, Hradec nad Moravicí ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI AL SLITIN AA 2017, AA 2007 A AA2015

Transkript

1 ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI AL SLITIN AA 2017, AA 7 A AA2015 FATIGUE PROPERTIES OF AL ALLOYS AA2017, AA7 AND AA2015 Jiří Faltus a), Eva Bendíková a), Jan Siegl b) a) VÚK Panenské Břežany, s.r.o. Panenské Břežany 50, 70 Odolena Voda, jiri.faltus@cbox.cz b) ČVUT-FJFI katedra materiálů, Trojanova 13, Praha 1 ČR, siegl@kmat.fjfi.cvut.cz Abstrakt Příspěvek pojednává o únavových vlastnostech hliníkových slitin Al Cu4MgSi (AA2017), Al Cu4PbMgMn (AA7) a nové bezolovnaté obrobitelné slitiny Al CuMgMnSnBi (AA2015). Únavové zkoušky byly provedeny na plochých lisovaných tyčích o rozměrech 90 x 20 mm připravených v běžných provozních podmínkách firmy ALCAN Děčín. Zkoušky proběhly za těchto podmínek: zkušební tyče kruhové s vrubem (Kt=2), frekvence: Hz s míjivým zatížením (R=0) s ukončením zkoušky do lomu na hladinách namáhání σ max = 150 až 270 MPa. Byl proveden podrobný rozbor mikromorfologických charakteristik lomových ploch, se zaměřením na popis mechanismů únavového porušení sledovaných hliníkových slitin. Abstract Present paper deals with fatigue, structural and mechanical properties of aluminium alloys Al Cu4MgSi (AA2017), Al Cu4PbMgMn (AA7) and new lead-free machinable alloy Al CuMgMnSnBi (AA2015). The extruded flat bars 90 x 20 mm in final temper T2 were used for tests. Bars were manufactured in the plant of Alcan Děčín by a usual production method. Fatigue properties were determined by a standard method using circular specimens with notch (Kt=2). A cyclic loading at frequency of Hz and R=0 with stress amplitude σ max from 150 to 270 MPa was used. Detailed studies of the micro-morphological characteristics of the fracture surfaces, focusing on description of the fatigue failure mechanisms of the aluminium alloys were carried out. 1 ÚVOD V nedávné době byly vyvinuty a zavedeny do výroby nové obrobitelné slitiny hliníku, ve kterých je toxické olovo jako přísada lámající třísku nahrazeno netoxickým cínem v kombinaci s bismutem (AA AlMgSiSnBi a AA AlCuMgMnSnBi) [1-4]. Tyto nové slitiny se nejčastěji používají pro součástky v automobilovém průmyslu, kde použití slitin hliníku s obsahem Pb bylo vyhláškou Evropské únie značně omezeno. Z těchto důvodů únavové vlastnosti nových slitin nabývají na významu. Na předcházejících konferencích Metal 4 a 6 jsme publikovali výsledky studia únavových vlastností kruhových tyčí malého průměru ze slitin AA6023 a AA2015 v porovnání s tradičními olovnatými obrobitelnými slitinami AA66262 a AAA7 [5,6]. Náš příspěvek shrnuje výsledky studia únavových vlastností plochých tyčí 90 x 20 mm zhotovených z bezolovnaté obrobitelné slitiny Al CuMgMnSnBi (AA2015) v porovnání s konstrukční duralovou slitinou bez nízkotavitelných kovů Al Cu4MgSi (AA2017) a také tradiční olovnatou obrobitelnou slitinou Al Cu4PbMgMn (AA7).. 1

2 2 EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA MĚŘENÍ 2.1 Materiál Zkoušky únavy byly provedeny na lisovaných a tažených plochých tyčích 20 x 90 mm ze slitin AA2017, AA7 a AA2015, všechny ve stavu T2. Tyče byly připraveny v běžných výrobních podmínkách firmy ALCAN Děčín-Extrusions, s.r.o. Chemické složení zkoušených slitin je v tab.1. Tab. 1 Chemické složení sledovaných slitin [hm.%] Table 1 Chemical composition of investigated alloys in wt.%] Slitina/Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Pb Bi Sn Al AA , ,037 0,09 0,021 0,0139 0,006 0,009 Zbytek AA ,081 0, ,061 0,04 0,018 1,1185 0,019 0,006 Zbytek AA , ,996 0,012 0,01 0,023 0, Zbytek 2.2 Strukturní a mechanické vlastnosti a fraktografická analýza Metalografický rozbor byl proveden na podélných řezech zkušebními tyčemi. Rozbor světelnou mikroskopií byl proveden za použití mikroskopu NIKON EPIPHOT s tří čipovou barevnou kamerou HITACHI pro obrazovou analýzu se softwarem LUCIA a rozbor metodou řádkovací elektronové mikroskopie (REM) pomocí mikroskopu DSM 940 s vlnovým spektrometrem WDX - 3PC MICROSPEC. K určení mechanických vlastností byly použity hladké zkušební tyče o průměru 7 mm. Morfologie lomových statických i únavových lomu byla provedena pomocí světelného stereomikroskopu (ve zvětšení 4 x až 75 x) a pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu JSM 840A s digitálním záznamem snímků (zvětšení 15 x až x). 2.3 Únavové zkoušky Pro zkoušky byly použity válcové zkušební tyče o průměru těla 9,3 mm, se závitovými hlavami M16x1 a s vrubem K t = 2,0. Zkoušky proběhly na vysokofrekvenčním pulsátor RUMUL Testronic 8601, 100kN s použitím míjivého zatěžování (R = 0), s frekvencí Hz. Zkoušky proběhly na šesti hladinách namáhání při σ max od 130 do 280 MPa. Z naměřených hodnot byly sestaveny Wıhlerovy křivky. 3 VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1 Mikrostruktura Rozložení komplexních konstitučních fází Al x (Fe,Si,Mn,Cu) y a fáze CuMgAl 2 případně CuAl 2 jsou u všech tří slitin kvalitativně podobné. Fáze jsou řádkovitě uspořádány ve směru lisování. Mezi fázemi jsou i fáze s obsahem nízkotavitelných kovů Pb, Bi, v případě AA7 a Sn a Bi v případě AA2015. Fáze Pb a Bi jsou poněkud jemnější než fáze Sn a Bi ve struktuře tyčí ze slitiny AA2015 (viz obr.1). Z hlediska světelné mikroskopie byla struktura tyčí u všech sledovaných slitin vláknitá. 2

3 a) b) Obr. 1 Rozložení fází Al x (Fe,Si,Mn,Cu) y (šedé), CuAl 2 a CuMgAl 2 (růžové) fází s obsahem Pb, Bi a Sn (tmavé) a) AA7 b) AA podélný řez Fig. 1 Distribution Al x (Fe,Si, Mn) y (grey), CuAl 2 and CuMgAl (pink) phases and phases Pb, Bi and Sn (dark) in structure of (dark) AA7 alloy (a) and AA2015 alloy (b) longitudinal section *** 3.2 Mechanické vlastnosti Tyče ze slitiny AA7 vykazovaly nejvyšší pevnostní vlastnosti (Rp a Rm) i tvrdost, následovala slitina AA2017. Nejnižší mechanické vlastnosti měla slitina AA2015 (viz tab.2). Tab. 2 Mechanické vlastnosti slitin AA2017, AA7 a AA2015 ve stavu T2 Table 2 Mechanical properties of investigated alloys AA2017, AA7 and AA2015 in temper T2 Slitina/ Alloy Rp 0.2% [MPa] Rm [MPa] A [%] Ve směru lisování, direction of extrusion () AA ,8 + 0,9 AA ,0 + 1,1 AA ,8 +1,2 Kolmo na směr lisování, perpendicular direction ( ) AA ,6 + 1,6 AA ,6 + AA ,6 + 1,2 U všech tří slitin byly pevnostní vlastnosti (Rp a Rm) ve směru kolmém na směr lisování cca o 50 MPa nižší než ve směru lisování, přičemž tažnosti byly mírně vyšší (tab.2). U všech tří slitin se mechanické vlastnosti a tvrdost značně měnily po šířce plochých tyčí. Pevnostní vlastnosti (Rp a Rm) a tvrdost byly ve střední části menší než v krajových oblastech (obr.4). 3.3 Únavové vlastnosti Výsledky měření únavové životnosti v podélném směru (pro tyče odebrané ze středu) () a příčném směru (), graficky zpracované v souřadnicích S max logn jsou uvedeny na obr.5 až 7. 3

4 R p 0,2 (M P a ) HV AA 7 AA AA 2015 Kraj Střed Střed Kraj 115 Poloha a) b) Obr. 4 Rp (a) a HV30 (b) versus poloha po šířce plochých tyčí 90 x 20 mm Fig. 4 Rp (a) and HV30 (b) versus the place of breadth wise of the flat bar 90 x 20 mm *** Smax / Rp /1/ 50 1,0E+08 a) Obr. 5 Wıhlerova křivka S max log N (a) a (S max /Rp) log N (b) pro slitinu AA2017 Fig. 5 Wıhler curve S max log N (a) and (S max /Rp) log N (b) for AA2017 alloy b) Wıhlerovy únavové křivky všech sledovaných materiálů mají obdobný průběh. V oblasti počtu cyklů do lomu kolem 10 6 dochází k prudkému zlomu. Tento zlom se nachází v oblasti napětí S max =130MPa. Pokud existují mezi slitinami rozdíly, tak je to v oblasti napětí nad touto hodnotou Smax / Rp /1/ AA7-T ,0E+08 a) Obr. 6 Wıhlerova křivka a) S max log N (a) a (S max /Rp) log N (b) pro slitinu AA7 Fig. 6 Wıhler curve S max log N (a) and (S max /Rp) log N ( b) for AA7 alloy b) 4

5 ,0E+08 Smax / Rp /1/ Obr. 7 Wıhlerova křivka S max log N (a) a (S max /Rp) log N (b) pro slitinu AA2015 Fig. 7 Wıhler curve S max log N (a) and (S max /Rp) log N (b) for AA2015 alloy V případě, že se nezohledňují různé statické mechanické vlastnosti jednotlivých slitin, tak nejlepší únavové vlastnosti vykazuje slitina AA2017, pak slitina AA7 a nejnižší únavová životnost patří slitině AA2015, která má ale výrazně nižší pevnostní hodnoty (obr.8a a 9a). Pokud se zohlední rozdíly v pevnosti mezi slitinami tak, že únavové křivky se vynesou v normovaném tvaru, tj. jedná se o závislost logn-(s max /R p ), pak zůstává z hlediska únavové odolnosti nejlepší slitina AA2017 a rozdíly mezi obrobitelnými slitinami AA7 a AA2015 se stírají. Tyto závěry platí jak pro případ zkoušek v podélném směru, tak pro případ příčného směru (viz obr.8b a 9b). U všech tří slitin byla prokázána anizotropie únavových vlastností. Únavová životnost v příčném směru jsou (stejně jako u statických mechanických vlastností) nižší. Únavové křivky v příčném směru jsou posunuty ve srovnání s křivkami pro podélný směr k nižším hodnotám. Rovněž ke zlomu křivek v příčném směru dochází při nižším napětí než v podélném směru. Toto posunutí je u obrobitelných slitin 15 až 20MPa, u slitiny AA2017 cca 5MPa Smax / Rp /1/ Obr. 8 Vypočtené Wıhlerovy křivky S max logn (a) a (S max /Rp) log N (b) pro všechny slitiny, Fig. 8 Calculated Wıhler curves S max log N (a) and (S max /Rp) log N (b) for all alloys, ** 5

6 Smax / Rp /1/ Obr. 9 Vypočtené Wıhlerovy křivky S max logn (a) a (S max /Rp) log N (b) pro všechny slitiny, Fig. 9 Calculated Wıhler curves S max log N (a) and (S max /Rp) log N (b) for all alloys, 3.4 Porušení při únavové zkoušce Byl proveden metalografický rozbor únavových lomů na podélném osovém řezu tyčemi. Ukázalo se, že charakter únavového porušování byl u slitin AA7 a AA2015 kvalitativně shodný a probíhal především mechanismem tvorby striací. Rovněž charakter únavového porušení slitiny AA2017 byl podobný, v některých aspektech se ale lišil, což bude popsáno v dalších bodech. - Lomové plochy únavových tyčí byly kolmé k podélné ose tyče, a to jak u tyčí odebraných ve směru, tak kolmo na směr lisování (obr.10). Pouze u tyčí ze slitiny AA2017 odebraných ve směru lisování byly lomové plochy únavových tyčí skloněny pod úhly od 30 do 60 k ose namáhání (obr.10). - Na podélném osovém řezu porušenou zkušební tyčí je zřejmé, že lomová plocha se rozpadá na dvě oblasti. Relativně hladká oblast iniciace a krystalografického a striačního šíření únavové trhliny a oblast statického dolomení s členitým povrchem, připomínající lom při tahové zkoušce (obr.10). S poklesem maximálního namáhání se zpravidla zvýšila hladká oblast únavové trhliny, tedy oblast vzniku a šíření. - Byla zjištěna násobná iniciace únavové trhliny na dně vrubu. U všech slitin v oblasti šíření únavové trhliny vykazovala lomová plocha řadu vedlejších trhlin (obr.11). - Z hlediska charakteru mikromorfologie oblastí iniciace nebyly mezi studovanými slitinami nalezeny žádné významné rozdíly. Proces únavového porušování byl u všech tří slitin kvalitativně shodný a podle charakteru morfologie lomu ho lze rozdělit na tři etapy (obr.12): a) iniciace a na ni navazující etapa krystalografického šíření únavových trhlin, b) šíření únavových trhlin striačním mechanismem, c) dolomení zbytku nosného průřezu tvárným transkrystalickým lomem. 6

7 Oblast statického dolomení Final ductile fracture Oblast iniciace a šíř. únav.trhliny Initiation and follow-up stage of crystallographic propagation AA2015 (cykly ) foto138-4 Oblast iniciace a šíř. únav.trhliny Oblast statického dolomení Initiation and follow-up stage of crystallographic propagation Final ductile fracture a) AA7 (cykly ) foto316-6 b) Obr. 10 Podélný osový řez lomem a pohled na povrch lomu téhož vzorku: AA2015 () (a), AA7 () (b) Fig. 10 Section through fracture area and overall fracture surface of the sample: AA2015 alloy () (a), AA7 alloy () (b) AA2017 a) foto AA2015 b) foto Obr.11 Iniciace vedlejších trhlin a) AA2017 (a) a AA2015 (b) Fig. 11 Initiation of the side crack AA7 alloy (a) and AA2015 alloy (b) ** 7

8 zv.3000 x zv.3000x zv.1000 x Obr.12 Iniciace a následné krystalografické stádium šíření (a), oblast striačního šíření (b) únavové trhliny a oblast závěrečného dolomení (c), vzorek:aa2015 Fig. 12 Initiation and follow-up stage of crystallographic propagation of fatigue cracks (a), fatigue cracks through the striations (b) and final ductile fracture (c), sample: AA2015 alloy 4 SOUHRN VÝSLEDKŮ a) Wıhlerovy únavové křivky všech sledovaných materiálů měly obdobný průběh. V oblasti počtu cyklů do lomu kolem 10 6 dochází k prudkému zlomu. Tento zlom se nachází v oblasti napětí S max =130MPa. Pokud existovaly mezi slitinami rozdíly, tak je to v oblasti napětí nad touto hodnotou. b) V případě srovnávání absolutních hodnot vykazovala nejlepší únavové vlastnosti slitina AA2017, pak slitina AA7 a nejnižší únavová životnost patřily AA2015, která ale vykazovala výrazně nejnižší pevnostní hodnoty. c) Při zohlední rozdílů v pevnosti mezi slitinami tím způsobem, že únavové křivky se vynesou v normovaném tvaru to je logn-versus podíl (S max /R p ), pak z hlediska únavové odolnosti byla také nejlepší slitina AA2017, ale rozdíly mezi obrobitelnými slitinami AA7 a AA2015 se setřely. Tyto závěry platí jak pro zkoušky v podélném směru, tak ve směru příčném. d) U všech tří slitin byla prokázána anizotropie únavových vlastností. Únavové křivky v příčném směru ve srovnání s křivkami pro podélný směr byly posunuty k nižším hodnotám. e) Proces únavového porušování byl u sledovaných slitin AA2017, AA7 a AA2015 kvalitativně shodný a probíhá především mechanismem tvorby striací. f) Iniciace únavových trhlin proběhla na povrchu zkušebních tyčí a to nejčastěji na tvrdých ostrohranných fázích, kde došlo k největšímu stupni koncentrace napětí. Poděkování: Výzkumné práce byly finančně podporovány MŠMT v rámci projektu s názvem Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů (1M ). Autoři touto cestou děkují za pomoc. Experimentální materiál byl připraven v ALCAN-Děčín Extrusions, s.r.o. Za spolupráci autoři děkují vedení této firmy. Použitá literatura [1] Faltus, J.: Výzkumná zpráva VÚK 08/7 [2] Faltus, J.: : Výzkumná zpráva VÚK 25/7 [3]Faltus, J.: Siegl, J. Očenášek, V.- Adámek, L.: in: Proc. of 15. Internat.Metallurg. Symposium METAL 6, ed.: Prnka T., Hradec n. Moravicí, 6 [3] Faltus, J.: Výzkumná zpráva VÚK 29/3 [4] Siegl, J.: Fraktografická analýza únavových lomů tělels vyrobených z Al-slitin 7, 2015 a 2017, V-KMAT-694/07 8