Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ПРОЧНОСТЬ И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АК4-1 В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР

Клевцов Г.В. 1 Валиев Р.З. 2 Исламгалиев Р.К. 2 Клевцова Н.А. 1 Кашапов М.Р. 1 Фесенюк М.В. 1
1 Оренбургский государственный университет, Оренбург
2 Институт физики перспективных материалов, Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа
Исследовали прочность и механизм ударного разрушения алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии и после равноканального углового прессования (РКУП) и экструзии в субмикрокристаллическом состоянии. Средний размер зерна всех материалов после РКУП составлял примерно 300 нм. Показано, что РКУ прессование и последующая экструзия повышают твердость сплава АК4-1 в 1,4 раза и прочностные характеристики более чем в 1,5 раза по сравнению с исходным состоянием. Однако повышение прочностных свойств сопровождается снижением пластичности сплава. В интервале температур –196...+300 °С значение ударной вязкости (KCV) сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзии практически не меняется. Причем при всех исследуемых температурах испытания ударная вязкость сплава после РКУП + экструзии несколько ниже, чем ударная вязкость сплава в исходном состоянии. При всех исследуемых температурах испытания сплав АК4-1 разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа.
прочность
ударное разрушение
субмикрокристаллическая структура
механизм разрушения
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.:ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.
2. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. - М.: Физматлит, 2000. - 224 с.
3. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // Успехи физических наук. - 2009. - Т. 179, № 4. - С. 337-358.
4. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. - М.: Наука, 1989. - 230 с.
5. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, Н.А. Клевцова, Л.В. Лимарь. - М.: МИСиС, 2007. - 264 с.

Новый класс перспективных конструкционных наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой, полученных с использованием технологий интенсивной пластической деформации (ИПД), например, путем равноканального углового прессования (РКУП) [1], обладая уникальными свойствами, уже сейчас имеет непосредственное практическое применение во многих областях техники. Однако широкое использование таких материалов предполагает расширение наших представлений о физической природе прочности и механизмах разрушения при различных видах и условиях нагружения [2, 3].

Целью настоящей работы является изучение прочности и механизмов разрушения алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии и в субмикрокристаллическом состоянии после равноканального углового прессования (РКУП) и экструзии.

Материал и методики исследования

Алюминиевый сплав АК4-1 (табл. 1) в исходном состоянии (пруток диаметром 40 мм) имел средний размер зерна 40 мкм. Сплав подвергали РКУ прессованию [1] при температуре 200 °С, 6 проходов. После РКУП проводили дополнительную экструзию при температуре 180 °С. Диаметр прутка заготовки после РКУП + экструзии составлял 28 мм. Средний размер зерна после вышеуказанной обработки (РКУП + экструзия) составил 300 нм.

Таблица 1 Химический состав алюминиевого сплава АК4-1 ( % по массе)

Cu

Mg

Fe

Ni

Si

Ti

Mn

2,46

1,48

0,89

0,92

0,22

0,04

0,04

Определение стандартных характеристик исследуемого материала при статическом растяжении проводили на круглых образцах диаметром 3 мм. Испытание проводили на разрывной машине Р-10. Испытания на твердость проводили по методу Бринелля (НВ) с использованием ультразвукового твердомера МЕТ-У1.

Ударные испытания образцом с V-образным концентратором напряжения проводили на копре МК-30 при температурах от -196 до +300 °С. Размеры образцов были 10×10×55 мм. Образцы, предназначенные для испытания при низких температурах, охлаждали в жидком азоте или охлажденном бензине в течение 10 минут, затем переносили на копер и производили ударное разрушение. Образцы, предназначенные для испытания при высоких температурах, нагревали в печи в течение 10 минут, затем переносили на копер и разрушали.

Полученные изломы исследовали методами макро- и микрофрактографии. Микрофрактографические исследования проводили в растровом электронном микроскопе JSM-6092.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 представлены механические свойства алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзия. Видно, что РКУ прессование и последующая экструзия повышают твердость сплава в 1,4 раза и прочностные характеристики более чем в 1,5 раза по сравнению с исходным состоянием. Однако повышение прочностных свойств сопровождается снижением пластичности сплава.

Таблица 2 Механические свойства алюминиевого сплава АК4-1 после различных видов обработки

Состояние сплава

dср, мкм

НВ

sв, МПa

s0,2, МПa

d, %

Исходное состояние

40

81

274

258

20

РКУП + экструзия

0,3

111

420

407

6

Температурная зависимость ударной вязкости (KCV) сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзии представлена на рис. 1. Видно, что в исследуемом интервале температур значение ударной вязкости сплава практически не меняется, что характерно для материалов с ГЦК структурой [4, 5]. Причем при всех температурах испытания ударная вязкость (KCV) сплава АК4-1 после РКУП + экструзии несколько ниже, чем ударная вязкость сплава в исходном состоянии.

Как уже отмечалось, при ударном испытании сплава АК4 в области высоких температур образцы нагревали в течение 10 минут. Чтобы убедиться в том, что такой нагрев не повлиял существенно на свойства сплава, замеряли твердость образцов, испытанных при температуре 300 °С, и сравнивали ее с твердостью сплава до нагрева. Такие исследования показали, что твердость сплава АК4-1 в исходном состоянии после испытания при температуре 300 °С несколько уменьшилась, однако твердость сплава после РКУП + экструзии практически не изменилась (табл. 3). Можно предположить, что сплав АК4-1 после РКУП + экструзии не испытал необратимых фазовых превращений при нагреве до температуры испытания 300 °С.

 

Рис. 1. Температурная зависимость ударной вязкости (KCV) алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзия

Таблица 3 Твердость сплава АК4-1 после испытания образцов при комнатной температуре и 300 °С

Состояние

Твердость

20 °С

300 °С

Исходное состояние

81

72

После РКУП + экструзия

111

109

Рассмотрим макрофрактографические особенности строения ударных изломов сплава АК4-1 в исходном состоянии. Все изломы макровязкие, состоящие из плоской центральной части, губ среза и периферийной области сжатия в месте удара ножа копра [5] (рис. 2 а, г, ж, к). С повышением температуры испытания шероховатость центральной части изломов увеличивается; возрастает размер губ среза (табл. 4).

Таблица 4  Размер губ среза λ, % на поверхности ударных изломов сплава АК4-1

Состояние сплава

Температура испытания, °С

-196

20

180

300

Исходное состояние

28

38

38

40

После РКУП + экструзия

55

38

48

55

 

Рис. 2. Общий вид (а, г, ж, к) и микрорельеф ударных изломов сплава АК4-1 в исходном состоянии, полученных при температурах испытания: -196 °С (а, б, в); 20 °С (г, д, е); 180 °С (ж, з, и); 300 °С (к, л, м): б, д, з, л - очаг разрушения; в, е, и, м- центральная часть излома. б, з, л- х200; д- х400; е, м- х1000; в, н - х1000

Микрорельеф ударных изломов алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии, полученных при всех исследуемых температурах испытания, ямочный. Ямки образуются прямо после надреза, т.е. зона θ [4, 5] в очаге разрушения не образуется (рис. 2 б, д, з, л). В центральной части излома (рис. 2 г, е, и, м) ямки глубокие, неоднородные по размерам и строению.

Ударные изломы сплава АК4-1 после РКУП + экструзии (рис. 3 а, г, ж, к) имеют строение, аналогичное строению изломов сплава в исходном состоянии, однако отличаются меньшей шероховатостью центральной части и большим размером губ среза (см. табл. 4).

Рис. 3. Общий вид (а, г, ж, к) и микрорельеф ударных изломов сплава АК4-1 после РКУП + экструзии, полученных при температурах испытания: -196 °С (а, б, в); 20 °С (г, д, е); 180 °С (ж, з, и); 300 °С (к, л, м): б, д, з, л - очаг разрушения; в, е, и, м- центральная часть излома. б, д, з, л - х400; в, е, и, м - х2000

Микрорельеф ударных изломов алюминиевого сплава АК4-1 после РКУП + экструзии, полученных при всех температурах испытания, ямочный. Изломы, полученные при температуре испытания -196 °С, имеют неоднородные по величине ямки с небольшими хрупкими фрагментами (рис. б, в). Вблизи очага разрушения изломов, полученных при комнатной и повышенных температурах (рис. 3 д, з, л), ямки вытянутые, чередующиеся с бесструктурными участками. Центральная часть таких изломов состоит из больших, равноосных, глубоких ямок, в центре которых часто видны поры (рис. 3 е, и, м).

Так как сплав АК4-1 предназначен для работы при повышенных температурах, изу­чали влияние последующей термической обработки на механические свойства данного сплава. С этой целью образцы из сплава АК4-1 после РКУП + экструзии нагревали до различных температур, выдерживали 30 минут и охлаждали на воздухе. Затем проводили механические испытания. Результаты испытаний представлены на рис. 4.

 

Рис. 4. Изменение ударной вязкости, твердости и прочностных свойств σв и σ0,2 сплава АК4-1 после РКУП + экструзии и последующего нагрева

Из приведенного рисунка видно, что нагрев сплава АК4-1 после РКУП + экструзии до температуры 200 oС практически не изменяет твердость и прочностные свойства сплава. Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к интенсивному снижению твердости и прочности сплава.

Выводы

  1. РКУ прессование и последующая экструзия повышают твердость сплава АК4-1 в 1,4 раза и прочностные характеристики более чем в 1,5 раза по сравнению с исходным состоянием. Однако повышение прочностных свойств сопровождается снижением пластичности сплава.
  2. В интервале температур -196...+300 °С значение ударной вязкости (KCV) сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзия практически не меняется.
  3. При всех исследуемых температурах испытания сплав АК4-1 разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа.
  4. Нагрев сплава АК4-1 после РКУП + экструзия до температуры 200 °С практически не изменяет твердость и прочностные свойства сплава.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП (ГК № 16.513.11.3018).

Рецензенты:

  • Кушнаренко В.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой деталей машин и прикладной механики Оренбургского государственного университета, г. Оренбург;
  • Кучеренко М.Г., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиофизики и электроники

Библиографическая ссылка

Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Исламгалиев Р.К., Клевцова Н.А., Кашапов М.Р., Фесенюк М.В. ПРОЧНОСТЬ И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АК4-1 В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3-2. – С. 391-395;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29615 (дата обращения: 11.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074