книги из ГПНТБ / Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях

А К А Д Е М ИЯ Н А У К СССР

И Н С Т И Т У Т М Е Т А Л Л У Р Г И И им. А. А. Б А Й К О В А

РАЗРУШЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯХ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «НАУКА» МОСКВА 1973

н о и тр о г.ьиыП э к з Е Î

Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях.

Коллективная монография. М., изд-во «Наука», 1973, I—215

В монографии приведены результаты исследования про­ цессов пластической деформации и разрушения чистого алю­ миния и его сплавов (в том числе сложнолегированных про­ мышленных). Показана связь между неоднородностью проте­ кания процессов деформации и разрушением. Рассмотрено влияние технологических факторов на процесс разрушения.

Рассчитана на исследователей и работников промышлен­ ности — металлургов, конструкторов, проектировщиков, ма­ шиностроителей, эксплуатационников, преподавателей и сту­ дентов металлургических л машиностроительных вузов.

Таблиц 25, иллюстраций 101, библиогр. 148 назв.

Авторы монографии:

M . Е . Д Р И Ц , А. М. К О Р О Л Ь К О В ,

Ю. П. Г У К , Л . П. ГЕРАСИМОВА, Э. Н. ПЕТРОВА

Ответственный редактор

профессор доктор техн. паук M . Е . Д Р И Ц

Q Издательство «Наука», 1973 г

ВВЕДЕНИЕ

В современной технике все более широкое применение находят алюминиевые сплавы. Обладая достаточно высокой удельной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и технологич­ ностью, алюминиевые сплавы во многих областях техники кон­ курируют со сталями.

Использование высокопрочных алюминиевых сплавов в крупно­ габаритных тяжело нагруженных конструкциях, работающих в условиях действия растягивающих напряжений, привело к по­ явлению случаев разрушения при нагрузках, заметно меньших расчетного предела текучести сплавов. Это обусловливает по­ вышенный интерес к изучению процессов разрушения алюминие­ вых сплавов.

В настоящее время проблеме разрушения металлов и сплавов - посвящено большое количество работ отечественных и зарубеж­ ных исследователей. Много внимания уделяется теоретическим исследованиям вопросов механики разрушения. Гораздо меньше работ посвящено исследованию влияния структуры и состава материалов на процессы развития разрушения. Однако именно этот вопрос имеет большую важность как при разработке компо­ зиций новых сплавов и технологии их производства, так и в обес­ печении надежности и долговечности конструкций из существую­ щих и вновь создаваемых сплавов.

Поэтому основной задачей настоящей работы явилось изуче­ ние закономерностей разрушения сложнолегированных алюми­ ниевых сплавов и прежде всего установление влияния структур­ ных факторов, способствующих преждевременному зарождению хи развитию в них трещин при действии растягивающих напряже­ ний. Это позволяет оценивать влияние структурных особенностей сплавов на конструкционную прочность изделий и выбирать пути повышения работоспособности сплавов в условиях эксплуатации, а также прогнозировать поведение вновь разрабатываемых алю­

3

Глава I . СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ОРАЗРУШЕНИИ АЛЮМИНИЯ

ИЕГО СПЛАВОВ

ПРИ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯХ

РОЛЬ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

ВПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ

Проблема разрушения при различных условиях нагружения представляет сложный комплекс научных и технических вопросов.

Согласно современным представлениям [1 ], типы разрушения классифицируются следующим образом: низкотемпературное хруп­ кое разрушение, усталостное разрушение, разрушение при пол­ зучести и вязкое разрушение. Зарождение разрушения во всех указанных случаях связано с пластической деформацией, кото­ рая при этом неоднородна в микроскопическом масштабе и про­ исходит прежде всего под действием растягивающих напряжений.

Одним из наиболее важных направлений, способствующих развитию представлений о природе разрушения, является изу­ чение завершающего этапа нагружения — распространения раз­ рушающей трещины.

Представление о микротрещине как источнике последующего разрушения начало формироваться с работ Гриффитса и затем продолжено рядом отечественных и зарубежных исследователей.

Перечень этих исследователей и их основных работ по теории образования и развития трещин в хронологической последова­ тельности приведен в работе [2]. Из последних исследований

ханизма протекания пластической деформации: 1) сдвиговой или

5

туры, скорости деформации, напряжения и т. п.), однако меха­ низм разрушения металлов и сплавов независимо от механизма деформации одинаков и осуществляется путем зарождения и раз­ вития трещин.

Применительно к проблеме разрушения пластическую дефор­ мацию, согласно [12], принципиально можно разделить на три стадии: 1) деформация, предшествующая трещине; 2) деформа­ ция, сопутствующая трещине; 3) деформация вскрывшихся по­ лостей трещины.

На первой стадии пластическая деформация протекает путем различных механизмов (в зависимости от условий деформирова­ ния) без возникновения микронесплошностей. На второй стадии образуются субмикронесплошности и субмикроскопические тре­ щины путем дислокационного или вакансионного механизмов. На третьей стадии происходит развитие субмикротрещин в микро­

деформации характеризуется уменьшением внутренней энергии металла за счет релаксации ее при развитии трещин. Скорость этого процесса должна быть обусловлена влиянием структурных факторов на процессы ускорения или замедления развития тре­ щин. Имеются убедительные данные [13—15] о том, что раз­ рушение пластических металлов происходит не мгновенно, а во времени. Это и позволяет изучать кинетику развития трещин.

Однако в практике часто наблюдаются случаи катастрофиче­ ского хрупкого разрушения конструкции из литейных и дефор­ мируемых алюминиевых сплавов при нормальной и пониженных температурах с весьма большими скоростями распространения трещин.

Так как высокая пластичность алюминиевой матрицы ис­ ключает возможность хрупкого разрушения сплавов при отсут­ ствии зародышевых трещин, инициирующих это разрушение, хрупкое разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях может быть связано только с образованием и раз­ витием таких трещин в изделиях. Чтобы эти трещины достигли критического размера, требуется пластическая деформация ме­ талла. Катастрофический рост трещин в соответствии с теорией Гриффитса [16] произойдет в том случае, если зародышевые трещины вырастут до критических размеров, которые опреде­ ляются по формуле

J > 4 & S y [ ( l - n ) o « J ,

где I — длина трещины в мкм; Е — модуль упругости, для алю­ миниевых сплавов равен 7200 кГ/мм2; поверхностная энергия об­

При этом критическая длина зародышевых трещин лежит в пре­ делах 4—8 мкм.

6

С повышением температуры, согласно вышеприведенной фор­ муле, размер критических трещин еще более возрастает.

Таким образом, для оценки поведения алюминиевых сплавов в реальных конструкциях очень важно изучение кинетики раз­ вития трещин при пластической деформации на начальном этапе третьей стадии, когда происходит рост зародышевых трещин до размеров, близких к критическим, что в свою очередь непо­ средственно связано с составом и структурой сплавов.

Значительные размеры критических трещин, в алюминиевых сплавах позволяют использовать для их изучения методы опти­ ческой металлографии.

В связи с тем, что реальный металл является поликристал­ лическим, а сплавы к тому же содержат в структуре различные фазы, пластическая деформация в них протекает весьма неодно­ родно в микроскопическом масштабе, что может приводить к про­ теканию третьей стадии пластической деформации и зарождению трещин критического размера в отдельных локальных микро­ объемах металла при весьма незначительной общей деформации всего изделия.

Таким образом, при любом механизме возникновения трещин работоспособность изделий при растягивающих напряжениях будет в значительной степени определяться изменениями струк­ туры, характерными для третьей стадии пластической деформа­ ции данного материала, и способностью структурных составля­ ющих тормозить или ускорять развитие трещин.

Поэтому представляется особенно важным выявление законо­ мерностей влияния структурных факторов на процесс разруше­ ния алюминиевых сплавов.

Знание факторов, определяющих закономерности и условия зарождения, развития и торможения трещин, позволит повышать реальную работоспособность конструкций.

В настоящей работе рассмотрены факторы, связанные с соста­ вом и структурой алюминиевых сплавов, способствующие зарож­ дению и развитию трещин на начальных стадиях пластической деформации при действии растягивающих напряжений.

Изучение указанных факторов начинается с чистого алюми­ ния, затем прослеживается на примере модельных сплавов и за­ вершается рассмотрением ряда промышленных алюминиевых сплавов.

ВАЖНЕЙШИЕ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Практика эксплуатации тяжело нагруженных изделий современ­ ной техники показывает, что в ряде случаев оценка материалов по свойствам, определяемым стандартными методами испытаний, оказывается недостаточной для оценки надежности работы матери-

7

алов в изделиях. Это потребовало разработки новых методов

ции. Одним из таких направлений является исследование про­ цессов протекания пластической деформации, приводящей к раз­ витию трещин, и сопротивления, которое оказывают этому раз­ витию материалы с различной структурой.

Применяемые в настоящее время методы испытания конструк­ ционных материалов на чувствительность к распространению трещин в условиях действия растягивающих напряжений по виду

Наиболее подробно существующие методы испытаний рас­ смотрены в работе [4].

Все указанные методы позволяют в той или иной степени получать энергетическую оценку сопротивляемости материалов разрушению с учетом процесса развития трещин.

Соединение этих методов испытаний с фрактографическими исследованиями позволяет учитывать и влияние структурных факторов на процессы разрушения. Такие исследования про­ ведены и для алюминиевых сплавов [17—20].

К недостаткам указанных методов исследования следует отнести невозможность изучения кинетики изменения структуры сплавов в процессе деформирования и разрушения. Фрактографические исследования позволяют исследовать только конечную структуру материала после разрушения и не всегда могут вы­ явить первопричину разрушения (особенно в условиях длитель­ ного действия напряжений). Поэтому в последние десятилетия в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые методы, позволяющие проводить исследования изменений структуры в про­ цессе испытаний [21—23].

В настоящее время распространение получил метод исследо­ вания взаимосвязи прочностных и структурных характеристик металлов и сплавов при одноосном активном растяжении. Указан­ ные исследования получили особо широкое распространение в нашей стране благодаря установкам типа ИМАШ-5С конструк­ ции М. Г. Лозинского, которые позволяют в широком диапазоне температур проводить прямое наблюдение за изменениями микро­ структуры материалов в процессе растяжения с регулируемой

всех вышеуказанных методов качественного и количественного исследования разрушения материалов с возможностями оптиче­ ской металлографии.

В настоящее время уже накоплен значительный опыт по изу-

8

чению закономерностей протекания процессов деформации и раз­ рушения сталей и жаропрочных металлов и сплавов [25—30].

Особенно интересным объектом для исследования на установ­ ках типа ИМАДІ-5С являются алюминиевые сплавы, которые представляют собой в большинстве случаев гетерофазные системы. Однако до настоящего времени систематических исследований характера разрушения алюминиевых промышленных сплавов не проводилось, хотя потребность в таких исследованиях в на­ стоящее время является весьма актуальной. Знание структур­ ных факторов, способствующих хрупкому разрушению высоко­ прочных алюминиевых сплавов, позволит учитывать их при вы­ боре сплавов для конструкций, а также поможет в определении путей устранения их неблагоприятного влияния.

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Структура поликристаллического алюминия характеризуется наличием двух структурных элементов — объемов зерен и гранич­ ных областей, чаще всего называемых в литературе границами зерен. Границы зерен, препятствуя протеканию процессов пласти­ ческой деформации, способствуют деформационному упрочнению алюминия, повышая его прочность. За счет деформационного упрочнения предел прочности алюминия может быть повышен с 6 до 15—20 кГ/мм2. Еще более значительное повышение проч­ ности алюминия достигается путем легирования.

В настоящее время за счет легирования достигнута прочность порядка 80 кГ/мм2, что позволяет широко использовать алюминие­ вые сплавы для конструкционных деталей в современном машино­ строении.

Упрочнение при легировании достигается следующими пу­ тями:

а) образованием твердых растворов; б) гетерогенизацией структуры за счет дисперсного распада

твердых растворов; в) измельчением структуры за счет модифицирования.

Образование твердых растворов за счет легирования приводит к увеличению количества несовершенств кристаллической решетки металла, может изменять прочность межатомной связи, однако в твердых растворах не возникает новых структурных составля­ ющих. С увеличением содержания легирующих элементов об­ разуются пересыщенные твердые растворы, в которых при охлаж­ дении выделяются частицы металлических соединений алюминия с легирующими добавками, являющиеся новым структурным элементом.

Распад пересыщенных твердых растворов протекает неравно­ мерно (в зависимости от степени искаженности кристаллической решетки), что может приводить к увеличению неоднородности

9