Изследване на пукнатиноустойчивостта на сплав AlSi12CuMgNi
(със съкращения)

ст.н.с.Росица Ковачева, н.с.Ленко Станев, ст.н.с.Юлиан Давидов
Институт по металознание, БАН


Investigation of the crack resistance of AlSi12CuMgNi alloy
(in brief)

Rosiza Kovacheva, Lenko Stanev, Youlian Davidov
Institute of Metal Science, Bulgarian Academy of Science


The aim of the present work is to investigate the crack resistance of AlSi12CuMgNi alloy by studying the morphology of the surfaces formed after crack propagation as well as to establish the influence of the microstructural components on the type of fracture and the critical stress intensity factor Kc in plane stress loading conditions.

The fracture processes in 4 modifications of the AlSi12CuMgNi alloy are investigated: after T1 and T6 heat treatment, after reinforcement with ceramic fibres and in the form of a pseudoalloy composition with a stainless steel.

The investigations are carried out by means of a standard method consisting of a fatigue precracking and next three point bending. The crack path is followed by a metallographic microscope. The critical stress intensity factor Kc values are calculated after the experimental data.

It is established that the microstructural phases in the AlSi12CuMgNi alloy do not resist the crack propagation thus determining a brittle type of fracture.

The choice of an appropriate heat treatment could be a possibility for the crack resistance raising of the AlSi12CuMgNi alloy – the crack resistance of the alloy after T6 heat treatment is higher than after T1 heat treatment.

The reinforcement with ceramic fibres deteriorates the crack resistance of the AlSi12CuMgNi alloy.

The composite of the AlSi12CuMgNi alloy and the ductile stainless steel is of highest crack resistance among the investigated materials.




Въведение

Цел на настоящата работа е да се изследва пукнатиноустойчивостта на сплав AlSi12CuMgNi като се проследи морфологията на повърхностите, получени при разпространение на пукнатина и се установи влиянието на отделните елементи на микроструктурата върху характера на разрушаване и критичните стойности на коефициента на интензивност на напреженията Кс в условията на равнинно напрегнато състояние.


Експериментална част

Изследвани са процесите на разрушаване в следните модификации на сплав AlSi12CuMgNi, чиито микроструктури са показани на фиг.1:
  1. след термообработка по режим Т1 – стареене 6 часа при 210ºС (фиг.1а);
  2. след термообработка по режим Т6 – хомогенизация 6 часа при 510ºС и следващо стареене при 210ºС в продължение на 6 часа (фиг.1б);
  3. композитен материал на основата на сплав AlSi12CuMgNi, армирана с 18 об.% къси керамични влакна от смес Al2O3 и SiO2 в съотношение 80:20. Влакната са разположени хаотично в една равнина и металографското наблюдение се извършва точно в нея (фиг.1в);
  4. композитен материал от типа на псевдосплавите, който се състои от синтерован скелет от неръждаема стомана Х18Н10 с отворени пори, пропит със сплавта AlSi12CuMgNi. Обемното съдържание на алуминиевата сплав е около 43-45% (фиг.1г).
От всички изследвани материали са изработени по 4 стандартни пробни тела с надрез за изпитване на ударна жилавост [2]. Повърхностите на образците, перпендикулярни на надреза, са мокро шлифовани, полирани с диамантени пасти и разядени с 0,5% воден разтвор на HF. След нанасяне на уморна пукнатина образците са подложени на статично триточково огъване със скорост на натоварване е 0,02 mm/s. Моментът на тръгване на пукнатината се регистрира по метода на потенциалните разлики.

Критичните стойности на коефициента на интензивност на напреженията в условията на равнинно напрегнато състояние Кс са изчислени за всеки материал въз основа на данните от експеримента съгласно [2].

Пътят на уморната пукнатина във всяко пробно тяло се наблюдава с помощта на оптичен металографски микроскоп при увеличения 200-1000х и се фотографира. След триточковото огъване разпространението на пукнатината се проследява и фотографира отново.


Резултати и обсъждане

Стойностите на якостта на опън Rm и на коефициента на интензивност на напреженията Кс на изследваните материали са показани в табл.1, а на фиг.2 – 5 е проследено металографски разпространението на пукнатината в микроструктурата на всеки материал.

Табл.1 Якост на опън и коефициент на интензивност на напреженията на изследваните материали

Материал
Якост на опън Rm, MPa
Kc, MРaVm
Сплав AlSi12CuMgNi след Т1
240
9,6
Сплав AlSi12CuMgNi след Т6
350
12,5
Сплав AlSi12CuMgNi, армирана с керамични влакна
220
6,9
Композит от неръждаема стомана и сплав AlSi12CuMgNi
125
18,8

фиг.1а х300 фиг.1б х300
фиг.1в х300 фиг.1г х300
фиг.2а х300 фиг.2б х300
фиг.3а х160 фиг.3б х160
фиг.4а х600 фиг.4б х600
фиг.5а х160 фиг.5б х600

1. Сплав AlSi12CuMgNi, термообработена по режим Т1
Фазите в сплавта не оказват съпротивление на нарастването на пукнатината - тя се разпространява транс- и интеркристално, като преминава през α-твърдия разтвор и чупи силициевите частици и интерметалните съединения - фиг.2а. Около пукнатината и върха й в α-твърдия разтвор се наблюдава ясно изразена зона на пластична деформация с малки размери - фиг.2б. Разрушаването е крехко - Кс има сравнително ниска стойност.

2. Сплав AlSi12CuMgNi, термообработена по режим Т6
Пукнатината се разпространява както транскристално през α-твърдия разтвор и евтектичните колонии, така и интеркристално по границите на вторичните дендритни разклонения - фиг.3а,б. Наблюдава се зона на пластична деформация в α-твърдия разтвор около пукнатината и върха й. Размерите на пластично деформираните микрообеми са по-големи от тези в сплавта след термообработка Т1. Разрушаването е крехко, но Кс има по-високи стойности от тези след термообработка Т1.

3. Сплав AlSi12CuMgNi, армирана с керамични влакна
Пукнатината се разпространява транс- и интеркристално през твърдия разтвор, интерметалните съединения и силициевите частици. Тя преминава през армиращите керамични влакна независимо от тяхната пространствена ориентация и ги чупи - фиг.4 а,б. Не се наблюдава разпространяване на пукнатината по граничната повърхност алуминиева сплав-керамични влакна, което е свидетелство за добра връзка между двата материала. Пластична деформация настъпва само в ограничени обеми от сравнително пластичния твърд разтвор - наблюдават се линии на плъзгане в тясна ивица около пукнатината и върха й. Характерът на крехко разрушаване, установен металографски, се потвърждава и от ниските стойности на Кс. Очевидно керамичните влакна влошават пукнатиноустойчивостта на сплавта.

4. Композит от неръждаема стомана и сплав AlSi12CuMgNi
Пукнатината преминава предпочитателно транскристално през алуминиевата сплав и по границата алуминиева сплав – стомана - фиг.5а. Линии на плъзгане се наблюдават в алуминиевата сплав в много малки обеми, ограничени около пукнатината. В стоманата се наблюдава по-висока степен на пластична деформация в по-големи по размер области - фиг.5б. Стоманата като високопластичен материал повишава пукнатиноустойчивостта на композита - Кс има относително висока стойност и най-висока за изследваните материали.


Заключение

В резултат на проведените изследвания е установено, че фазите в сплавта AlSi12CuMgNi: α-твърд разтвор, евтектични Si-частици и интерметални съединения не оказват съпротивление на нарастването на пукнатина и предопределят крехък тип на разрушаване. Пластична деформация се наблюдава в малки обеми от твърдия разтвор около върха на пукнатината.

Изборът на подходяща термообработка крие възможности за повишаване на пукнатиноустойчивостта на сплав AlSi12CuMgNi. След термообработка от типа Т6 сплавта има по-висока устойчивост срещу разпространение на пукнатини отколкото след термообработка Т1.

Армирането с керамични влакна намалява пукнатиноустойчивостта на сплавта AlSi12CuMgNi.

Композит от сплав AlSi12CuMgNi и високопластичен материал като неръждаемата стомана има по-добро съпротивление срещу нарастване на пукнатини от това на сплавта AlSi12CuMgNi след термообработка или армиране с керамични влакна.


Литература
  1. Еwalds H., R. Wonhill, Fracture mechanics, Edward Arnold Publ., Delft, 1985, p.13
  2. ASTM E 399-90, Annual Book of ASTM Standards, vol. 03.01, 1990