ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI OBROBITELNÝCH HLINÍKOVÝCH SLITIN AA 2007 A AA2015 FATIGUE PROPERTIES OF MACHINABLE ALUMINIUM ALLOYS AA2007 AND AA2015 Jiří Faltus a), Jan Siegl b), Vladivoj Očenášek a) Klára Dalíková b) a VÚK Panenské Břežany, s.r.o. Panenské Břežany 50, 250 70 Odolena Voda, E-mail: jiri.faltus@cbox.cz b ČVUT-FJFI katedra materiálů, Trojanova 13, 120 00 Praha 1 ČR, E-mail siegl@kmat.fjfi.cvut.cz Abstrakt Příspěvek seznamuje s únavovými, strukturními a mechanickými vlastnostmi hliníkových slitin Al.Cu4PbMgMn (AA2007) a nové bezolovnaté obrobitelné slitiny Al.CuMgMnSnBi (AA2015). Únavové zkoušky byly provedeny na lisovaných a tažených tyčích jmenovitého průměru 18 mm ve stavu T2. Tyče byly připraveny v běžných provozních podmínkách firmy ALCAN Děčín. Pro únavové zkoušky byly použity válcové zkušební tyče (Ø 9,3 mm), s vrubem (Kt = 2). Zkušební tělesa byla zatěžována míjivým zatížením (R = 0) na hladinách σ max = 250, 230, 210, 190, 170, 150 MPa a s frekvencí 100 Hz. Zkoušky byly ukončeny buď při porušení tyče, nebo po dosažení 12 10 6 zatěžovacích cyklů. V navazující etapě prací byla provedená podrobná fraktografická analýza porušených zkušebních těles, jejímž cílem byl popis mechanismů únavového porušení sledovaných hliníkových slitin. Abstract Present paper deals with fatigue, structural and mechanical properties of aluminium alloys Al.Cu4PbMgMn (AA2007) and new lead-free machinable alloy Al.CuMgMnSnBi (AA2015). The extruded and drawn rods 18 mm in diameter in final temper T2 were used for tests. Testing rods were manufactured in the plant of ALCAN Děčín by a usual production method. Fatigue properties were determined by a standard method using circular specimens 9,3 mm in diam. and with notch (Kt=2). Stress amplitude σ max = 250, 230, 210, 190, 170, 150 MPa was used. A cyclic loading at frequency of 100 Hz and R=0. Detailed studies of the micromorphological characteristics of the fracture surfaces, focusing on description of the fatigue failure mechanisms of the aluminium alloys were carried out. The present work was supported by the Grant Agency of Czech Republic (contract No. 106/03/0772) 1 ÚVOD Ve světě se až dosud vyráběly a všeobecně komerčně používaly tři základní typy obrobitelných slitin: AlCu6BiPb, AlMgSiPb a AlCu4PbMg(Mn). Současně legislativní předpisy Evropského společenství silně omezily obsah olova v kovech a slitinách. Například podle směrnice 2000/53/EC "End of Life Vehicles Directive" přijaté Evropským parlamentem v září 2000, je 1
v tvářených Al slitinách používaných pro výrobu dopravních prostředků omezen obsah olova maximálně na 0,4 hm.%. Ve všech třech typech uvedených obrobitelných Al slitin je však obsah Pb větší. Z uvedených důvodů byla značná pozornost věnována vývoji nových typů slitin, které by olovo neobsahovaly. Na tomto vývoji se ve spolupráci s firmou ALCAN Děčín Extrusion, s.r.o. podílel VÚK Panenské Břežany, s.r.o. Byly vyvinuty tři nové obrobitelné slitiny, ve kterých je toxické olovo jako přísada lámající třísku nahrazeno netoxickým cínem, případně kombinací cínu a bismutu (AlCuSnBi, AlMgSiSnBi a AlCuMgMnSnBi) [1-4]. Významnou součástí vývoje nových slitin bylo ověření jejich únavových vlastností, neboť o vlivu olova a bismutu na únavové vlastnosti Al slitin byly k dispozici jen sporadické znalosti. Předmětem grantového projektu 106/03/0772 bylo tyto znalosti rozšířit. Na předcházejících konferencích Metal 2004 a Metal 2005 jsme publikovali výsledky studia vlivu nízkotavitelných kovů Pb, Bi a Sn na únavové vlastnosti slitin typu Al-Mg-Si [5,6]. Předkládaný příspěvek shrnuje výsledky analogického porovnání pro Al-slitiny duralového typu. V průběhu prací byly realizovány experimentální práce zaměřené na studium únavových vlastností nové bezolovnaté obrobitelné slitiny Al CuMgMnSnBi (AA2015) a tradiční komerční olovnaté obrobitelné slitiny Al Cu4PbMgMn (AA2007). 2 EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA MĚŘENÍ 2.1 Materiál Zkoušky únavy byly provedeny na lisovaných a tažených tyčích jmenovitého průměru 18 mm z obrobitelné bezolovnaté slitiny Al.CuMgMnSnBi (AA2015) a obrobitelné olovnaté slitiny Al.Cu4PbMgMn (AA2007). Tyče byly připraveny v běžných výrobních podmínkách firmy ALCAN Děčín, s.r.o. Tyče z obou slitin byly ve stavu po lisování za tepla s následným kalením za lisem ve vodní vlně, kalibračním tažením s redukcí 1,7 % a přirozeným stárnutím na stav T2. 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 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Pb Bi Sb Sn AA2015 0,710 0,210 4,240 0,593 0,888-0,010 0,030 0,030 0,311 0,020 1,040 AA2007 0,730 0,560 4,151 0,684 0,852 0,073 0,190 0,027 0,900 0,114 - - 2.2 Strukturní a mechanické vlastnosti Metalografické rozbory struktury sledovaných slitin byly provedeny na podélných řezech tyčemi. Byl proveden jak metodou světelné mikroskopie (SM), za použití mikroskopu NIKON EPIPHOT 200 s tří čipovou barevnou kamerou HITACHI pro obrazovou analýzu se softwarem LUCIA, tak metodou řádkovací elektronové mikroskopie (REM) pomocí mikroskopu DSM 940 s vlnovým spektrometrem WDX - 3PC MICROSPEC. Pomocí REM se provádělo měření rozložení slitinových prvků, sloužící k identifikaci fází ve struktuře. K určení mechanických vlastností byly použity hladké zkušební tyče o průměru 7 mm a zkušební tyče průměru 9,3 mm s vrubem K t = 2. Tyče byly odebrány ze středních oblastí lisovaných tyčí. 2
2.3 Zkouška únavy Pro únavové zkoušky byly použity válcové zkušební tyče o průměru těla 9,3 mm, se závitovými hlavami M16x1 a s vrubem K t = 2,0 (obr. 1a). Zkušební tělesa byla zatěžována míjivým zatížením (R = 0), s frekvencí 85 100 Hz, při teplotě 25 C. Ke zkouškám byl použit vysokofrekvenční pulsátor RUMUL Testronic 8601, 100kN. Zkoušky proběhly pro obě zkoušené slitiny na šesti hladinách namáhání při σ max = 250, 230, 210, 190, 170 a 150 MPa, na kterých byly zkoušeny dvě až šest zkušebních tyčí. Výsledky únavových zkoušek byly zpracovány ve formě Wohlerových křivek. Obr. 1 Zkušební tyč a vrub pro zkoušky únavy (rozměry v mm) Fig. 1 Fatigue specimen and detail of notch (all in mm) 2.4 Fraktografická analýza Morfologie lomových statických i únavových lomu byla sledována jednak pomocí světelného stereomikroskopu (ve zvětšení 4 x až 75 x), jednak pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu JSM 840A s digitálním záznamem snímků (zvětšení 15 x až 10 000 x). Při podrobné fraktografické analýze byla pozornost zaměřena na určení mikrofraktografických znaků jak v oblastech iniciace, tak v oblastech odpovídajících šíření únavových trhlin. Morfologické charakteristiky statických i únavových lomů byly sledovány rovněž pomocí světelného metalografického mikroskopu na výbrusech podélných osových řezů porušených zkušebních tyčí. 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 je u obou slitin kvalitativně podobné. Fáze jsou řádkovitě uspořádány ve směru lisování, přičemž v povrchových oblastech jsou poněkud drobnější než v oblastech středových. Podstatný rozdíl je v jejich množství. U výlisků a výtažků ze slitiny AA2007 jsou fáze Al x (Fe,Si,Mn,Cu) y podstatně hrubší a jejich hustota je větší oproti slitině AA2015 (obr.2). Důvody těchto rozdílných struktur jsou pravděpodobně způsobeny zejména tím, že obsah železa, jako rozhodující složky těchto fází, je ve slitině AA2007 téměř trojnásobný oproti slitině AA2015. I když se struktura výchozích odlitků nezjišťovala, vliv mohla mít i případná hrubší struktura výchozího odlitku ze slitiny AA2007 oproti odlitku z AA2015. Vliv rozdílných parametrů technologie zpracování odlitků z obou slitin na zkoumané tyče lze prakticky vyloučit. 3
CuMgAl 2 Al x (Fe,Si, Mn) y CuMgAl 2 Al x (Fe,Si, Mn) y Foto 559-2 fáze Pb+Bi Foto 560-2 fáze Sn+Bi Obr. 2 Rozložení fází Al x (Fe,Si, Mn) y a fází CuAl 2 a CuMgAl ve struktuře slitin a) AA 2007 b) AA2015 ve stavu T2 - podélný řez Fig. 2 Distribution Al x (Fe,Si, Mn) y, CuAl 2 and CuMgAl particles in structure of investigated alloys AA2007 (a) and AA2015 (b) in T2 temper logitudinal section Obě sledované slitiny AA2007 a AA2015 obsahují dispersní fáze z nízkotavitelných kovů buď Pb a Bi, v případě AA2007, nebo Sn a Bi v případě AA2015. Rovněž tyto fáze mají řádkovité uspořádání. Podobně jako fáze s obsahem Fe, případně s obsahem mědi jsou i tyto fáze u slitiny AA2007 podstatně hrubší než jaké vykazuje slitina AA2015 (obr.2). Vzhledem k tomu, že technologie výroby tyčí z obou slitin byla prakticky stejná, lze předpokládat že hrubší nízkotavitelné fáze u slitiny AA2007 oproti AA2015 byly způsobeny hrubší výchozí strukturou odlitků slitiny AA2007 nebo vyšší teplotou jejího průtlačného lisování. Z hlediska světelné mikroskopie je struktura tyčí ve stavu T2 u obou sledovaných slitin AA2007 a AA2015 vláknitá (obr.3). Povrchová rekrystalizovaná zóna nebyla zjištěna. Foto 559-5 Foto 560-5 Obr. 3 Nerekrystalizovaná vláknitá struktura tyčí o průměru 18,94 mm ze slitin a) AA2007 - T2 a b) AA2015 - T2 Fig. 3 Unrecrystallized fibrous structure of rods dia. 18,94 mmm from alloy AA2007 - T2 (a) and AA2015 - T2 (b) 4
3.2 Mechanické vlastnosti Výsledky tahových zkoušek studovaných slitin ve stavu T2 naměřené na hladkých tyčích a na tyčích s vrubem K t = 2 jsou uvedeny v tab. 2. Z výsledků vyplynulo: Tyče ve stavech T2 ze slitiny AA2007 vykazovaly vždy nižší pevnostní vlastnosti (Rp0,2 a Rm) oproti tyčím ze slitiny AA2015, Tyto rozdíly činily cca 60 MPa. Plastické vlastnosti, reprezentované tažností A5, byly u slitiny AA2007 poněkud větší než u slitiny AA2007 (tab.2). Podobné rozdíly v pevnostních vlastnostech stavu T2 zůstaly zachovány i u pevnostních hodnot zjištěných tahovou zkouškou na tyčích s vrubem K t =2. Vlivem vrubového účinku jsou pevnostní hodnoty (Rp0,2 a Rm) posunuty k vyšším hodnotám než veličiny určené na hladkých tyčích. Důvodem rozdílných mechanických vlastností obou slitin lje zejména vysoký obsah Fe ve slitině AA 2007 oproti AA 2015. Železo na sebe váže měď, za vzniku komplexní fáze např. Cu 2 FeAl 7 a dalších fází, čím snižuje množství precipitujících fází CuMgAl 2 a CuAl 2 a tím zmenšuje efektivnost precipitačního vytvrzení [7,8]. Tab. 2 Mechanické vlastnosti sledovaných slitin Table 2 Mechanical properties of investigated alloys Slitina Alloy AA2015 - T2 AA2007 - T2 hladká zkušební tyč Rm = 503 MPa Rp0,2 = 387,5 MPa A = 11,4 % Rm = 442 MPa Rp0,2 = 328 MPa A = 13 % zkušební tyč s vrubem Rm = 567 MPa Rp0,2 = 511MPa Rm = 518 MPa Rp0,2 = 459 MPa 3.3 Únavová životnost a její porovnání Z výsledků únavových zkoušek (obr.4) je zřejmé, že u obou slitin má S-N křivka zlom, který je charakterizován prudkým nárůstem rozptylu výsledků. Z tohoto důvodu nebylo možné proložit (u obou materiálů) experimentální data jedinou funkcí. Křivky bylo nutné rozdělit na dvě části. V oblasti vyšších napětí bylo použito metody nejmenších čtverců pro logaritmický tvar funkce N = a S max b. Použití této funkce na data pod místem zlomu křivky (190 MPa pro slitinu AA2015 a 130 MPa pro slitinu AA2007) vedlo k výraznému zhoršení přiléhavosti funkce, charakterizované indexem determinace R 2. Pro aproximaci experimentálních bodů pod bodem zlomu S-N křivky bylo použito lineární závislosti v souřadnicích log N a S max. Vzhledem k velkému počtu nedokončených zkoušek (body označené šipkou) byl průběh lineární části závislosti pouze orientačně odhadnut. Graficky vynesené výsledky únavových zkoušek jednoznačně prokazují, že únavové životy slitiny AA2015-T2 jsou vůči slitině AA2007-T2 posunuty v celém zkoušeném oboru napětí k vyšším hodnotám, což rovněž to platí o bodu zlomu na S-N křivce. 5
320 280 R=0, K t =2,0 S max /MPa/ 240 200 160 AA 2015-T3 (Stanal 40) 120 AA 2007-T3 80 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Počet cyklů do lomu N/1/ Obr.4 Výsledky únavových zkoušek pro zkoumané slitiny AA2007 a AA2015, stav T2, vrub Kt = 2 Fig.4 Results of fatigue test the investigated alloys AA2007 and AA2015, temper T2, notch K t = 2 3.4 Únavové lomy Z hlediska charakteru mikromorfologie oblastí iniciace nebyly mezi sledovanými slitinami AA2007 a AA2015 nalezeny žádné významné rozdíly. Proces únavového porušování byl u obou slitin ve stavu T2 kvalitativně shodný a podle charakteru morfologie lomu ho lze rozdělit na tři etapy: a) iniciace a na ni navazující etapa krystalografického šíření únavových trhlin (obr.5), b) šíření únavových trhlin striačním mechanismem (obr.6), c) dolomení zbytku nosného průřezu tvárným transkrystalickým lomem (obr. 7). Prakticky u všech zkušebních těles (hladkých i s vrubem) byla zjištěna násobná iniciace trhlin. Dílčí únavové trhliny, jejichž rozvoj a postupné propojování vedly k lomu zkušebních tyčí, iniciovaly na dně vrubu. Ze snímku na obr.8 je zřejmé, že v některých případech nedojde k propojení dílčích únavových trhlin s magistrální únavovou trhlinou. Obr. 5 Mikromorfologie lomu odpovídající krystalografickému šíření únavové trhliny ve slitině a) AA2007 a b) AA2015 Fig. 5 Fracture micromorphology corresponding to crystallographic propagation of fatigue crack in alloy AA2007 (a) and AA2015 (b) 6
Obr. 6 Striační mechanismus šíření únavové trhliny ve slitině a) AA2007 a b) AA2015 Fig. 6 Fatigue crack propagation by striation mechanisms in alloy AA2007 (a) and AA2015 (b) Obr. 7 Mikromorfologie lomu odpovídající závěrečnému dolomení ve slitině a) AA2007 a b) AA2015 Fig. 7 Micromorphology of final fracture in alloy AA2007 (a) and AA2015 (b) Povrch vrubu s trhlinou, Surface of notch with crack Obr. 8 Iniciace trhliny na dně vrubu, AA2015 T2, vzorek 5-2 Fig. 8 Crack initiations at the bottom of the notch, AA2015-T2, specimen 5-2 7
4 SOUHRN VÝSLEDKŮ Ze zkoušek únavových a dalších vlastností tyčí jmenovitého průměru 19 mm ze slitin z tradiční slitiny AA2007 a nové slitiny AA2015 ve stavu T2, vyrobené běžnou výrobní technologií vyplynulo následující: 1) Rozložení tvrdých fází ve struktuře obou slitin je kvalitativně podobné. Fáze jsou řádkovitě uspořádány ve směru lisování, přičemž v povrchových oblastech jsou poněkud drobnější než v oblastech středových. Podstatný rozdíl mezi oběma slitinami je v množství a velikosti fází s obsahem železa. U slitiny AA2007 jsou tyto fáze podstatně hrubší a jejich hustota je větší oproti slitině AA2015. Obě slitiny obsahují řádkovitě uspořádané dispersní fáze s obsahem nízkotavitelných kovů. Podobně jako fáze s obsahem Fe jsou tyto nízkotavitelné fáze u slitiny AA2007 hrubší než u slitiny AA2015. 2) Hodnoty pevnostních charakteristik (Rp0,2 a Rm) jsou u slitiny AA2015 zhruba o 12% vyšší než u slitiny AA2007. Tělesa ze slitiny AA2015 vykazují ve srovnání s tělesy ze slitiny A2007 výrazně delší únavové životy a to v celém zkoušeném oboru napětí. 3) Iniciace únavových trhlin probíhá na povrchu zkušebních tyčí a to na tvrdých ostrohranných fázích, kde dochází k největšímu stupni koncentrace napětí. Vlivem vysokého obsahu Fe obsahuje struktura slitiny AA2007 oproti slitině AA2015 podstatně vyšší hustotu tvrdých komplexních fází Al x (Fe,Si,Mn, Cu) y., což usnadňuje iniciaci únavových trhlin a vede ke snížení únavové životnosti této slitiny. Na zhoršení únavových vlastností slitiny AA2007 se rovněž podílí i nižší pevnostní charakteristiky. 4) Proces šíření únavových trhlin je u obou sledovaných slitin kvalitativně shodný a probíhá především mechanismem tvorby striací. Poděkování: Výzkumné práce byly finančně podporovány jednak MŠMT v rámci Výzkumná centra PP2-DP01 (1M), jednak MŠMT v rámci výzkumného záměru MSM 6840770021. Autoři děkují vedení společnosti a pracovníkům technického rozvoje firmy ALCAN Děčín, s.r.o. za výrobu experimentálního materiálu. LITERATURA [1] FALTUS, J.-PLAČEK, K.: Aluminium, 4, 1999, s.30 [2] FALTUS, J.- PLAĆEK, K.: Aluminium alloy with good machinability, Pat. spis CZ 286 150, B6 (1996) [3] FALTUS, J.- PLAĆEK, K.: Aluminiumbegierung mit guter Spanbarkeit, European patent EP 9781069.4-1270, Prioritat: CZ 09.09.96, CZ 2628-96 [4] FALTUS, J.- PLAĆEK, K.: Bleifreie Aluminiumlegierung auf Basis von AlCuMg mit guter Spannbarkeit, Patent Nr. 98810537.5-2309, Anmeldetag: 12.6.98 [5] FALTUS, J. OČENÁŠEK, V. SIEGL, J. SLÁMA, P.: in: Proc. of 13. Internat. Metallurg. Symposium METAL 2004, ed.: Prnka T., Ostrava 2004, ISNB 80-5988-95-X [6] FALTUS, J. SIEGL, J.- OČENÁŠEK, V. -ADÁMEK, J.: in: Proc. of 14. Internat. Metallurg. Symposium METAL 2005, ed.: Prnka T., Ostrava 2005, ISNB 80-86840-13-1, [7] BROOKS, Ch. R.: Heat Treatment, Structure and Properties Nonferrous Alloys, ASM, 1984, s.136 [8] MONDOLFO,L.F.: Aluminum Alloys:Structure and Propertiess Nonferrous Alloys, Butterworth, 1976, s.249. 8