Исследование микроструктуры магния при усталостных испытаниях

24.01.2017

Испытания чистого магния. Ханекомб и Мэй исследовали поведение чистого магния и некоторых малолегированных сплавов при осевом нагружении в зависимости от напряжения, температуры и величины зерна. Результаты испытаний для чистого магния могут быть сведены к следующему:
а) при комнатной температуре усталостное разрушение является транскристаллитным. причем трещины начинаются явно в базисных полосах скольжения, в местах, где они прерываются (при высоких напряжениях иногда встречаются двойники и тогда трещины образуются на границах между двойником и матрицей);
б) при 250° С усталостное разрушение — интеркристаллитное, причем трещины начинаются около границ зерен. При этой температуре происходит образование субзерен, особенно в областях, примыкающих к границам зерен, и в зернах, которые не показывают явных полос скольжения. Имеет место также значительная миграция границ зерен. Разрушение при высоких напряжениях начинается образованием трещины на стыке трех зерен, а при низких напряжениях — соединением пор на границах зерен;
в) при 150° С характер разрушения зависит от величины зерна. Крупнозернистый материал разрушается транскристаллитно, мелкозернистый — интеркристаллитно (рис. 259);
г) крупнозернистый магний показывает более низкую циклическую прочность при комнатной температуре, чем мелкозернистый. При 250° С различие между крупнозернистым и мелкозернистым магнием меньше, хотя, по-видимому, носит такой же характер. При очень высоких температурах, когда границы зерен становятся более слабыми, чем сами зерна, можно ожидать, что крупное зерно будет предпочтительней с точки зрения жесткости и циклической прочности. Это имеет место в случае сплава Magnox А12 (AL80) при 450° С.
Исследование микроструктуры магния при усталостных испытаниях

Мэй и Ханекомб, исследуя сплавы с 0,2% (ат.) цинка, алюминия и свинца, обнаружили для цинка заметный положительный эффект. Они объясняют этот эффект упрочнением твердого раствора, указывая, что цинк увеличивает критическое скалывающее напряжение для базисного скольжения в большей степени, чем алюминий. Как цинк, так и алюминий повышают температуру перехода от транскристаллитного к интеркристаллит-ному разрушению, поэтому при 150° С все образцы разрушились транскристаллитно.
Влияние легирования на поведение при усталостных испытаниях. О влиянии легирования на поведение магния при усталостных испытаниях имеется немного данных. В общем для гладких образцов наиболее высокая циклическая прочность наблюдается у высокопрочных сплавов. Так, сплавы MSR, RZ5 и TZ6 показывают наиболее высокую циклическую прочность среди литейных сплавов, и хотя сплав Z5Z немного прочнее сплава RZ5, он определенно менее плотный. Обработка на твердый раствор сплавов А8 и AZ91 сопровождается в каждом случае увеличением как предела прочности, так и предела выносливости. Полная термическая обработка сплава AZ91, увеличивая предел текучести, уменьшает предел выносливости до значений, более низких, чем в литом состоянии. С другой стороны, пластичность значительно снижается. В случае закалки путем охлаждения в воде при обработке на твердый раствор предел прочности полностью термически обработанного сплава может быть повышен на 8 кГ/мм2. Однако никакого улучшения в пределе выносливости на базе 50*10в6 циклов при этом не происходит.
В случае деформируемых сплавов циклическая прочность прессованных сплавов AZM и ZW3 является такой же, как у литейных сплавов, и относительно высока. Циклическая прочность же жаропрочных деформируемых сплавов, таких, например, как сплав ZTY, относительно низка, если иметь в виду средние свойства этих сплавов при комнатной температуре. Бухман, рассматривая циклическую прочность прессованных сплавов, предполагает, что она в первую очередь зависит от упрочнения самого твердого раствора и в меньшей степени от упрочнения за счет распада твердого раствора. Интерес мог бы представить сплав MSR, у которого механические свойства после обработки на твердый раствор невысоки, однако никаких усталостных испытаний этого сплава в указанном состоянии, по-видимому, не проводили.
Жаропрочные сплавы хорошо сохраняют свои усталостные свойства по мере повышения температуры. В общем оказывается, что факторы, которые способствуют высокому пределу прочности при повышенных температурах, способствуют также сопротивлению усталости.
При плавных надрезах (коэффициент концентрации напряжений равен 2) сплавы Z5Z и TZ6 показывают очень слабую чувствительность к надрезу, в то время как сплав RZ5 оказывается относительно нечувствительным к надрезу даже при надрезах с коэффициентом концентрации напряжений, равным 3.
Таким образом, на практике эффекты, связанные с составом сплава, могут подавляться эффектами, связанными с состоянием поверхности. Так, Фаунд не наблюдал значительной разницы между каким-либо из литейных сплавов типа Mg—Al в любом состоянии при испытаниях литых панелей на переменный изгиб.
Влияние на сопротивление усталости микропористости и включений. Баск исследовал влияние микропористости на сопротивление усталости полированных образцов при испытаниях на изгиб с вращением. Он обнаружил значительное снижение циклической прочности с увеличением микропористости, оцениваемой радиографическим методом. Это согласуется с исследованиями полированных образцов, вырезанных из литых изделий. При испытаниях на переменный изгиб литых панелей Фаунд показал, что микропористость оказывает слабое влияние на результаты испытаний при условии, что она не выходит на поверхность.
Ван Дузее исследовал сопротивление усталости поковок из сплава ZK60A с различным содержанием богатых цирконием частиц и сделал важный с практической точки зрения вывод, что эти частицы не влияют на результаты. Однако Ван Дузее не исключает возможности того, что продольные цепочки твердых частиц, богатых цирконием, в готовых деформированных изделиях будут влиять на циклическую прочность при напряжениях, действующих в поперечном направлении. Это влияние будет сильнее, если эти цепочки будут лежать близко к поверхности.
Подводя итог сказанному выше, можно отметить, что внутренние включения и пористость не влияют заметно на циклическую прочность, по крайней мере, в литом состоянии и при испытаниях на изгиб. То же самое справедливо, вероятно и для деформированного состояния и для осевого нагружения, так как даже при осевом нагружении начало разрушения наблюдается на поверхности.
Зарождение и распространение трещин. По вопросу зарождения и распространения трещин в сплавах, представляющих практический интерес, имеется мало опубликованных сведений. Из того, что было сказано выше о влиянии микроструктуры при усталостных испытаниях, по-видимому, следует, что в сплавах с высокой пластичностью при нормальных температурах усталостные трещины будут зарождаться на полосах скольжения или на краях двойников. В то же время при высоких температурах или в сплавах с хрупкими составляющими на границах зерен разрушение будет начинаться образованием трещины в стыке трех зерен или объединением микропор. Работа Брауна показывает, что быстрое распространение усталостных трещин может начинаться на поздних стадиях испытаний, и что это, вероятно, согласуется с данными одной неопубликованной работы, согласно которой распространение усталостных трещин происходит в магнии более быстро, чем в алюминии.