NEHOMOGENITA A ANIZOTROPIE ÚNAVOVÝCH VLASTNOSTÍ VÝLISKŮ ZE SLITINY HLINÍKU AA6082

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

NEHOMOGENITA A ANIZOTROPIE ÚNAVOVÝCH VLASTNOSTÍ VÝLISKŮ ZE SLITINY HLINÍKU AA6082 FATIGUE PROPERTIES HETEROGENEITY AND ANISOTRPY OF EXTRUSIONS FROM AA6082 ALLOY Vladivoj Očenášek*, Petr Sedláček**, Miroslav Jelínek** *VÚK Panenské Břežany,s.r.o., Panenské Břežany 50, 250 70 Odolena Voda, e-mail: [email protected] ** STROJMETAL KAMENICE,a.s., Ringhofferova č.66, 251 68 Kamenice Abstrakt Slitina AA6082 patří v současné době mezi slitiny, které jsou hojně používány v automobilovém průmyslu na výlisky a výkovky. Výchozím materiálem pro výkovky jsou obvykle výlisky. Při studiu struktury výkovků je nutné znát nejen parametry kování a konečného tepelného zpracování, ale i podmínky, za kterých jsou vyráběny výlisky. Příspěvek se zabývá nehomogenitou a anizotropií únavových vlastností výlisku o rozměrech 107 x 16,7 mm2, který se používá při kování výkovků pro automobilový průmysl. Jsou uvedeny výsledky vysokocyklové únavy v podélném a příčném směru vzhledem ke směru lisování. Zkoušky byly provedeny na materiálu tepelně zpracovaném na stav T6. Zatěžování proběhlo míjivým cyklem (R=0) na jedné hladině namáhání při napětí 150 MPa na zkušebních tělesech s vrubovitostí Kt=2,0. Byla prokázána výrazná anizotropie únavových vlastností, kdy únavové životy v příčném směru jsou pro pravděpodobnost do poruchy P=50% 25 x nižší než v podélném směru. Nehomogenita únavových vlastností v podélném směru po průřezu profilu prokázána nebyla. Abstract The AA6082 alloy is at present largely used in automotive industry in the form of extrusions and forgings. The input products for forgings are usually extrusions. To understand the evolution of forgings microstructure, it is indispensable to have information not only about forging parameters and heat treatment but also about extrusion manufacturing conditions. The paper deals with the heterogeneity and anisotropy of fatigue properties of extrusions of size 107 x 16.7 mm2 used as an input material for automotive forgings. The results of high cycle fatigue tests of specimens taken from extrusions in longitudinal and transversal directions are reported. Samples processed to T6 temper were tested. Tests with loading cycle asymmetry R=0, stress-concentration factor Kt=2.0 and stress level Smax=150 MPa were carried out. It was found out that the fatigue lives with probability to failure P=50% of the specimens cut in the transversal direction are 25-times lower as compared to the specimens cut in the longitudinal direction. The testing did not give evidence of any heterogeneity of fatigue properties along the cross section in the longitudinal direction. 1. ÚVOD Lisované profily větších průřezů z vytvrzovatelných slitin hliníku jsou charakteristické výraznou nehomogenitou a anizotropií vlastností. Původ této nehomogenity i anizotropie spočívá ve vzájemném působení nehomogenní deformace při lisování a rozpadem tuhého roztoku při vytvrzování. Zejména v leteckém a automobilovém průmyslu je nutné pro konkrétní výrobek (výlisek, výkovek) znát kritická místa, kde lze očekávat minimální

1

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ vlastnosti, které potom rozhodují o užitných vlastnostech výrobku. Pozornost z hlediska nehomogenity a anizotropie vlastností je věnována především vysokopevným slitinám používaných v letectví. Častěji je věnována pozornost mechanickým vlastnostem, méně již vlastnostem únavovým. Pozornost byla zatím soustředěna zejména na letecké vytvrzovatelné vysokopevné slitiny řady 2XXX, 7XXX a slitiny hliníku legované Li [1-10]. Slitinám se střední pevností, typu Al-Mg-Si, zatím taková pozornost věnována nebyla. V souvislosti se zvyšujícími se nároky na konstrukční materiály, které se používají v automobilovém průmyslu a s tendencí používat svařované konstrukce i v letectví, se obrací pozornost i na slitiny řady 6XXX. Předmětem výzkumu, kterému je věnován tento příspěvek, je v současné době v automobilovém průmyslu velmi využívaná slitina této řady - slitina AA6082. Typickým výrobkem této slitiny jsou zápustkové výkovky, pro které se obvykle používá jako vstupní materiál průtlačně lisovaná tyč nebo profil. Nehomogenita a anizotropie struktury a vlastností je již charakteristickým rysem výlisku, kdy při usměrněném toku materiálu lisovací matricí vzniká velmi výrazná vláknitá struktura. Tato struktura se potom v průběhu tváření v zápustce výrazně mění. Pro predikci konečných vlastností výkovků je proto žádoucí sledovat změny struktury a vlastností, ke kterým dochází při deformaci výlisků za tepla. Vlastnosti výlisků se následně přenášejí i do výkovků. Tento příspěvek je věnován sledování nehomogenity a anizotropie únavových vlastností výlisku, který se používá jako vstupní materiál na výrobu zápustkového výkovku. Součástí hodnocení únavových zkoušek byla i fraktografická analýza lomových ploch na řádkovacím elektronovém mikroskopu (ŘEM) a metalografické hodnocení příčných řezů lomovou plochou. Příspěvek navazuje na předchozí práce věnované tomuto výlisku při sledování nehomogenity a anizotropie statických mechanických vlastností [11]. Cílem únavových zkoušek bylo zjistit nehomogenitu a anizotropii únavových životů, tj. zjistit, zda se podélné únavové vlastnosti mění stejně jako mechanické vlastnosti v závislosti na místě odběru po průřezu, a jak se liší podélné únavové životy od únavových životů v příčném směru. 2. EXPERIMENTÁLNÍ METODY Pro experimentální práce byl vybrán výlisek ze slitiny AA6082. Chemické složení použitého materiálu je uvedeno v Tabulce 1. Ke zkouškám byly použity přířezy délky 370 mm odebrané z lisovaného profilu obdélníkového průřezu 107x16,7 mm2. Z těchto přířezů se kovají ve Strojmetalu Kamenice,a.s. výkovky používané v automobilovém průmyslu. Tabulka 1 Chemické složení experimentálního materiálu Table 1 Chemical composition of investigated alloy Prvek Hm.%

Si 1,01

Fe 0,17

Cu 0,067

Mn 0,66

Mg 0,84

Cr 0,16

Zn 0,030

Ti 0,032

Přířezy pro kování se používají v lisovaném nevytvrzeném stavu. Nicméně únavové vlastnosti výlisku byly sledovány ve vytvrzeném stavu, a to v příčném (T) i podélném (L) směru. Směr (L) odpovídá směru lisování. V podélném směru tak byly po průřezu odebrány vzorky pro výrobu únavových tyčí v pěti různých místech a byly označeny čísly 1 až 5. Zkušební tyče v příčném směru byly označeny číslem 6. Orientace, umístění a označení zkušebních těles pro zkoušky únavy jsou uvedeny na Obr.1. Zatěžování proběhlo na únavovém stroji Testronic 7805 míjivým cyklem (R=0) na jedné hladině namáhání při napětí 150 MPa na zkušebních tělesech se závitovou hlavou M16x1 s vrubovitostí Kt=2,0 (Obr.2). Z každého místa po průřezu v podélném i v příčném směru bylo vždy zkoušeno 5 až 8 vzorků. Testovací

2

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ frekvence se pohybovala kolem 100Hz. Parametry tepelného zpracování na stav T6 byly následující: rozpouštěcí žíhání 530°C/1h, ochlazení ve vodě teploty 20°C a bezprostřední umělé stárnutí 160°C/10h.

T

1 2 3 4 5

T (┴)

L (//)

6

Obr.1 Schéma odběru zkušebních těles z výlisku pro únavové zkoušky (L, T)

S

Fig.1 Placement of fatigue test (T, L) specimens in an extruded section

L

Obr.2 Zkušební tyč pro únavové zkoušky Fig.2 Fatigue test specimen

3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE 3.1 Výsledky únavových zkoušek

99,5 Výlisek AA6082-T6 Smax = 150 MPa R = 0, Kt = 2,0

98 95 90 80

Pravděpodobnost do poruchy P /%/


Výsledky únavových zkoušek jsou uvedeny na Obr.3 až 5, kde jsou v logaritmickonormálním pravděpodobnostním měřítku vyneseny distribuční křivky únavových životů zjišťované v podélném a příčném směru. Homogenita podélných únavových životů je znázorněna na Obr.3. Ukázalo se, že nejmenší životy v místech měření 3, 4 a 5 lze na základě

5// 1//

70

P=50%

50 30 20

3//

10 5 2

Odlehlé hodnoty

0,5 1E+5

4// Různá místa po průřezu

1E+6

2//

1E+7

99,5 98 95 90 80 70 50 30 20 10 5 2

┴

P=50%

1,47.105

Výlisek AA6082-T6 Smax = 150 MPa R = 0, Kt = 2,0

0,5 1E+5

1E+6 Počet cyklů do lomu N /1/

Počet cyklů do lomu N /1/

Obr.3 Rozdělení únavových životů v podélném směru v různých místech průřezu

Obr.4 Rozdělení únavových životů v příčném směru Fig.4 Fatigue lives distribution for the Tdirection

Fig.3 Fatigue lives distribution for different position in the cross section, L-direction

3



testování považovat za odlehlé a je možné je ze souborů vyřadit. Po jejich vyřazení se ukázalo, že distribuční křivky v jednotlivých místech 1 až 5 se významně neliší a že je možné všechny údaje sloučit do jednoho souboru. To znamená, že se nepodařila na rozdíl od mechanických vlastností [11], prokázat 99,5 závislost únavových životů v podélném 98 Výlisek AA6082-T6 směru na místě odběru po průřezu. 95 Smax = 150 MPa Únavové životy v podélném směru lze 90 R = 0, Kt = 2,0 80 ┴ proto považovat za homogenní po průřezu 70 // výlisku. Rozdělení únavových životů 50 P=50% v příčném směru je uvedeno na Obr.4. 30 20 Rozptyl výsledků v příčném směru je 10 výrazně nižší než ve směru podélném. 5 38,8.105 5 1,47.10 2 Významný rozdíl je i v úrovni životů. 0,5 Vezmeme-li pravděpodobnost do porušení 1E+5 1E+6 1E+7 P=50% jako odhad střední hodnoty únavových životů, pak v podélném směru Počet cyklů do lomu N /1/ je střední život roven 38,8.105 cyklů, v příčném směru je to pouze 1,5.105 cyklů. Obr.5 Porovnání únavových životů V příčném směru je tak únavová odolnost v podélném a příčném směru sledovaného profilu (za daných podmínek Fig.5 Influence of the testing direction on the zkoušení) 25x nižší než ve směru fatigue lives podélném. 3.2 Výsledky hodnocení lomových ploch Lomové plochy porušených únavových tyčí byly hodnoceny jednak metalograficky na příčném řezu a jednak na ŘEM. Výsledky analýz vybraných typických lomových ploch jsou uvedeny na Obr.6 až 11. Jak z metalografického hodnocení, tak i z fraktografické analýzy vyplývá významný vliv usměrněné vláknité struktury na morfologii lomové plochy, což dokresluje významný vliv struktury výlisků na únavové životy. Na metalografických řezech jsou velmi dobře patrná místa iniciace, krystalografického šíření, šíření magistrální trhliny i statického dolomení. Oblast únavového porušení je ve všech případech charakterizována transkrystalickým lomem bez viditelných makroplastických deformací, oblast statického dolomení vykazuje vždy velmi členitý povrch s viditelnými znaky plastické deformace v okolí statického dolomení (Obr.6). U příčných těles, kdy jsou plastické vlastnosti v tomto směru výrazně nižší, nejsou tyto makroplastické deformace pozorovány (Obr.7). Pozorován je však větší výskyt sekundárních trhlin vycházejících z lomové plochy (obr.12).

Iniciace

Statické dolomení

Šíření

Obr.6 Příčný řez lomovou plochou únavové tyče, L (//), vz.č.5-4, N= 6,3.105 Fig.6 Cross section of the fatigue crack, L-direction, cycles to failure N= 6,3.105

4

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Rozdíl mezi „příčnými“ a „podélnými“ lomovými plochami je rovněž velmi dobře charakterizován vlivem vláknité struktury na průběh únavového porušení. Zatímco na lomové ploše tyče odebrané v podélném směru je velmi dobře patrná oblast krystalografického šíření v oblasti iniciace únavové trhliny (Obr.8), u zkušebních tělesech odebraných v příčném směru je tato oblast nevýrazná a v některých případech nelze přesně místo iniciace určit. Iniciace

Statické dolomení

Šíření

Obr.7 Příčný řez lomovou plochou únavové tyče, T (┴), vz.č.6-2, N=1,5.105 Fig.7 Cross section of the fatigue crack, T-direction, cycles to failure N= 1,5.105

Obr.8 Lomová plocha únavové tyče, L (//), vz.č.5-4, N= 6,3.105

Obr.9 Lomová plocha únavové tyče, T (┴), vz.č.6-2, N=1,5.105

Fig.8 Fatigue crack surface, L-direction, cycles to failure N=6,3.105

Fig.9 Fatigue crack surface, T-direction, cycles to failure N= 1,5.105

5


Obr.10 Příčný řez lomovou plochou únavové tyče, T (┴), vz.č.6-3, N=1,9.105 Fig.10 Cross section of the fatigue crack, T-direction, cycles to failure N= 1,9.105

Obr.11 Lomová plocha únavové tyče, T (┴), vz.č.6-3, N=1,9.105

Obr.12 Trhliny ve statické části lomové plochy, T(┴), vz.č.6-6, N=2,3.105

Fig.11 Fatigue crack surface, T-direction, cycles to failure N= 1,9.105

Fig.12 Secondary cracks on static part of crack surface, T-direction, cycles to failure N= 2,3.105

V případě analýzy únavových lomových ploch zkušebních těles odebraných kolmo na směr lisování vyplynulo, že místo iniciace lomu je nezávislé na orientaci vláken (patrných na lomové ploše) vzhledem ke směru šíření únavové trhliny. U sledovaného souboru osmi zkušebních těles se úhel, který svírá směr šíření trhliny se směrem vláken lisované struktury, měnil od 0 do 90°, tj. nebyl žádný úhel preferován. Na Obr.9 a 11 jsou uvedeny dva z těchto

6

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ případů. To je rovněž patrné na metalografických snímcích příčného řezu vedeného ve směru šíření trhliny a kolmo na rovinu trhliny. Pro každé těleso byl pozorován jiný tvar zrn, v závislosti na tom, pod jakým úhlem byla lisováním usměrněná zrna protnuta (Obr.7 a 10). 4. ZÁVĚRY Výsledky hodnocení nehomogenity a anizotropie únavových vlastností lisovaného profilu ze slitiny AA6082-T6 lze stručně shrnout do těchto bodů: 1) Únavové životy v podélném směru se v závislosti na místě odběru zkušebního tělesa po průřezu profilu nemění. 2) Únavové životy v příčném směru mají na sledované hladině namáhání menší rozptyl než únavové životy v podélném směru. Střední únavový život charakterizovaný pravděpodobností do poruchy P=50% je pro příčný směr 25x nižší než pro podélný směr. Střední hodnoty jsou 1,5.105, resp. 38,8.105 cyklů. 3) Únavové lomové plochy se významně liší jak v oblasti vzniku, tak v oblasti šíření trhliny. Pro příčný směr je oblast krystalografického šíření neznatelná. Lomová plocha v oblasti šíření sleduje vláknitou strukturu výlisku. Místo iniciace je u příčného směru nezávislé na úhlu, který svírá směr šíření se směrem vláken lisované struktury. Uvedené závěry je nutné vztahovat k podmínkám, při kterých byly provedeny únavové zkoušky. Poděkování: Výsledky uvedené v tomto příspěvku byly získány při řešení projektu „Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů“ č.1M2560471601 podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy a Strojmetalem Kamenice, a.s. LITERATURA [1] PALMER, I.G., LEWIS, R.E., CROOKS, D.D.: In Sborník z konference Aluminum Lithium Alloys, Eds.:TMS-AIME, Warrendale, PA, 1981, p. 241. [2] TEMPUS, G., CALLES, W., SCHORF,G.: Mat. Sci. and Techn. 7 (1991) p. 937. [3] CHOI, S.H., BARLAT, F., LIU, J.: Materials Science Forum, Vols.331-337, 2000, p. 1327. [4] HALES, S.J.-HAFLEY, R.A.: Materials Science Forum, Vols. 331-337, 2000, p. 1347. [5] SOLAS, D.-CANOVA, G.-BRECHET, Y.-SAINFORT, P.: Materials Science Forum, Vols. 217-222, 1996, p. 1533. [6] OČENÁŠEK, V., ŠPERLINK, K., FRIDLYANDER, J.N., LESHINER, L.N.: Materials Science Forum, Vols. 217-222, 1996, p. 1349. [7]CIESLAR, M., STULÍKOVÁ, I., OČENÁŠEK, V.: Materials Science Forum Vols.396402, 2002, p. 1241. [8] OČENÁŠEK, V., SEDLÁČEK, V., ŠPERLINK, K.: In: Processing and Manufacturing of Advanced Materials THERMEC 2000, Eds.: Elsevier Science 2001, p. 51. [9]SAUER, C., BUSONGO, F., LÜTJERING, G.: Materials Science Forum, Vols.396-402, 2002, p. 1115. [10] OČENÁŠEK, V., CIESLAR, M.: Fatigue Inhomogeneity and Anisotropy of Agehardenable Al-alloys Extrusions, Kovové materiály, 41, 2003, č.5. [11] OČENÁŠEK, V., SEDLÁČEK, P., JELÍNEK,M.: Nehomogenita struktury a vlastnosti výlisků ze slitiny hliníku AA6082. In Metal 2006 : 15.mez.metal.konference: 23.- 25.5.2006. Hradec nad Moravicí, Česká republika [CD-ROM]. Ostrava:Tanger: Květen 2006, 99, ISBN 80-86840-18-2.

7

NEHOMOGENITA A ANIZOTROPIE ÚNAVOVÝCH VLASTNOSTÍ VÝLISKŮ ZE SLITINY HLINÍKU AA6082

Recommend Documents