WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Микроструктура и механические свойства алюминиевого сплава д16 при нагружении в коррозионной среде

На правах рукописи

ШАКЛЕИНА Вера Аркадьевна

МИКРОСТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д16

ПРИ НАГРУЖЕНИИ В КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЕ

Специальность

05.16.09. – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тюмень – 2010

Работа выполнена в Первоуральском филиале Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Замятин Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель

науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор

Грачев Сергей Владимирович

кандидат технических наук

Нассонов Валерий Викторович

Ведущее предприятие: ОАО Каменск-Уральский

металлургический завод

Защита диссертации состоится 23 декабря 2010г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.09 в Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г.Тюмень, ул. Мельникайте, 72

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.А. Венедиктова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из основных факторов, определяющих продолжи­тельность безопасной эксплуатации изделий машиностроения, является способность ма­териалов противостоять разрушению в условиях воздействия коррозионной среды, так как большинство конструкций испытывает в процессе работы воздействие статических и циклических нагрузок и коррозионной среды. Среди промышленных объектов, под­вергающихся механическому нагружению в коррозионной среде, включая районы мор­ского климата, возрастающее место занимают изделия и конструкции из алюминиевых сплавов типа Д16. Ущерб от разрушения по­добных объектов многократно превосходит их стоимость.

Анализ данных о разрушении конструкционных изделий и промышленного оборудования из-за кор­розии показывает, что во многих случаях повреждение изделий под действием напряжений на уровне пре­дела текучести происходит через не­сколько лет их эксплуатации. Поэтому поведение материала, изучение микроструктуры и структурно-механических свойств при нагружении в условиях коррозионной среды представляется актуальным. Механический перенос результатов ис­следований элементов авиационных конструкций на объекты общего машиностроения затруднен, так как технология изготовления и условия эксплуатации изделий сущест­венно отличаются.

В связи с этим, изучение поведения алюминиевых сплавов типа Д16 при механи­ческом нагружении в коррозионной среде позволит глубже понять соотношение между составом, структурой и свойствами сплавов, средой, а также повысить надежность экс­плуатации металлоконструкций.

Цель диссертационной работы.

Установить влияние структуры и свойств алюминиевых сплавов типа Д16 на поведение металлоконструкций при механическом нагружении в коррозион­ной среде.

Задачи исследования.

1. Изучить структуру сплавов типа Д16 на различных стадиях механического нагружения в коррозионной среде.

2. Определить влияние технологий изготовления изделий на коррозионную стойкость и механические свойства сплавов типа Д16.

3. Разработать методику определения величины пластической деформации мате­риала, накопленной при нагружении в коррозионной среде, для оценки надежности изделий при эксплуатации.

Научная новизна работы.

1. Установлено влияние коррозионной среды и величины пластической деформации на структуру алюминиевого сплава Д16АТ. Показано:

– в условиях коррозионной среды, при небольшой степени деформации сплава до = 5 % на­чи­нают развиваться деформационные процессы на границах зерен, появляются первые призна­ки микротрещин (смещения по границам зерен, складки в «тройных точках») и их уширение вследствие взаимодействия с коррозионной средой и взаимного смещения зерен;

– при дальнейшем увеличении степени пластической деформации возрастает количество полос деформации и перегиба, полосы деформа­ции распола­гаются по телу зерен, переходя их границы; линии перегиба в виде тонких чет­ких полос концентрируются в основном вдоль границ в различных направлениях. Такой вид рельефа свидетельствует о неравномер­ном развитии деформации в объеме материала;

– увеличение степени деформации сплава до = 15 % сопровождается образованием в микроструктуре «грубых» линий скольжения, расфокусировкой и ушире­нием границ зерен, двойникованием, появлением скоплений многочисленных дислокационных сплетений на границах зерен и около интерметалличе­ских выделений. Быстрое размножение, движение и насыщение дислока­циями растворяющегося поверхностного слоя сплава при увеличении степени деформации, с одной стороны, и медленное растворение фрагментарной структуры под воздействием среды с другой - создают очаги для зернограничного проскальзывания и развития лег­кого локального пластического скольжения.



2. Пластическая деформация сплава в коррозионной среде вызывает снижение предела прочно­сти и условного предела текучести примерно на 9 % и увеличение пластич­ности на 14 %.

3. Законы распределения микродеформаций структуры сплава свидетельствуют о том, что после деформации в коррозионной среде величиной около 10 % в сплаве воз­никают более низкие остаточные микронапряже­ния, чем на воздухе, что объясняется уменьшением зерногра­ничной поверх­ностной энергии и снижением сопротивления деформации.

Практическая значимость.

Предложена методика оценки вероятности возникновения и распространения кри­тических микродеформаций в процессе изготовления и эксплуатации изделий при нарушении плакированного слоя, которые могут способствовать появлению микро­пор и микротре­щин, снижающих конст­рукционную прочность, а также выбрать пути повышения работоспособно­сти и увеличение сроков службы изделий ответственного назначения в процессе изготовления и в условиях эксплуата­ции.

Практическое применение полученных результатов по определению вероятностей появления и распространения локальных перегрузок в микроструктуре алюминиевого сплава Д16 на воздухе и в условиях коррозионной среды позволило скорректиро­вать тех­нологию изготовления металлообрешетки за счет уточнения радиуса гиба и до­ра­ботки прокатного стана (настройка прокатных роликов), штампов, на которых произ­во­дят ее, что обеспечило получения реального экономического эффекта. Результаты исследования включены в техническую документацию строи­тельной компании «ППСМ» (система вентилируемых фасадов «ОЛИС»), а также использованы в подборе антикоррозионных покрытий и в проектах реконструк­ции металлообрешетки, которая изготавливалась для отделки туннелей и фасадов зданий в г.Сочи. Внедрение результатов исследования, обеспечило на­дежность и увеличило срок службы металлооб­решетки и снизило выпуск бракованной про­дукции на Перво­ураль­ском предприятии строительных материалов ООО «Стан».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной ра­боты докладывались и обсуждались на ХХХVI Уральском семинаре по меха­нике и процессам управления. (Миасс, 2006г.); на ХХХVII Уральском семинаре по механике и процессам управления посвященных 150-летию К.Э.Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева». (Миасс, 2007г.); на XIX Уральской школы металлове­дов-термистов. «Актуальные проблемы фи­зического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения академика В.Д.Садовского. (Екатеринбург, 2008г.); на V международной научной конфе­ренции «Прочность и разрушение материалов и конструкций». (Оренбург, 2008); на XX Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и спла­вов», посвященная 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина. (Пермь. 2010г.)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных ра­бот, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и спи­ска цитируемой литературы. Результаты диссертации изложены на 148 страницах текста, содержит 40 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 133 наиме­нования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и направление исследований.

В первой (обзорной) главе проанализировано современное состояние исследова­ний по вопросам процесса разрушения алюминиевых сплавов при эксплуатации в коррозионной среде. Рассмот­рены работы, в которых выявлены особенности процессов развития пластической дефор­мации и разрушение при коррозии под напряжением, изменение дислокационной структуры, изменение основных механических свойств, связь между структурой и свойствами. Проанализированы методики исследования структуры и свойств алюми­ниевого сплава Д16АТ, ГОСТы и общие требования к методам испытаний образцов при одноосном растяжении с целью определения сопротивления в условиях коррозионного воздействия, включающие измерение, обработку и оценку результатов испытания.

Анализ работ показал, что систематических исследова­ний характера протекания пластической деформации в условиях агрессивной среды, за­рождения и раз­вития трещин в микроструктуре алюминиевых сплавов проведено недостаточно. В связи с этим актуальным является исследование микроструктурных особенностей, выяв­ляющих механизм разрушения, характер протекания пласти­ческой деформации, а также закономерности зарождения и развития трещин в усло­виях коррозионной среды.

На основе анализа литературных данных сформулированы цель и основные за­дачи иссле­дования.

Во второй главе приведена методика исследования свойств и структуры изучаемого материала.

Для исследования выбран алюминиевый сплав Д16АТ, который применяется в элементах конструкций ответственного назначения в различных областях машиностроения.

Объектом исследования служил холоднокатаный плакированный лист из сплава Д16АТ – пластинки размерами 74 х 14 х 3мм. Из пластинок вырезали плоские образцы по типу 4-28К по ГОСТ 1497-84. Плакирующий слой полностью удаляли с обеих сторон образцов травлением в 7%-ном растворе едкого натра по ГОСТ 2263-79 при температуре 600С, промывали в проточной холодной воде и осветляли в течение 3 мин в 25%-ном растворе азотной кислоты по ГОСТ 704-89. Затем образцы вновь промывали в проточной и в дистиллированной воде и высушивали фильтровальной бумагой. Образцы подвергали закалке и естественному старению с целью рекристаллизации структуры и получения мелких равноосных зерен.

Затем шлифы подвергали электролитическому травлению, выявляющему сетку границ зерен. Предварительное травление образцов позволяло провести выбор на исследуемой поверхности зоны наблюдения за микроструктурой в процессе последующих испытаний на растяжение: трех образцов на воздухе и трех образцов в условиях агрессивной среды.





Величину зерна определяли стандартным методом секущих. Средние размеры зерен в ортогональных направлениях составляют соответственно d1= 24,8 + 0,5мкм, d2=27,3 + 0,4 мкм. На поверхность образцов в соответствии со средним размером зерна наносили делительную сетку со стороной ячеек 25 мкм, по два массива ячеек 20 х 20. Координаты узлов сетки ячеек измеряли на микроскопе “Neophot” с помощью окулярного микрометра МОВ1-15х и устройства для автоматизированной записи координат в компьютер. Измерения каждого образца (как исходных, так и деформированных) проводили шестикратно после каждой ступени деформации в продольном и поперечном направлениях.

Испытание образцов на растяжение на воздухе проводили при наиболее «жестком» напряженно-деформированном состоянии – одноосном растяжении на установке УММ-5 со ступенчатым повышением степени деформации с шагом 5% вплоть до разрушения. После каждой ступени деформации производили измерения координат узлов делительной сетки.

Испытания на растяжение в коррозионной среде проводили по стандартной методике (ГОСТ 9.901.1-89), на установке УММ-5 с дополнительной доработкой и уточнением ряда методических вопросов, связанных с особенностями алюминиевых сплавов. Деформацию осуществляли в несколько ступеней. Скорость деформации образца на каждой ступени составляла 8,510-4с-1. Относительную деформацию образца в процессе растяжения определяли на базе 5 мм с использованием стрелочного индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм (погрешность + 0,002 мм) путем измерения расстояния между контрольными отпечатками алмазной пирамиды. После каждой стадии нагружения проходило время более 7 дней.

По результатам измерений координат узлов делительной сетки находили продольные 11 и поперечные 22 микродеформации, главные микродеформации 1, 2 и их интенсивность и. Величину третьей главной микродеформации находили из условия несжимаемости микрообъема 1+2+3 = 0.

Распределение микродеформаций по величине аппроксимируется нормальным законом. Связь между микродеформациями отдельных зерен оценивали с помощью нормированной автокорреляционной функции микродеформаций. Статистическую обработку указанных выше величин проводили стандартными методами математической статистики.

Помимо качественного анализа микроструктурных особенностей деформации, для изучения механизма ее развития использовали методы количественной (статистической) металлографии.

Методом электронно-зондового анализа с помощью рентгеноспектрального мик­роанализатора определен химический состав сплава.

В третьей главе изложены результаты исследования по влиянию коррозии под на­пряжением на структуру сплава Д16АТ и механизм развития пластической деформа­ции. Микроструктура недеформированных образцов до и после воздействия коррозион­ной среды представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Микроструктура дюралюминиевого сплава Д16АТ (х525)

а – исходная микроструктура до коррозии, б – микроструктура после коррозии

Исследование микроструктуры деформационного рельефа, возникающего на по­верхности образцов при испытании на растяжение на воздухе и в условиях коррозион­ной среды, показало, что в образцах имеет место, усиленное развитие внутризеренного скольжения в полосах деформации. При малой деформации в образцах, испытанных в коррозионной среде, наблюдаются различные системы одинарного и множест­венного скольжения. Значительное количество зерен об­ладают разной кристаллографи­ческой ориентацией, поэтому велика неравномерность распреде­ления следов скольже­ния в зернах.

На начальных стадиях растяжения = 5% в большинстве зёрен малого раз­мера, во­обще не обнаруживается развитие скольжения, но в некоторых соседних зернах уже идет деформация. Выявляется незначительный микрорельеф, который возникает обычно при больших степенях деформации. В некоторых зернах линии сдвига не дохо­дят до границ зерен. Это вызвано скоплением дислокаций на границах зерен. Насыщение дисло­кациями растворяющегося слоя возможно вследствие несоизмеримых величин ско­ростей (околозвуковых) размножения дислокаций, с одной стороны, и процесса рас­творение тела (более секунды), с другой. Это приводит к быстрому насыщению поверх­ностного слоя дислокациями, что создает условия для множественного скольже­ния и, следовательно, для разрушения ранее сформировавшихся плоских скоплений дислока­ций, т.е для релаксации микронапряжений и разупрочнению. Возрастает вероятность скольже­ния и барьерного эффекта в основном ближе к границе зерна и около интерме­таллидных соединений (рис.2).

Рис. 2. Барьерный эффект:

а) около интерметаллидных соединений, б) вблизи границ зерен (х525)

В образцах после выдержки в коррозионной среде и при небольшой деформации происходит незначительное нарушение пассивности по границам зерен и электрохимиче­ское рас­творение с повышенной скоростью, что ведет к началу развития коррозии. Характерной особенностью деформационного микрорельефа в образцах после испыта­ния в условиях коррозионной среды при = 5 % является появле­ние призна­ков смещения по границам зерен (складки в «тройных» точках, уширение границ) (рис.3, а, б).

Рис. 3. Микроструктура сплава Д 16 после испытания в коррозионной среде х525

а, б) = 5 %, в) = 15 %

Уширение межзеренных границ вызвано некоторым растворением и взаимным смещением зе­рен (рис. 3, а). Складки на границах зерен (рис. 3, б) имеют вид темных стреловидных полос, распространяющихся внутрь зерна из «тройных» точек. Такие складки – это своеобразное проявление неоднородной пластической деформации в ­окрестностях «трой­ных» точек, возникающей под влиянием концентрации напряжений при скольжении по границам зерен, и как следствие вызывающей образование микронад­резов. Возникновение концентратора напряжений и его перерастание в первич­ную микротрещину происходит в результате хемосорбционного взаимодействия активных ионов хлора на отдельных неоднородно­стях поверхности сплава и неодинако­вости распределения деформаций (дислокаций), которые приводят к локальной актива­ции поверхности. Следует отметить, что появле­ние признаков первых микротрещин об­наруживается уже при деформации с = 5 % в образцах после испытания в коррозионной среде.

Металлографическое исследование процесса пласти­ческой де­формации в образцах после нагружения в коррозионной среде пока­зало, что на начальных стадиях деформации их микроструктура характеризуется интенсив­ным про­теканием внутризеренного сдвигообразования и появлением смещений по гра­ницам зе­рен, что способствует возникновению микротрещин.

Повышение степени деформации растяжением до 10% образцов на воздухе и в усло­виях коррозионной среды сопровождается дальнейшим развитием деформаци­он­ного микро­рельефа в объемах зерен. Примыкающие к границам зе­рен зоны, свободные от выделе­ний S-фазы, являются анодными по отношению к выделениям по границам зерен и са­мим зернам. Под воздействием коррозионной среды происходит их некоторое растворе­ние и образуются микротрещины. Однако развитие микротрещины может и при­остано­виться именно в тех местах, где располагаются микропоры, в которых происхо­дит «разрыхление» межатомных связей вследствие растворения поверхностного слоя и про­дуктов коррозии (ад­сорбированные промежуточные соединения). Че­рез некото­рое время, если образцы оставить на воздухе, то может про­изойти «за­лечивание» микротрещины оксидной пленкой. Влияние адсорбционных процессов на корро­зию свя­зано с многостадийностью анодного растворения сплава. После каждой ста­дии при раз­грузке образца поверхностные микротрещины возвращаются к ис­ходным размерам и находившаяся в них жидкость вытесняется. Каталитический характер анод­ной реакции растворения в основном алюминия, а также железа и марганца, обусловлен образо­ва­нием промежуточных поверхностно-активных соединений (FeOH)адс, (АlOH)адс, (МnOH)адс. Следует отметить, что в растворе находятся ионы хлора, которые способны конкурировать с ионами ОН и вытеснять их с поверх­ности металла, что приводит к по­давлению каталитического механизма и замед­лению коррозии. Возможно, что молекулы ад­сорбированного вещества стягивают по­верхности трещин и, образуя оксидную пленку препятствуют раскры­тию трещин.

Общим признаком в деформационном микрорельефе всех об­разцов является увели­чение числа полос деформации и перегиба. Полосы деформации располагаются по телу зерен, переходя их границы (рис. 4).

Неравномерность поля напряжений приводит к электрохимической неодно­родно­сти. На дне концентраторов напряжений усиливается анодный процесс, и сплав реагирует с окружающей средой, избирательно частично разрушаясь (рис.4, в).

Рис.4. Микроструктура сплава Д16 после испытания в коррозионной среде, (х 525)

при степени деформации: а) = 10%, б,в) = 15%

Увеличение степени деформации до 15% образцов, испытанных в ус­ловиях коррози­онной среды, сопровождается «огрублением» линий скольжения, рас­фокуси­ровкой и уширением границ (рис. 4, а,б). Линии скольжения становятся «гру­быми» за счет локализации в них деформации. Вместе с этим наблюдается неравно­мерное распреде­ление тонких следов скольжения не только между зернами, но и в пре­делах одного зерна (рис. 5). «Грубые» линии скольжения покрывают целые участки мик­роструктуры, перерезая несколько зерен и переходя от одного зерна к другому. На отдельных участ­ках они тянутся вдоль границ зерен вытянутых в направлении растяжения. Особенно заме­тен межзеренный характер деформационных процессов в об­разцах, подвергнутых коррозии. В них наблюдается возникновение и развитие межкри­сталлитных трещин, кото­рые при большой деформации приводят к транскристаллит­ному разрушению об­разцов (рис.5, б).

Рис.5. Микроструктура сплава Д16 после испытания в коррозионной среде, (х525)

а) «огрубление» полос скольжения ( = 10 %); б, в) микротрещины ( = 15 % )

Исследование поверхности образцов выявило следующие особенно­сти деформации (рис. 4, 5): а) тонкие линии скольжения накладываются на контуры тол­щины границы, где происходит их разрыв, б) ори­ентация линий скольжения тесно свя­зана с ориентацией зерна, в) линии заканчиваются или на сты­ках трех границ, или в мес­тах большого скопления дислокаций, г) образование «складчатости» (т.е. на одних и тех же границах на­кладываются две различные системы линий скольжения, д) линии фор­мируются в спираль­ной форме (рис.5, в).

При растяжении снижается сопротивление деформации. Данное обстоятельство связано с уменьшением уровня поверхност­ной энергии, что способствует облегчению выхода дислокаций на поверх­ность и их стравливание под воздействием коррозионной среды. Снижение сопротивления деформации вызвано в данном случае поперечным скольжением винтовых дисло­каций. Известно, что они обтекают препятствия и могут переходить в другие кристаллографические плоскости того же семейства {111}, т.е. в плоскость поперечного скольжения и далее в плоскость, параллельную первоначальной, где влияние препятствия уже достаточно ослаблено. Полосы двойного поперечного скольжения показаны на рисунке 6 при степени деформации сплава 15,54 %.

Ширина межкристаллитных трещин в различных участках образца имеет разную величину из-за неравномерного распределения деформации.

Рис.6. Четко выраженные грубые полосы скольжения после испытания

на растяжение в коррозионной среде: а) полосы двойного поперечного скольжения, б) ступенька при поперечном скольжении (х525).

Линии скольжения в виде глубоких и четких прямых полос распо­лагаются в основном на светлых участках микрострук­туры. Внутри зерен выявляются области, образовавшиеся под воздействием коррозион­ной среды. Они при травлении выглядят иначе, чем окружающие зерна. Характерным признаком этих областей явля­ется прямолинейность и строгая кристаллографи-ческая направленность либо одной, либо двух па­раллельных границ. Прямоли-нейная граница – это след пересечения поверхности шлифа (зерна) атомной плоскостью, кото­рая представляет плоскость зеркаль­ного отражения – плоскость двойникования (рис. 7).

Рис. 7. Двойники деформации после испытания в условиях коррозионной среды, (х525)

= 15%

Двойниковые границы, возникающие на начальных стадиях деформации, по мере дальнейшего увеличения степени деформации, служат барьерами для дислокаций и способствуют возникновению поблизости от них локальных искажений. Легирующие элементы сплава, находящиеся в условиях коррозионной среды, заметно облегчают про­цесс двойникования.

Таким образом, наблюдаемый хемомеханический эффект прояв­ляется в два этапа: 1)химическое растворение поверхности вызывает поток двойникую­щих дислокаций и рост двойников; 2) механохимическое растворение двойниковых границ приводит к ре­лаксации напряжений и вызывает поток дислокаций.

В процессе деформации образцов в коррозионной среде образовавшиеся много­численные дислокационные сплетения на границах зерен и около частиц интерметалличе­ских соединений вызывают появление фрагментарной структуры. При увеличении степени деформации происходит дальнейшее ее развитие (рис.8).

 Фрагментарная структура сплава Д16Т после испытания в-17

Рис. 8. Фрагментарная структура сплава Д16Т после испытания

в коррозионной среде: а – = 5 %, б – = 10 % в – = 15,5 %, (х525)

Зоны Гинье-Престона, метастабильные выделения S-фазы, а также частицы интерметаллидных нерастворимых соединений элементов, входящих в состав сплава (Al,Cu,Fe,Mn,Si) служат основными пре­пятствиями для движения дислокаций. Разрушение листов из сплава Д16 имеет в основном межкристаллитный характер. Развитие межзеренного разрушения в микроструктуре листов из сплава Д16 подвергнутых коррозии под напряжением, происходит более интенсивно. Причина этого заключается в неоднородности напряженно-деформированного состояния микроструктуры, «разъедании» границ и тела зерен, избирательное растворение анодных составляющих по границам зерен. Некоторое торможение процесса активного растворения поверхностного слоя образцов, по мере увеличения нагрузки обусловлено эластичностью оксидной пленки и ее восстановлением. Оксидная пленка не теряет своей сплошности вплоть до заметных признаков пластической деформации и испытывает воздействие двух конкурирующих процессов – механического разрушения и химического восстановления (репассивации). Преобладание процессов механического разрушения (в областях пересечения плоскостями скольжения поверхности сплава) вызывает зарождение и развитие микротрещин.

В четвертой главе изучены механические свойства алюминиевого сплава Д16АТ и дан сравнительный анализ результатов измерения параметров неоднородности полей пластических микродеформаций с ростом степени макродеформации при одноосном напряженном состоянии на воздухе и в условиях коррозионной среды. Получены данные о корреляции между деформациями отдельных микрообъемов сплава. Проведена оценка вероятности критических микродеформаций в отдельных зернах и вероятности их распространения на пары и тройки зерен-соседей.

При выборе материала для определенной конструкции или изделий ответственного назначения всегда анализируют комплекс механических и коррозионных свойств, присущий данному материалу.

Определены механические свойства образцов из алюминиевого сплава Д16АТ испытанных на одноосное растяжение на воздухе и в коррозионной среде. Механические испытания образцов сплава Д16 в коррозионной среде показали, что предел текучести и временное сопротивление разрыву снижаются, а характеристики пластичности немного увеличиваются. Данные микроструктурного и количественного анализов показали, что обнаруженные изменения свойств обусловлены усилением процессов смещения по границам зерен и их избирательным растворением под воздействием коррозионной среды.

Функции распределения интенсивностей пластических микродеформаций для всех об­разцов со­ответствует нормальному закону. В качестве примера на рисунке 10 показаны одномерные законы распределения пластических микродеформаций по степени деформации. Полученные законы распределения свидетельствуют о том, что количество зерен, деформированных со степе­нью, примерно равной средней величине, снижается с увеличением степени макродеформации (уменьшаются максимальные ординаты плотностей вероятностей).

В сплаве испытанным в коррозионной среде, неоднородность распределения микродеформаций при одной и той же деформации = 10%, меньше, чем на воздухе. В коррозионной среде одна и та же степень деформации достигается при более низких нагрузках, чем при деформации на воздухе.

Следовательно, при оди­наковой степени макродеформации сплава Д16АТ при нагружении в коррозионной среде в нем возникают напряже­ния ниже, чем при деформации на воздухе, что положительно может сказываться на эксплутационных характеристиках, а, следовательно, и на уровень служебных свойств изделий.

В соответствии с величинами предельных макродеформаций и законами распределения микродеформаций, микро­трещины в образцах возникают при нагружении в коррозионной среде уже при степени макродеформации превы­шающей величину = 5% (табл.1), (рис. 10,11). Из рисунка 11 видно, что при = 10 % в образцах, испытанных в коррозионной среде, число микротрещин (k) снижается, но затем при разрыве образца их количество возрастает.

Обнаружено, что при увеличении неоднородности поля микродеформаций – дисперсий и вероятности возникновения и распределения критических деформаций Р ( > ) и Р (, ’ > ) – увеличивается количество микротрещин в микроструктуре. Это подтверждают данные в таблице и кривые на рисунке 11. При макродеформации = 10 % в образцах при испытании их на воздухе вероятность распространения критических деформаций в 4,5 раза меньше вероятности их зарождения. В образ­цах же при испытании их в коррозионной среде вероятность распространения критических деформаций всего лишь в 0,14 раза меньше вероятности их зарождения.

Параметры неоднородности деформации в % сплава Д16АТ

Таблица

Образец Среднее значение макроде- формации, % р % Стандартное отклонение микроде-формаций = L, % Коэффи- циенты вариации микроде-формаций Коэффициенты корреляции микродеформаций зерен Р( >) Р ( >, > )
II
испытание на растяжение на воздухе 5 13,6 1,01 22,8 -32 49 0 0
10,2 1,87 18,4 -16 7 4,5 1,05
13 2,22 16,5 -24 61 37,5 21,2
испытание на растяжение в коррозионной среде 5 15,6 1,3 26,1 -38 72 0,01 0
10 1,8 18,3 -10 54 0,14 0
15 3,1 20,6 -7 49 45,5 28,9

Установлено, что при нагружении в коррозионной среде микродефекты в сплаве не успевают образовываться и распространяться на поверхности сплава, т.к. происходит их «стравливание».

Из таблицы и рисунка 11 следует, что при деформации более 8% значения коэффициентов вариации Jи, характеризующие относительную неоднородность деформации материала, в образцах испытанных на воздухе, в 1,2 раза ниже, чем у образцов испытанных в коррозионной среде. На каждой ступени нагружения примерно пятая часть зерен получает деформацию, равную степени макродеформации. С ростом коэффициент вариации микродеформаций понижается для всех образцов. Следовательно, в образцах при нагружении в коррозионной среде создаются более благоприятные условия для перераспределения микродеформаций.

Стандартное отклонение микродеформаций и (табл.), характеризующее неоднородность (разброс) микродеформаций по величине, увеличивается с ростом задаваемой деформации. В образцах испытанных на воздухе оно возрастает от 1,01 % до 2,22 %, а в образцах испытанных в коррозионной среде от 1,3 % до 3,1 %, что составляет 10 – 20 % от средней деформации образца. Максимальные микродеформации отдельных зерен, превышают в 2 раза макродеформацию образца. С увеличением степени макродеформации функции распределения значений интенсивности микродеформаций становятся более пологими. Следовательно, количество зерен с деформацией, примерно равной среднему значению, понижается (рис. 10).

С помощью одномерных и двумерных законов распределения микродеформаций по парам зерен-соседей в микроструктуре образцов сплава Д16АТ, испытанных на воздухе и в условиях коррозионной среды обнаружено, что вероятность того, что деформации в отдельных зернах превышает значение макродеформации, соответствующей разрушению образца, оказалась больше вероятности того, что деформации, в соседних зернах одновременно превышают то же значение.

Для сплава Д16АТ отмечена анизотропия поля микродеформаций: сечения нормированных автокорреляционных функций микродеформаций различны для ортогональных (относительно оси растяжения) образца направлений (рис. 12). В работе рассчитаны корреляционные функции продольных микродеформаций, характеризующие связь между микродеформациями зерен-соседей, расположенных на расстоянии, кратному характерному размеру зерна. По оси абсцисс отложены расстояния между зернами в относительных единицах. При =1 корреляция рассчитывается между зернами-соседями, а при =2 – между первым и третьим зернами и т.д.

 Сечение двумерных корреляционных функций микродеформаций в образцах-23 Сечение двумерных корреляционных функций микродеформаций в образцах-24

Рис. 12. Сечение двумерных корреляционных функций микродеформаций в образцах сплава Д16АТ в продольном и попречном направлениях к оси растяжения

после испытания на растяжение в коррозионной среде (а) и на воздухе (б).

1-степень макродеформации = 5%, 2- = 10%, 3- = 15 и 13 %

Установлено, что в сплаве Д16АТ при деформации в коррозионной среде до = 10% в направлении оси растяжения, корреляционная связь между деформациями зерен практически отсутствует. Коэффициент корреляции = 12% (рис. 12 а, кривая 2) меньше, чем в образцах испытанных на воздухе = 24% при = 10%. Радиус корреляции (расстояние на котором коэффициенты корреляции принимают нулевое значение) для всех образцов составляет 4-5 характерных размера зерна. Расположенная вдоль оси растяжения корреляционная функция (t,t’) между деформациями зерен имеет периодическую составляющую, а в поперечном направлении (t,t’) затухает экспоненциально.

Выяснено, что отмеченное различие коэффициентов корреляции обусловлено анизотропией поля микродеформаций в продольном и поперечном направлениях. Коэффициенты корреляции микродеформаций пар зерен-соседей, расположенных вдоль оси растяжения и перпендикулярно к ней , имеют разные значения, причем коэффициенты корреляции поперечных микродеформаций несколько выше, чем продольных (таблица). Высокие значения коэффициентов корреляции микродеформаций пар зерен-соседей свидетельствуют о более высокой вероятности возникновения деформаций, превышающих предельную величину деформации () одновременно в двух соседних микрообъемах. Следовательно, распространение трещин в сплаве наиболее вероятно в направлении, перпендикулярном оси растяжения. Корреляционная функция для образцов испытанных при растяжении в условиях коррозионной среды не затухает на всех этапах растяжения. Влияние предшествующей обработки на поведение материала сохраняется вплоть до его разрушения.

Общие выводы.

1. Установлено, что при деформации в коррозионной среде в микроструктуре сплава Д16 появляются признаки смещения по границам зерен и первые микротрещины вследствие проявления неоднородности пластической деформации. Воздействие коррозионной среды усиливает образование микротрещин, которые могут «залечиваться» на воздухе оксидной пленкой благодаря адсорбционным процессам.

2. Показано, что в образцах после испытания в коррозионной среде возникающие механические напряжения ниже, чем в образцах, испытанных на воздухе.

3. В образцах, испытанных на воздухе, вероятность распространения критических деформаций в 4,5 раза меньше вероятности их зарождения. В образцах же при испытании их в коррозионной среде вероятность распространения критических деформаций всего лишь в 0,14 раза меньше вероятности их зарождения. Под воздействием коррозионной среды микродефекты в микроструктуре сплава хотя и образуются, но не успевают распространяться по поверхности сплава из-за их «стравливания».

4. Установлено, что при нагружение в коррозионной среде, вследствие развития пластической деформации, роста вероятности появления и вероятности распространения локальных микродефектов и их «стравливания» вызывает понижение предела текучести, снижение прочности на 9 % и увеличение пластичности на 14 %, что положительно может оказать влияние на эксплутационные характеристики изделий и «живучести» материала в элементах конструкций в условиях действия коррозионной среды.

5. Обоснована методика определения величины накопленной при нагружении в коррозионной среде деформации по характеристикам микроструктуры и механическим свойствам, позволяющая определять вероятности возникновения и распространения кри­тических микродеформаций в процессе изготовления и эксплуатации изделий, при нарушении плакированного слоя, что дает возможность выбора коэффициента запаса по предельной деформа­ции.

6. Результаты по определению ве­роятностей появления и распространения локальных перегрузок в микрострук­туре сплава Д16АТ на воздухе и в условиях коррозионной среды позволили скорректировать технологию изготовления металлообрешетки за счет уточнения радиуса гиба, а также за счет доработки прокатного стана (на­стройка прокатных роликов) и штампов и по­лучить экономический эффект.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Шаклеина В.А. Влияние коррозионной среды на неоднород­ность пластических деформаций в микроструктуре алюминиевого сплава Д16(2024) / В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Издательский дом «Фолиум». - 2010. - № 1. - с.37-45.

2. Шаклеина В.А. Исследование неоднородности пластических микродеформаций в алюминиевом сплаве Д16(2024) / В.А. Шаклеина, В.М. Замятин, Карицкая С.Г. //Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение. – 2010. № 5. - с.46-48

3. Шаклеина В.А. Влияние коррозии на параметры неоднородно­сти напряженно-деформированного состояния и микроструктуру листов алюми­ниевого сплава Д16 /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин, Н.В. Десятов //Заводская лаборатория. - М.: ООО Издательство "ТЕСТ-ЗЛ" - 2010. - № 10. - с. 45-47

В следующих работах

4. Шаклеина В.А. Экспериментальные законы распределения микро­деформаций алюминиевого сплава Д16(2024) /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //Материалы ХХХVI Ураль­ского семинара по механике и процессам управления.- Миасс. 2006. - с.239-242.

5. Шаклеина В.А. Неоднородность напряженно-деформированного состояния микроструктуры алюминиевого сплаваД16(2024) /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //Материалы ХХХVII Уральского семинара по механике и процессам управления посвященных 150-ле­тию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева». – Миасс. – 2007 - с.269-271.

6. Шаклеина В.А. Исследование неоднородности деформации в микроструктуре алюминиевого сплава Д16(2024) /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //XIX Уральская школа метал­ловедов-термистов. Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения академика Садовского В.Д.. Екатеринбург. – 2008. - с.231.

7. Шаклеина В.А. Экс­периментальное определение параметров распределения пластических деформа­ций в алюминиевом сплаве Д16(2024) /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //V международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» Оренбург - 2008. - с.34-35.

8. Шаклеина В.А. Исследование микроструктуры образцов из сплава Д16 в условиях одноосного растяжения и коррозионной среды. /В.А. Шаклеина, В.М. Замятин //XX Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина. - Пермь. - 2010. - с.58.

____________________________________________________________________

Подписано в печать 16.11.2010г. Формат 60х84 1/16. Объем 1,0 п. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 101

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УРФУ

620002, Екатеринбург, ул. Мира,19

Ризограф филиала ГОУ ВПО УРФУ в г. Первоуральске

623100, Первоуральск, Свердл. обл., пр. Космонавтов,1



 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.