CC BY
23
УДК: 539.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1396-1399
УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Со МЕТОДАМИ НА РАСТЯЖЕНИЕ И ИЗГИБ
© Д.Ю. Федотов, В.А. Федоров, А.В. Яковлев, Т.Н. Плужникова, А.Д. Березнер
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Проведены усталостные испытания образцов аморфного металлического сплава на основе &>. Испытания проводились методом на изгиб и на растяжение. Установлены морфологические особенности разрушения образцов. Построены зависимости усталостного разрушения.
Ключевые слова: металлическое стекло; аморфные металлические сплавы; усталость; изгиб; растяжение.
Несмотря на интенсивные исследования физико-механических свойств аморфных сплавов, основные вопросы остаются предметом острых дискуссий, в частности: способы получения сплавов с заранее заданными свойствами, связь физико-механических свойств со структурным состоянием, долговечности металлических стекол (МС), контроля изменений их физических и механических характеристик, а также способы улучшения свойств. Усталостные испытания являются одним из видов исследований влияния циклических деформационных шумов и случайных процессов на целостность различных изделий из МС. Отсутствие качественных теоретических моделей, позволяющих управлять свойствами различных материалов на практике, приводит к необходимости создания общей теоретической базы и по усталостным эффектам. Большая часть теоретических представлений в этом случае опирается на феноменологические или эмпирические основы. Однако остается совершенно невыясненным механизм деформации аморфных металлов и сплавов. Сведений о проведении усталостных испытаний на аморфных металлах как в отечественной, так и в зарубежной литературе крайне мало.
В связи с чем исследование поведения МС при усталостных испытаниях является актуальным направлением исследований в физике неупорядоченных сред.
Материалом для проведения исследования были выбраны ленты аморфного металлического сплава на основе Со (Co - 85,5 %; Fe - 2,27 %; Si - 5,15 %; Mn -4,07 %; B - 2 %; Cr - 1 %). Размер образцов 20x3,5x0,02 мм. Усталостные испытания образцов проводили методом на растяжение и методом на изгиб.
Испытания на растяжение проводили нагрузкой, изменяющейся от некоторого max значения до min во времени, в знакопостоянном цикле с частотой 2 Гц. Схема установки приведена на рис. 1 [1].
От электродвигателя (1) через редуктор (2) момент вращения передается на генератор колебаний. В генераторе колебаний кулачком-эксцентриком (3) подвижной рамке (4) сообщаются вынужденные возвратно-поступательные движения. В конструкции установки
предусмотрено 4 комплекта упругих элементов с различными коэффициентами жесткости. Это обеспечивает изменение нагрузки: 1) (72-142) МПа; 2) (100-214)
Рис. 1. Схема установки для проведения усталостных испытании на растяжение
Рис. 2. Зависимость изменения напряжения от времени: 1 -усредненная циклическая нагрузка; 2 - нагрузка, фиксируемая датчиком
а)
б)
сменные упругие элементы (6), которые при монтаже получают предварительное нагружение. Упругие элементы воздействуют на упорную планку (7), которая в свою очередь, через тяги (8) передает усилие на испытуемый образец (9). Для всех упругих элементов построены тарировочные графики, по которым через величину перемещения определяли напряжение в образце. Зависимость изменения напряжения от времени имеет вид периодической функции (рис. 2).
Установлено, что ленточные образцы при напряжениях 200-375 МПа выдерживают ~ 2,2-104 циклов до разрушения, при напряжениях 155-285 МПа ~ 3,3-104 циклов до разрушения. При росте усталостных трещин выявлены области зарождения трещины, ее роста, переходная зона и зона долома (рис. 3). Максимальная нагрузка, при которой образцы не разрушаются при числе циклов 6,5-104, составляет 214 МПа.
Отмечено, в зоне долома рост трещины становится ветвистым, количество ветвей возрастает по мере распространения трещины. В области роста усталостной трещины, по ее берегам наблюдали параллельно траектории локализованные полосы сдвига. Отмечено, что при снижении величины нагрузки увеличивается зона роста усталостной трещины.
в)
Рис. 4. Зависимость величины разрушающих напряжений от логарифма числа циклов при усталостных испытаниях на растяжение
г)
Рис. 3. Траектория роста усталостной трещины: а) зарождение усталостной трещины; б) рост усталостной трещины; в) переход в зону долома; г) зона долома
МПа; 3) (155-285) МПа; 4) (200-375) МПа. В процессе колебаний траверса (5) периодически деформирует
Рис. 5. Схема установки для проведения усталостных испытаний на изгиб
а)
4*
б)
Рис. 6. Траектория роста усталостной трещины: а) в середине образца; б) вблизи края образца
Рис. 7. Зависимость числа циклов нагружения, приводящих к разрушению образца от величины нагрузки при изгибе
На рис. 4 приведена зависимость величины разрушающих напряжений от логарифма числа циклов при усталостных испытаниях на растяжение. Каждая точка построена по результатам испытания 20 образцов. По оси ординат указано max прикладываемое напряжение.
Испытания на изгиб проводились на специально разработанном устройстве (рис. 5).
В результате вращения ротора электродвигателя (1) кулачковый механизм (2) циклически деформирует образец (3), один из концов которого жестко закреплен в зажиме (4). Устанавливая или удаляя шайбы (5), можно изменять расстояние от подвижного механизма до зажима, тем самым меняя радиус изгиба образца. Частота нагружения образца составляет 12 Гц. Также в устройстве предусмотрена возможность изменения частоты воздействия на образец. Величину напряжений, возникающих в образце, оценивали по формуле:
о = Еу- , р
где y - толщина слоя; р - радиус кривизны; E - модуль Юнга [2].
При изгибных напряжениях 1,18 ГПа образцы выдерживают до 4-104 циклов, при напряжениях 1,7 ГПа до 5,1-104 циклов. Максимальная нагрузка, при которой образцы не разрушаются при числе циклов 6,8-104, составляет 0,95 ГПа.
Рост трещин носит хрупкий характер. Вблизи краев образца трещина может переходить в параллельные плоскости, тогда как в центре образца ее рост происходит по одной плоскости (рис. 6).
На рис. 7 приведена зависимость числа циклов на-гружения, приводящих к разрушению образца от величины нагрузки для усталостных испытаний методом на изгиб.
Таким образом, установлено, что общие закономерности усталостного разрушения образцов аморфного металлического сплава совпадают с закономерностями, характерными для кристаллических металлов. Число циклов, приводящих к разрушению при испытаниях на изгиб при равных напряжениях, значительно превышает число циклов, приводящих к разрушению, чем при испытаниях на растяжение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федоров В.А., Федотов Д.Ю., Яковлев А.В., Васильева С.В. Морфологические особенности усталостного разрушения ленточного аморфного сплава на основе ^ // Прочность неоднородных структур: сборник трудов 8 Евразийской науч.-практ. конф. М.: НИТУ «МИСиС», 2016. С. 140.
2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-01-04553_а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1396-1399
FATIGUE TESTS ON RIBBON OF AMORPHOUS METAL ALLOYS BASED ON Co METHODS TENSILE AND FLEXURAL STRENGTH
© D.Y. Fedotov, V.A. Fedorov, A.V. Yakovlev, T.N. Pluzhnikova, A.D. Berezner
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Fatigue tests on samples of amorphous metal alloy based on Co are conducted. The tests were conducted in bending and in tension. Morphological features of destruction of samples are established. Characteristic curve of fatigue fracture is build.
Key words: metallic glass; amorphous metal alloys; fatigue; curve; extension.
REFERENCES
1. Fedorov V.A., Fedotov D.Yu., Yakovlev A.V., Vasil'eva S.V. Morfologicheskie osobennosti ustalostnogo razrusheniya lentochnogo amorfnogo splava na osnove Co. Trudy 8 Evraziyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Prochnost' neodnorodnykh struktur". Moscow, Publishing House of National University of Science and Technology "MISiS", 2016, p. 140.
2. Feodos'ev V.I. Soprotivlenie materialov. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 1999.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grant no. 15-01-04553_a).
Received 10 April 2016
Федотов Дмитрий Юрьевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Fedotov Dmitriy Yurevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, заслуженный деятель науки РФ, e-mail: [email protected]
Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, Honored Worker of Science of Russian Federation, e-mail: [email protected]
Яковлев Алексей Владимирович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры методики преподавания естественнонаучных дисциплин, e-mail: [email protected]
Yakovlev Aleksey Vladimirovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Methodology of Teaching Natural Sciences Department, e-mail: [email protected]
Плужникова Татьяна Николаевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Pluzhnikova Tatyana Nikolaevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Березнер Арсений Дмитриевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Berezner Arseniy Dmitrievich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
