оксидированием позволяет использовать
метод анодно-катодного МДО как эффективное средство упрочнения различных изделий из алюминиевых сплавов.
Список литературы
1. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский,
B. С. Камбалов, М. Н. Добычин. - М. : Машиностроение, 1980. - 450 с.
2. Сорокин, Г. М. Аналитические критерии оценки износостойкости материалов / Г. М. Сорокин // Заводская лаборатория. - 1994. - № 9. - С. 42-48.
3. Булычев, С. И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора /
C. И. Булычев, В. П. Алехин. - М. : Машиностроение, 1990. - 224 с.
4. Малышев, В. Н. Физико-механические характеристики и износостойкость покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования / В. Н. Малышев, С. И. Булычев, Г. А. Марков [и др.] // Физика и химия обработки материалов. -1985. - № 1. - С. 82-87.
5. Малышев, В. Н. Влияние анодно-катодной микродуговой обработки на механические характеристики алюминиевых сплавов / В. Н. Малышев, Н. В. Малышева // Анод-88 : тезисы докл. научно-технического семинара. - Казань, 1988. -С. 88-89.
6. Малышев, В. Н. Исследование структуры и износостойкости покрытий, формируемых методом анодно-катодного микродугового оксидирования / В. Н. Малышев // Анод-88 : тезисы докл. научно-технического семинара. - Казань, 1988. -С. 82-83.
7. Малышев, В. Н. Упрочнение деталей узлов трения формированием покрытий анодно-катодным микродуговым методом / В. Н. Малышев, М. В. Голуб, В. И. Струнец // Проблемы современной триботехнологии : тезисы докл. ВНТК. -Николаев, 1988. - С. 16-17.
8. Малышев, В. Н. Повышение долговечности соединений при циклических нагрузках / В. Н. Малышев, В. И. Драган // Тез. докл. научно-технической конференции БрПИ. - Брест, 1991. - С. 36.
9. Александров, В. С. Влияние поверхностной обработки сплава Д16 методом микродугового оксидирования на его прочностные характеристики при статическом нагружении / В. С. Александров, А. Г. Кан, Н. Абдельбаки, В. А. Федоров // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1988. - № 9. - С. 27-28.
