В настоящей работе изучали влияние различных способов литья (литье в песчаные формы, литье в кокиль, жидкая штамповка) на усталостную прочности и механизмов разрушения высокопрочных литейных алюминиевых сплавов ВАЛ8, ВАЛ12 и ВАЛ16. С этой целью цилиндрические образцы диаметром в рабочей части 7,25.10-3м, изготовленные из данных сплавов подвергали циклическому нагружению на изгиб с вращением при симметричном цикле (R= -1). Полученные изломы изучали методами макро- и микрофрактографии, а также рентгеноструктурного анализа.
Анализ кривых усталости исследуемых сплавов показал, что наилучшим сопротивлением усталостному разрушению обладает сплав ВАЛ8; наихудшим - сплав ВАЛ16. Большое значение на сопротивление усталостному разрушению оказывает способ литья сплавов. Наилучшими усталостными характеристиками обладают сплавы, полученные жидкой штамповкой; наихудшими - полученные литьем в песчаные формы.
Все полученные изломы усталостных образцов, независимо от марки сплава и способа литья, имели на своей поверхности характерные макрозоны: зону усталостного развития трещины lf и зону долома. Зона усталостного развития трещины на вид более темная, блестящая; зона долома - светлая, почти белая. На изломах сплавов ВАЛ8 и ВАЛ12 это выражено более четко. На изломах сплава ВАЛ16 зоны по окраске отличались слабо. С увеличением напряжения цикла длина зоны усталостного развития трещины lf на поверхности всех изломов уменьшается. Причем, для всех видов сплавов и способов литья данная зависимость описывается единой прямой и аппроксимируется уравнением: lf = -1,6.10-5 σ-1 + 6,3. 10-3.
С увеличением долговечности образцов, длина зоны lf на поверхности изломов всех образцов возрастает. Минимальная длина данной зоны имеет место на изломах образцов сплава ВАЛ16, полученного литьем в песчаную форму и кокиль; максимальная - на изломах образцов сплава ВАЛ8, полученного жидкой штамповкой.
Большая длина зоны усталостного развития трещины на поверхности изломов образцов из сплава ВАЛ16, полученных литьем в песчаную форму и кокиль, еще не свидетельствует о высокой циклической трещиностойкости данного сплава, так как, помимо длины усталостной трещины, необходимо учитывать и напряжение цикла, вызвавшее разрушение. Наибольшие напряжения цикла выдерживают сплавы ВАЛ8 и ВАЛ12, полученные жидкой штамповкой.
Микрофрактографический анализ показал, что на изломах образцов сплава, полученного жидкой штамповкой, вблизи очага разрушения имеет место малорельефная область. С дальнейшем ростом трещины на поверхности изломов доминирует ямочный микрорельеф с участками циклического скола. Вблизи зоны долома микрорельеф полностью ямочный. В самой зоне долома микрорельеф вязкий; при большом увеличении видно «сотовое» строение.
Вблизи очага разрушения образцов из сплава ВАЛ8, полученных литьем в кокиль, расположена малорельефная область с небольшими фасетками циклического скола; встречаются поры с округлыми образованиями - ветвями дендритов. Зона усталостного развития трещины состоит в основном из участков с ямочным микрорельефом и участков циклического скола; встречаются поры различных размеров. При больших увеличениях на фасетках циклического скола можно наблюдать микрорельеф, напоминающий усталостные бороздки. Микрорельеф зоны долома имеет ямочный микрорельеф со вскрытыми порами.
Микрорельеф усталостных образцов из сплава ВАЛ12, полученного жидкой штамповкой, вблизи очага разрушения состоит из малорельефной области; видны фасетки циклического скола. В зоне усталостного развития трещины видны квазибороздки, порой напоминая «сотовый» микрорельеф, окруженные вязкими гребнями. Дендритных образований не видно на всей поверхности излома: как в зоне усталостного развития трещины, так и в зоне долома.
Вблизи очага разрушения образцов из сплава ВАЛ12, полученного литьем в кокиль, можно наблюдать область с относительно бесструктурным рельефом. На некотором расстоянии от очага разрушения появляются первые участки циклического скола. В зоне усталостного развития трещины вся поверхность излома покрыта участками циклическиго скола, на которых видны усталостные бороздки, окруженные вязкими гребнями. При переходе к зоне долома количество вязких гребней увеличивается; встречаются участки с межзеренным разрушением. Долом образца произошел по межзеренному механизму.
Различие в микромеханизмах усталостного разрушения образцов из сплавов ВАЛ8 и ВАЛ12 наглядно иллюстрирует данные рентгеноструктурного анализа поверхности изломов образцов из сплавов, полученных литьем в кокиль (см. таблицу 1).
Таблица1. Значение ширины дифракционной линии (311)Кa1 при рентгенографировании поверхности образцов из сплава ВАЛ8 и ВАЛ12, полученных литьем в кокиль
|
Материал |
Зона усталостного развития |
Зона долома |
|
ВАЛ8 ВАЛ12 |
6,76.10-3 рад 5,56.10-3 рад |
8,12.10-3 рад 7,57.10-3 рад |
Видно, что значение ширины дифракционной линии, полученной с поверхности усталосного излома образца из сплава ВАЛ8, больше чем сплава ВАЛ12. Это свидетельствует о большей пластической деформации на соответствующих участках поверхности изломов сплава ВАЛ8, а, следовательно, о лучшем сопротивлении данного сплава развитию трещины по сравнению со сплавом ВАЛ12.
В очаге разрушения образцов из сплава ВАЛ16, полученного литьем в кокиль можно наблюдать плоскую область с характерным микрорельефом, напоминающим мелкие растресканные пластинки; хорошо видны поры. В зоне усталостного развития трещины видны участки, напоминающий «сотовый» микрорельеф. Микрорельеф изломов образцов из сплава ВАЛ16, полученного литьем в песчаные формы, вблизи очага разрушения состоит из малорельефной области; видно большое количество пор с дендритными образованиями и вторичные трещины. В области усталостного разрушения видны участки циклического скола, однако большую часть площади занимает междендритная сетка кристаллизационной пористости.
Выводы.
1. Усталостная прочность образцов из литейных алюминиевых сплавов в значительной степени зависит от способа литья сплава. Максимальной усталостной прочностью обладают сплавы, полученные жидкой штамповкой (ВАЛ8, ВАЛ12); минимальной - сплавы, полученные литьем в песчаные формы (ВАЛ16).
2. Установлена связь длины зоны усталостного развития трещины на поверхности изломов lf с напряжением цикла нагружения и долговечностью образцов. Показано, что зависимость длины зоны lf от напряжения цикла нагружения не зависит ни от марки сплава, ни от способа литья и описывается единым уравнением lf = -1,6. 10-5σ-1 + 6,3.10-3.
3. Микрофрактографический анализ усталостных изломов сплавов ВАЛ8, ВАЛ12 и ВАЛ16 показал, что в образцах из сплавов, полученных жидкой штамповкой, в зоне усталостного развития трещины доминируют фасетки циклического скола с ямочным микрорельефом; в образцах из сплавов, полученных литьем в кокиль, фасетки циклического скола, а в образцах из сплавов, полученных литьем в песчаную форму, фасетки циклического скола с участками дендритного образования от первичных пор.