Исследование изменения макроструктуры металла упрочненных цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т вследствие температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА УПРОЧНЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ИЗ СПЛАВОВ В95 И Д16Т ВСЛЕДСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЫДЕРЖЕК И МНОГОЦИКЛОВЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

В.П. Радченко

А.П. Морозов

Основной задачей современного машиностроения и авиадвигателестроения является повышение срока службы и надежности изделий с одновременным снижением (или хотя бы неувеличением) их массы. Конструктивные методы повышения прочности при переменных нагрузках приводят, как правило, к увеличению массы конструкций и числа комплектующих, усложнению технологии изготовления, ухудшают унификацию и стандартизацию.

Одним из основных резервов повышения сопротивления усталости деталей с концентраторами напряжений является применение современных поверхностно упрочняющих технологий, при котором не происходит изменений ни геометрических параметров детали, ни ее массы [1-4]. Увеличение предела сопротивления усталости после поверхностного пластического деформирования детали связано с изменением физико-механического состояния поверхностного слоя и наличием в нем сжимающих остаточных напряжений. Кроме этого, важную роль играют параметры шероховатости поверхности, ее микротвердость, степень и глубина деформационного упрочнения, искажение кристаллической решетки, изменение формы и размера зерна, плотность дислокаций и другие параметры. Поэтому изучение влияния упрочнения на параметры усталости должно носить комплексный характер: как с позиций механики деформируемого твердого тела, так и с позиций металлофизики.

Так, в работе [5] изучено влияние пневмодробеструйной обработки на остаточные напряжения и предел выносливости плоских образцов из сплава ЭИ698 ВД, а в [6] поставлена и решена задача оценки влияния многоцикловых усталостных испытаний на характеристики шероховатости и микротвердости указанных выше образцов и показано, что по длине образца наблюдается крайне неравномерное распределение микротвердости, а параметры шероховатости малочувствительны к многоцикловым испытаниям.

В работе [7] рассмотрено влияние режимов пневмодробеструйной обработки (ПДО) и последующих термоэкспозиций (ТЭ) и усталостных испытаний на характеристики шероховатости и микротвердости поверхностного слоя цилиндрических образцов из алюминиевых сплавов В95 и Д16Т с концентраторами напряжений полукруглого профиля с радиусами R = 0,3 мм и R = 0,5 мм. Анализ образцов, проведенный как после пневмодробеструйной обработки, так и после пневмодробеструйной обработки с последующей термоэкспозицией (температурной выдержкой при T = 125 оС без нагрузки), позволил установить ряд следующих интересных результатов: 1) пневмодробеструйная обработка значительно влияет на рост микротвердости (в особенности на образцах из сплава В95, где ее значения возрастают на 1000-3000 НК по сравнению с исходной неупрочненной структурой); 2) термоэкспозиция снижает значение микротвердости до исходного состояния, что особенно заметно для образцов из сплава В95; 3) пневмодробеструйная обработка повышает параметры шероховатости поверхностного слоя; термоэкспозиция не оказывает влияния на эти параметры.

Рис. 1. Внешний вид разрушенных образцов

В настоящей работе выполнен макроструктурный анализ состояния материала исследованных в [7] цилиндрических образцов из алюминиевых сплавов В95 и Д16Т.

Методика проведения эксперимента. Исследованию подвергались полые цилиндрические образцы с внешним диаметром 15 мм и внутренним отверстием диаметром 5 мм, изготовленные из алюминиевых сплавов В95 и Д16Т. Внешний вид разрушенных образцов представлен на рис. 1.

Рассматривались образцы как после пневмодробеструйной обработки, так и после пневмодробеструйной обработки с последующей термоэкспозицией в течение 100 ч при температуре 125 оС. Пневмодробеструйная обработка осуществлялась при давлении воздуха 0,25 МПа стальными шариками радиусом 2 мм. После этого резцом наносились полукруглые концентраторы R = 0,3 мм или R = 0,5 мм. На упрочненных образцах и образцах, прошедших термоэкспозицию, были проведены усталостные испытания на базе 106 циклов. Таблица содержит основную информацию по исходным характеристикам образцов.

В отличие от работы [7], где были исследованы параметры микротвердости по длине образца, в настоящей работе исследована микротвердость по глубине поперечного (разрушенного) сечения (шлифа) образцов. Измерение микротвердости по Кнуппу производилось с помощью микротвердомера ММ6 фирмы Leitz.

Для выявления размера зерна был проведен ряд вспомогательных операций: шлифовка образцов на шлифовальном круге, шлифовка с помощью абразивной шкурки, полировка. Для выявления границ зерен применялся травитель: 1,0 мл HF; 26 мл HNO3; 1,6 мл HCl; 100 мл H2O. Продолжительность травления составляла 10 с. После травления шлифы промывали горячей водой, сушили в струе воздуха.

Исходные характеристики образцов

Результаты экспериментов и их обсуждение. Первый этап работы заключался в исследовании микротвердости по Кнуппу по глубине шлифа: в качестве примера на рис. 2 и 3 приведены распределения микротвердости по глубине L поперечного шлифа для образцов №23 (сплав В95) и №21 (сплав Д16Т) после дробеструйной обработки, из которых следует, что в упрочненной зоне значения микротвердости заметно выше, чем в более отдаленных от поверхности зонах. По-видимому, это связано с наличием значительных остаточных сжимающих напряжений в поверхностно

Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине поперечного шлифа в образце №23 (В95, ПДО) Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине поперечного шлифа в образце№21 (Д16Т, ПДО) упрочненном слое образцов.

Действительно, как следует из экспериментальных данных работы [8], область сжимающих остаточных напряжений для упрочнённых цилиндрических образцов из этих сплавов составляет 500-600 мкм, и именно такой же является область повышенных значений микротвёрдости (см. рис. 2 и 3). температурный металл цилиндрический микротвердость

Рис. 4. Трещины в упрочненном слое. Ч56

Второй этап работы заключался в проведении макроструктурного анализа зоны разрушения. Особый интерес представляют трещины, образованные в упрочненном слое, идущие вглубь от поверхности образца (рис. 4).

Металлографический анализ, проведенный в поперечном сечении, показывает, что образцы после ПДО имеют три характерные зоны (в качестве примера на рис. 5 представлен образец №15 из сплава Д16Т).

1. Поверхностная (рис. 5, а), которая представляет собой темно-травящийся слой. Здесь структура очень дефектна за счет высокой степени наклепа. Сплав В95 имеет более темную поверхностную зону (это связано с большим значением микротвердости в этом сплаве). Глубина этого слоя составляет примерно 540 мкм для сплава В95 (рис. 2) и 480 мкм для сплава Д16Т (рис. 3).

2. Основная (рис. 5, б), протяженность которой составляет величину порядка 40 мм. Это зона, в которой имеется также большое количество дефектов, в основном сконцентрированных по границам зерен. Зерна имеют вытянутую форму по образующей цилиндрического образца, приобретенную вследствие упрочнения.

3. Глубинная (рис. 5, в), в которую плавно переходит основная зона. Эта область характеризуется сравнительно небольшим количеством дефектов. Здесь зерна имеют форму, образовавшуюся в ходе получения прессованного полуфабриката, из которого изготовлены образцы.

Влияние ТЭ на изменение структуры зерен показано на рис. 6. Установлено, что поверхностная зона становится более светлой, так как нагрев до 125 °С в течение 100 ч приводит к уменьшению числа дефектов в структуре: устраняются точечные и линейные несовершенства. В основной зоне уменьшается травимость границ зерен, что связано с уменьшением их дефектности. На рис. 6 (б, в) четко просматриваются темные фазы сложного состава, которые представляют собой первичные интерметаллиды литейного происхождения.

Рис. 5. Три зоны в поперечном сечении образа №15 (Д16Т) после ПДО. Ч400

Рис. 6. Три зоны в поперечном сечении образа №34 (Д16Т) после ПДО+ТЭ. Ч400

Выводы по работе. Проведенный анализ образцов как после пневмодробеструйной обработки, так и после пневмодробеструйной обработки с последующей термоэкспозицией позволил сформулировать нижеследующие выводы.

1. Макроструктурный анализ выявил наличие очага разрушения на всех исследуемых образцах и ручьистый излом в виде ступенек. В упрочненном слое наблюдалось большое количество трещин.

2. Распределение микротвердости по глубине поперечного шлифа упрочненных цилиндрических образцов крайне неоднородное: в упрочненной (периферийной) зоне значения микротвердости значительно выше, чем в более отдаленных от поверхности зонах.

3. Макроструктурный анализ поперечного сечения образцов выявил наличие трех ярко выраженных зон: сильно наклепанной поверхностной, дефектной основной и слабодефектной глубинной.

4. Термоэкспозиция приводит к частичному уменьшению признаков наклепанной структуры. Внешним проявлением этого является релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое, наблюдаемая после термоэкспозиции [8], что, по-видимому, обусловлено деформацией ползучести и процессом перераспределения напряжений во времени.

Библиографический список

Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. - М.: Машиностроение, 1974. - 250 с.

Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. -64 с.

Кирпичев В.А., Букатый А.С. Влияние режимов пневмодробеструйной обработки на остаточные напряжения, микротвердость и сопротивление усталости // В сб.: Физика прочности и пластичности материалов. Труды XVII Международной конференции. - Самара: СамГТУ, 2009. - Т. 1. - С. 109-111.

Радченко В.П., Морозов А.П., Букатый А.С. Влияние многоцикловых усталостных испытаний на физико-механическое состояние упрочненного слоя плоских образцов // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки, 2009. - № 3(25). - С. 158-165.

Радченко В.П., Морозов А.П. Экспериментальное исследование влияния пневмодробеструйной обработки, температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний на физико-механическое состояние упрочненного слоя цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т образцов // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2010. - № 5(21). - С. 222-228.

Аннотация

Изучено влияние многоцикловых усталостных испытаний и температурных выдержек на макроструктуру металла цилиндрических образцов из сплавов Д16Т и В95, предварительно упрочненных пневмодробеструйной обработкой. Установлено, что распределение микротвердости по глубине поперечного шлифа упрочненных образцов неоднородно - в упрочненной (периферийной) зоне оно значительно выше, чем в более отдаленных от поверхности зонах. Микроструктурный анализ поперечного сечения образцов выявил наличие трех ярко выраженных зон: сильно наклепанной поверхностной, дефектной основной и слабодефектной глубинной. Установлено, что термоэкспозиция приводит к частичному уменьшению признаков наклепанной структуры.

Ключевые слова: цилиндрические образцы, упрочнение, температурные выдержки, усталостные испытания, макроструктура металла.

Размещено на Allbest.ru