CC BY
4
ИСПЫТАНИЯ. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 620.19:669.715
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-3-49-53
ЦИКЛИЧЕСКАЯ И СТАТИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРЕССОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИЗ СПЛАВА В95очТ2
Евгений Иванович Швечков, докт. техн. наук, Валерий Владимирович Захаров, докт. техн. наук
ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. В статье представлены результаты испытаний прессованных полуфабрикатов из высокопрочного алюминиевого сплава В95очТ2 на скорость роста усталостной трещины (СРТУ) и вязкость разрушения при плоской деформации (К1с). Три партии профилей были изготовлены по существующей технологии на металлургическом заводе и там же испытаны на растяжение. Исследована трещи-ностойкость профилей в продольном и поперечном направлениях. Профили характеризуются заметной анизотропией характеристик циклической и статической трещиностойкости, обусловленной металлографической и кристаллографической текстурой, сформированной в процессе их прессования и термической обработки. Выявлены значительные отличия в величине и анизотропии характеристик трещи-ностойкости профилей разных партий. Установлена связь между значениями K1c и СРТУ в термически упрочненных профилях из сплава В95очТ2.
Ключевые слова: характеристики циклической и статической трещиностойкости; металлографическая и кристаллографическая текстура; анизотропия; прессованный профиль; сплав В95очТ2
Cyclic and Static Crack Resistance in Extruded Sections Made of B95ochT2 Alloy.
Dr. of Sci. (Eng.) Evgeny I. Shvechkov, Dr. of Sci. (Eng.) Valery V. Zakharov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. The article presents the results of tests of extruded semis made of V95ochT2 high-strength aluminum alloy for the fatigue crack growth rate (FCGR) and plane strain fracture toughness (K1c). Three lots of sections manufactured using the existing technology at a metallurgical plant were subjected to the tensile tests. The crack resistance of the sections in the longitudinal and transverse directions was investigated. The profiles demonstrated a noticeable anisotropy of the cyclic and static crack resistance characteristics caused by the metallographic and crystallographic texture obtained during their extrusion and heat treatment. Significant differences in the magnitude and anisotropy of the crack resistance characteristics of sections selected from different lots were revealed. A relationship between the K1c and FCGR values in heat-treatable sections made of the V95ochT2 alloy was established.
Keywords: characteristics of cyclic and static crack resistance; metallographic and crystallographic texture; anisotropy; extruded section; B95ochT2 alloy
Введение
Разрушение металлов является следствием зарождения и распространения трещины.
В изотропном теле ее скорость и направление развития определяются величиной и направлением приложения внешних усилий. Однако деформированные, термически упрочненные
полуфабрикаты из алюминиевых сплавов в большинстве случаев не изотропны. В частности, полуфабрикаты из алюминиевых сплавов, используемые в авиастроении (типов Д16 и В95), характеризуются анизотропией свойств вследствие сохранения в них после нагрева под обработку на твердый раствор нерекристаллизованной структуры, сформированной металлографической и кристаллографической текстурой. Продвижение трещины в таких полуфабрикатах (ее скорость, направление развития) определяются не только внешними усилиями, но и ориентацией структуры (текстуры) относительно приложенных нагрузок.
Развитие трещины (направление и скорость движения) в деформированных полуфабрикатах определяется действием двух факторов - поля внешних напряжений и анизотропией механических свойств полуфабриката. При испытании на трещиностойкость направление движения трещины в начале испытания определяется острым надрезом в образце, создающим высокую концентрацию напряжений, и трещина начинает движение в направлении, определенном надрезом. При удалении трещины от надреза ее движение все больше начинает зависеть от ориентации относительно структуры (текстуры) полуфабриката, т.е. от анизотропных свойств полуфабриката. Трещина находит компромисс между величиной внешних напряжений и сопротивлением ее движению, выбирая такое направление движения, при котором сопротивление движению минимально при одновременном сохранении величины внешних напряжений, достаточных для ее дальнейшего распространения.
Ниже представлены результаты испытаний на СРТУ и К1с образцов типа ВР продольного и поперечного направлений (Д-П) и (П-Д), полученные при исследовании трех партий профилей из сплава В95очТ2
Методики испытаний
Исследовали компактные образцы на внецентренное растяжение (тип ВР), которые нашли широкое применение при проведении испытаний массивных полуфабри-
катов (плит, поковок, штамповок, профилей с толстой полкой) как для определения вязкости разрушения К1с, так и скорости роста усталостных трещин [1-5]. Ввиду относительно меньших размеров они имеют явное преимущество перед более габаритными образцами с центральным надрезом (тип ЦНР), позволяя получать данные не только в продольном и поперечном, но и в высотном направлениях, а также, кроме того, в различных зонах массивных полуфабрикатов. Чаще других испытывают образцы продольной (Д-П), поперечной (П-Д) и высотной (В-Д) ориентаций. Образцы остальных трех направлений вырезки (П-В), (В-П), (Д-В) испытывают значительно реже.
На СРТУ было испытано 18 образцов трех партий в соответствии с требованиями [1]. На-гружение образцов осуществляли по синусоидальному циклу с коэффициентом асимметрии 1 = 0,1 и частотой f = 5,0 Гц. За развитием трещины наблюдали визуально. Образец размечали через 1,0 мм. Испытания проводили на образцах типа ВР размерами в плане 125^120 мм и толщиной 8,0 мм. Расчет СРТУ осуществляли на ЭВМ, используя полиномиальный метод по 7 точкам.
Испытания на вязкость разрушения в условиях плоской деформации (К1 с) проводили в соответствии с требованиями [2]. Испытывали компактные образцы с краевой трещиной на внецентренное растяжение с размерами в плане 75^72 мм и толщиной 30,0 мм. Наведение усталостной трещины осуществляли с частотой нагружения f = 10,0 Гц и коэффициенте асимметрии цикла 1 = 0,1. Скорость статического нагружения была равна 1,0 МПаТМ /с. Значения вязкости разрушения вычисляли по формуле [2]:
где у = 13,74[1 - 3,38(а/В) + 5,572(а/6)2].
На вязкость разрушения было испытано 36 образцов трех партий в равном количестве продольного и поперечного направлений, т.е. каждый вариант представлен 6 образцами. Наличие данных о К1с и СРТУ, полученных на идентичных профилях, позволило сопоставить их свойства.
Результаты испытаний
Экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин и вязкости разрушения обобщены и представлены в табл. 1.
Значения СРТУ отдельно приведены для каждой из трех исследованных партий при нескольких АК (15; 20; 25; 30; 31,2 МПаТМ ) как в продольном (Д-П), так и в поперечном (П-Д) направлениях. Здесь же содержатся результаты испытаний на вязкость разрушения, что позволило сопоставить данные о циклической и статической трещиностойкости профилей разных партий.
Результаты, приведенные в табл. 1, показывают следующее:
1. Профили всех трех партий имеют анизотропию характеристик циклической и статической трещиностойкости (табл. 2).
2. Анизотропия исследованных характеристик разных партий профилей сильно отличается.
3. С усилением анизотропии циклической трещиностойкости профилей при переходе от партии 1 к партии 2 и особенно 3 одновременно возрастает анизотропия статической трещиностойкости К1с. При этом вязкость разрушения в направлении П-Д уменьшается, а в направлении Д-П возрастает.
Обращает внимание заметное отличие профилей трех партий по величине характеристик циклической и статической трещиностойкости и по анизотропии этих свойств. Циклическая трещиностойкость в направлении Д-П профилей всех партий близка, а в направлении П-Д заметно отличается, в особенности при больших значениях АК. Усталостные трещины очень легко развиваются в поперечном на-
Таблица 1 Результаты испытаний на циклическую и статическую трещиностойкость трех партий профилей из сплава В95очТ2 в поперечном (П-Д) и продольном (Д-П) направлениях
Номер партии Ориентация образцов СРТУ, мм/кцикл, при значениях ДК, МПа-у/м К1с, МПа Vm
15,0 20,0 25,0 30,0 31,2
1 П-Д 0,41 0,94 2,37 7,27 «10 33,4
Д-П 0,26 0,57 1,10 1,96 2,27 38,9
2 П-Д 0,39 1,15 4,50 >10 »10 29,3
Д-П 0,20 0,56 1,10 1,91 2,20 42,7
3 П-Д 0,45 1,38 «6 - - 26,1
Д-П 0,27 0,65 1,13 2,25 2,70 48,5
Анизотропия СРТУ и К1с исследованных партий Таблица 2
Номер Анизотропия СРТУ при разных ДК, МПа Vm Анизотропия
партии 15,0 20,0 25,0 30,0 31,2 К1с, МПа Vm
1 1,58 1,65 2,15 3,71 -4,5 1,16
2 1,95 2,02 4,09 >5 >10 1,46
3 1,67 2,12 >5,8 »10 »10 1,86
Примечание. Анизотропия K1c - это отношение значений K1c в продольном направлении к значениям К1с в поперечном направлении и, наоборот, анизотропия СРТУ - отношение значений СРТУ в поперечном направлении к значениям СРТУ в продольном направлении.
правлении в профилях партий 2 и 3. Так, при ДК = 25 МПа ТМ значения СРТУ для направлений П-Д в профилях партий 1, 2 и 3 составляют соответственно 2,37; 4,50 и ~6 мм/кцикл. При этом изменяется величина вязкости разрушения К1с профилей при переходе от партии 1 к партиям 2 и 3 в направлении П-Д - 33,4; 29,3 и 26,1 МПа-\/М соответственно. Для направления Д-П - 38,9; 42,7 и 48,5 МПаТМ анизотропия вязкости разрушения резко возрастает. Если для профиля партии 1 анизотропия К1с составляет 1,16, то для профилей партий 2 и 3 анизотропия равна 1,46 и 1,86. При этом профили всех трех партий успешно прошли испытания на растяжение.
Анизотропия свойств прессованных полуфабрикатов обусловлена преимущественной ориентацией элементов структуры, в данном случае прессованных профилей. В процессе прессования при истечении металла из канала матрицы все элементы структуры слитка, ориентированные хаотично, приобретают предпочтительную ориентацию - зеренная структура слитка, частицы избыточных фаз, содержащих железо, кремний, марганец, магний.
В результате направленной сдвиговой деформации формируются аксиальная кристаллографическая текстура <111> и <100>, зеренная волокнистая структура в виде не-рекристаллизованных зерен, вытянутых в направлении прессования, частицы избыточных фаз типа А16Мп^е,81,Мд231, располагавшиеся ранее по границам литых зерен, выстраиваются в цепочки в направлении прессования. Если слитки имели пористость, то часть пор может завариться, а часть трансформироваться в расслоения, которые также вытягиваются в направлении прессования. Все вышеперечисленные изменения, происходящие во время прессования, сохраняются в прессованных профилях при их нагреве под обработку на твердый раствор.
Ориентация элементов структуры профилей в направлении прессования объясняет анизотропию характеристик циклической и статической трещиностойкости. Значения характеристик в направления Д-П всегда выше, чем в направлении П-Д. Трещине легче продвигаться вдоль границ вытянутых зерен, по цепочкам скоплений хрупких частиц избыточных фаз, по
вытянутым дефектам типа пор и расслоений. При продвижении в поперечном направлении трещина пересекает многочисленные границы вытянутых зерен, цепочки скоплений фаз, вытянутые дефекты в виде расслоений, пор, что затрудняет ее передвижение.
Накопленный опыт испытаний различных деформированных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов показал, что имеет место сильная зависимость характеристик циклической и статической трещиностойкости от направления вырезки образцов. Те из них, которые ориентированы в продольном направлении (Д-П), имеют более высокие значения вязкости разрушения и меньшую скорость роста усталостных трещин, особенно при больших значениях амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК по сравнению с образцами других ориентаций. Кроме того, образцы различных направлений обычно контрастно различаются характером разрушения. Так, если в образцах ориентаций (П-Д) и (В-Д) разрушение идет вдоль продольных вытянутых границ зерен, совпадающих с направлением надреза, то иная ситуация наблюдается на образцах, ориентированных в направлениях (Д-П) и (Д-В), где часто имеет место сложный вид разрушения с отклонением усталостной или статической трещины от надреза (излом не лежит в одной плоскости). По виду излома после разрушения образца часто можно определить его направление с учетом характера разрушения и отклонения трещины при циклическом нагружении от направления надреза.
Выводы
1. Проведены испытания на скорость роста усталостной трещины (СРТУ) и вязкость разрушения при плоской деформации (К1с) образцов из трех партий прессованных профилей из сплава В95очТ2.
2. Профили всех трех партий показали высокие значения К1с и относительно низкую скорость роста усталостной трещины в продольном (Д-П) направлении. Установлена существенная анизотропия К1с и СРТУ, разная для трех партий профилей. Отноше-
ния средних значений К1с образцов направления Д-П к средним значениям К1с образцов направления П-Д для трех партий равны 1,15; 1,46 и 1,86. Анизотропия СРТУ возрастает с увеличением амплитуды коэффици-
ента интенсивности напряжений, достигая при ДК = 25 МПал/М двукратного значения для одной из партий и более чем четырехкратного значения для остальных двух партий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 1 92127. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной нагрузкой. 1990. 29 с.
2. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик тре-щиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. 61 с.
3. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разрушения. М.: Металлургия, 1979. 278 с.
4. Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1981. 279 с.
5. Швечков Е.И. Испытания на трещиностойкость материалов массивных полуфабрикатов деталей авиационных конструкций // Технология легких сплавов. 2021. № 3. С. 53-60.
REFERENCES
1. OST 1 92127. Metod opredeleniya skorosti rosta ustalostnoy treshchiny pri ispytanii s postoyannoy nagruzkoy. 1990. 29 s.
2. GOST 25.506-85. Metody mekhanicheskikh ispy-taniy metallov. Opredeleniye kharakteristik treshchi-nostoykosti (vyazkosti razrusheniya) pri staticheskom nagruzhenii. M.: Gosudarstvennyy komitet SSSR po standartam, 1985. 61 s.
3. Miklyayev P.G., Neshpor G.S., Kudryashov V.G.
Kinetika razrusheniya. M.: Metallurgiya, 1979. 278 s.
4. Kishkina S.I. Soprotivleniye razrusheniyu alyumi-niyevykh splavov. M.: Metallurgiya, 1981. 279 s.
5. Shvechkov Ye.I. Ispytaniya na treshchinostoykost' materialov massivnykh polufabrikatov detaley avia-tsionnykh konstruktsiy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 3. S. 53-60.
