Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

STRENGTH AND FRACTURE MECHANISM NANOSTRUCTURED AK4-1 ALUMINUM ALLOY IN A WIDE TEMPERATURE RANGE

Klevtsov G.V. 1 Valiev R.Z 2 Islamgaliev R.K. 2 Klevtsova N.A. 1 Kashapov M.R. 1 Fesenyuk M.V. 1
1 Orenburg State University, Orenburg
2 Institute of Physics of Advanced Materials, Ufa State Aviation Technical University, Ufa
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.
Strength and mechanism of impact fracture of aluminum forging alloy AK4-1 at initial and sub microcrystalline state after equal-channel angular pressing (ECAP) and extrusion were investigated. The average grain size of all the materials after ECAP was approximately 300 nm. It is shown that ECA-pressing and subsequent extrusion increases the hardness of the alloy AK4-1 in 1,4 times and the strength characteristics of more than 1,5-fold in comparison with initial state. In the same time, plasticity of the alloy decreases. Impact strength (KCV) of the alloy AK4-1 both initial state and after ECAP + extrusion does not change in the test temperature range from –196 to +300 °C. Moreover, for all the investigated test temperatures impact strength of the alloy after ECAP + extrusion is slightly lower than the impact strength of the alloy in the initial state. Ductile fracture of the alloy AK4-1 with micro relief patching is observed at all test temperatures.
strength
impact destruction
submicrocrystalline structure
fracture mechanism
1. Valiev R.Z, Aleksandrov I.V. Obemnye nanostrukturnye metallicheskie materialy: poluchenie, struktura i svoystva (Volume nanostructured metal materials: reception, structure and properties). Moscow, IKTS Akademkniga, 2007. 398 p.
2. Gusev A.I., Rempel A.A. Nanokristallicheskie materialy (Nanocrystalline materials). Moscow, Fizmatlit, 2000. 224 p.
3. Andrievskiy R.A., Glezer A.M., Uspekhi fizicheskikh nauk, 2009, t.179, no.4, pp. 337-358.
4. Botvina L.R. Kinetika razrusheniya konstruktsionnykh materialov (Fracture kinetics of constructional materials). Moscow, Nauka, 1989. 230 p.
5. Klevtsov G.V., Botvina L.R., Klevtsova N.A., Limar L.V. Fraktodiagnostika razrusheniya metallicheskikh materialov i konstruktsiy (Fractodiagnostics of fracture of metal materials and constructions). Moscow, MISiS, 2007. 264 p.

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