Введение

Благодаря низкой плотности и высокой виброустойчивости магниевые сплавы занимают определенную нишу среди авиационных конструкционных материалов. При статической прочности на растяжение σ_в ≈ 300 МПа и плотности ρ ≈ 1,8 г/см³ удельная прочность магниевого сплава достигает значения σ_в/ρ ≈ 17 км (уд. ед.) [1–3]. Высокая удельная прочность позволяет магниевым сплавам конкурировать с основными алюминиевыми сплавами Д16 (σ_в/ρ ≈ 16,5 км (уд. ед.)) и В95 (σ_в/ρ ≈ 19,3 км (уд. ед.)), на которые приходится до 80 % массы планера воздушных судов. Хорошая обрабатываемость резанием определяет высокую технологичность магниевых сплавов, а проблема микрорыхлот возможно будет решена на пути развития аддитивных технологий [4, 5].

Основными недостатками магниевых сплавов являются пониженная коррозионная стойкость и низкая температура воспламенения. Решение этих проблем лежит в плоскости рационального легирования с привлечением редкоземельных элементов [6–12]. Наряду с удельной прочностью сопротивление усталостному разрушению определяет работоспособность материала в конструкции [13–18]. Оценка усталостной долговечности магниевого сплава стала предметом данного исследования.

Материалы и методы

Исследован магниевый сплав системы Mg–РЗМ–Zr. Выполнен полный технологический цикл работ – от выплавки сплава до изготовления образцов. Выплавку проводили в печи с газовым обогревом в стальном тигле. Масса плавки составляла 30 кг. Предварительно проводили расплавление первичного магния марки МГ95 с последующим введением легирующих элементов. В качестве модификатора использовали магниево-циркониевую лигатуру марки Л2. Рафинирование проводили с использованием флюса ВИ-2. Выстаивание расплава осуществляли в течение 10–15 мин с последующей разливкой металла по формам.

Циклическую долговечность определяли для корсетных образцов (коэффициент концентрации напряжений α_σ = 1,03) с продольной полировкой и образцов с надрезом (α_σ = 2,6) при двух коэффициентах асимметрии усталостного цикла нагружения R: 0,1 и –1. Эскизы корсетного образца и образца с надрезом представлены на рис. 1.

Для цилиндрического образца диаметром D = 12 мм с диаметром в зоне надреза d = 7,5 мм при радиусе надреза r = 0,6 мм коэффициент концентрации напряжений α_σ составил 2,6 [1]. Радиус надреза r изменялся в диапазоне 0,60–0,64 мм.

Поверхность разрушения исследуемых образцов фиксировали на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе. Радиус надреза определяли на оптическом инструментальном микроскопе.

Испытания на циклическую долговечность проводили на сервогидравлической испытательной системе и испытательной машине с резонансной схемой нагружения. Погрешность определения нагрузки составляла <0,5 %.

Работа выполнена с использованием испытательного оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19–23].

Рис. 1. Эскизы корсетного образца (а) и образца с надрезом (б) для испытания на усталость

Результаты и обсуждение

Оценка статической прочности образцов

Для установления уровня напряжений при проведении усталостных испытаний оценивали статическую прочность корсетных образцов и образцов с надрезом. Предел прочности корсетных образцов при квазистатическом растяжении составил:

Диаметр минимального сечения d находился в диапазоне 4,99–5,02 мм. В образце 1–2 отмечено включение диаметром ~0,5 мм. В образце 2–2 дефектов не обнаружено. В образце 3–2 на кромке поверхности разрушения вне зоны минимального сечения зафиксировано включение, размеры которого в окружном направлении достигали ~2 мм, в радиальном: ~1 мм. Размер хрупкого включения в третьем направлении (вдоль оси образца) составил ≥0,7 мм, что следует из хрупкого скола по кромке. Диаметр зоны разрушения достиг 5,15 мм. Общий вид образца 3–2 и поверхность разрушения в зоне хрупкого включения представлены на рис. 2.

Предел прочности образцов с надрезом при квазистатическом растяжении составил:

Рис. 2. Общий вид (а) и поверхность разрушения (б) образца 3–2

Диаметр надреза d изменялся в диапазоне 12,00–12,03 мм, диаметр в выточке надреза – в диапазоне 7,38–7,40 мм.

В образце с надрезом 1–1 не отмечено посторонних включений. Практически в центре образца 2–1 зафиксировано включение площадью ~0,4 мм², которое стало причиной разрушения отрывом вне основной плоскости разрушения, обусловленной надрезом. Второе включение в виде пластины длиной ~0,5 мм обнаружено на окружности надреза. Несмотря на небольшие размеры, включение изменило поверхность разрушения, поскольку располагалось вне плоскости разрушения, определяемой вершиной надреза. В образце 3–1 включение находилось вне плоскости разрушения, проходящей через вершину надреза. Подобное расположение включения приводит к пирамидальной поверхности разрушения с основанием размером 1,1×1,5 мм и зоной отрыва размером 0,4×0,8 мм. Данный выступ (на ответной части образца – впадина) отстоит на расстояние 1 мм от центра образца. Фрактограмма поверхности разрушения образца 3–1 представлена на рис. 3.

Рис. 3. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 3–1 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

При квазистатическом растяжении небольшие по площади включения, расположенные в различных плоскостях, увеличивают поверхность разрушения и, как следствие, изменяют несущую способность образца. Увеличение прочности, по-видимому, обусловлено данным фактором.

Усталостные испытания корсетных образцов

В большинстве случаев корсетные образцы разрушались в сечении с минимальной площадью, в котором реализуется максимальное напряжение. Однако дефекты образцов являлись определяющим фактором усталостного разрушения.

Образец 4 разрушился в зоне галтели (рис. 4). Площадь сечения разрушения в ~2 раза превышает площадь минимального сечения образца.

Рис. 4. Общий вид разрушения образца 4

Плоскость разрушения далеко отстоит от плоскости сечения с минимальным диаметром. Площадь разрушения составляет ~38 мм². В зоне разрушения образца зафиксированы два крупных включения неопределенной формы: в центре образца – размером 3,7×1,8 мм, на кромке поверхности разрушения – размером 1,9×1,4 мм. Данные дефекты стали очагами формирования усталостных трещин, объединившихся в одну, развитие которой по винтообразной поверхности привело к разрушению образца. На рис. 5 представлены фрактограмма излома образца 4 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону.

Дефекты, представляющие собой неметаллические включения, визуально обнаруживали даже при небольшом увеличении (×2). Характер разрушения корсетных образцов обусловлен своеобразием включений.

Рис. 5. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 4 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

В образце 2 на поверхности разрушения наблюдали два дефекта, расположенных диаметрально противоположно в разных плоскостях (рис. 6). В данных дефектах практически одновременно образовались усталостные трещины, которые развивались в разных плоскостях и достигли центра образца. В дальнейшем произошло разрушение срезом перемычки в плоскости, параллельной оси образца. Профиль излома наглядно иллюстрирует характер разрушения в центральной части образца от среза.

Рис. 6. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 2 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Циклическая долговечность в основном определяется величиной включений. В образце 6 в плоскости разрушения наблюдается большой дефект размером 3×2 мм, простирающийся от кромки образца и перекрывающий его центр (рис. 7). Столь большой дефект в образце обусловил низкую усталостную долговечность.

Рис. 7. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 6 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Образец 13 разрушился в сечении, отстоящем от минимального сечения на расстояние 1 мм (рис. 8). Область дефекта, который можно характеризовать как рассеянное включение, захватывает более трети образца – от кромки излома до центра. Плоскость дефекта расположена под небольшим углом к оси образца, что привело к спиралеобразной форме поверхности разрушения.

Рис. 8. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 13 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Излом образца 5 представляет собой классическое усталостное разрушение, которое началось с включения размером 0,5×1 мм на краю образца (рис. 9). Рельеф зоны разрушения изменяется, переходя от усталостного типа поверхности к квазистатическому с последующим доломом.

Рис. 9. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 5 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Следует отметить, что в ряде случаев дефекты имели значительные размеры в направлении оси образца, что привело к образованию двух очагов зарождения трещин в разных плоскостях из одного включения. В образце 8 возникло две трещины, которые развивались в разных плоскостях и впоследствии соединились в одну магистральную трещину с образованием ступеньки скола. Подобный характер разрушения зафиксирован для образцов 1 и 9 (рис. 10, 11).

Рис. 10. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 1 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Рис. 11. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 9 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Построение усталостной кривой N–σ по номинальным напряжениям, установленным в начале испытаний, лишено смысла, поскольку дефекты в большинстве образцов занимают значительную площадь. Оценка размеров визуально определяемых дефектов позволяет рассчитать реально действующие напряжения в разрушенном сечении. Реальные напряжения усталостного цикла рассчитывали по проекции площади разрушенного сечения с исключением площади визуально (×2) обнаруженных дефектов.

Кривые усталости N–σ корсетных образцов сплава системы Mg–РЗМ–Zr представлены на рис. 12. Кривая усталости корсетных образцов, испытанных при коэффициенте асимметрии R = 0,1, представлена зависимостью y = 359,41x^–0,116, а образцов, испытанных при коэффициенте асимметрии R = –1, – зависимостью y = 349,54x^–0,118.

Следует отметить, что данные закономерности справедливы в рамках исследуемых уровней долговечности.

Значительный разброс показателей циклической долговечности при R = –1 и практически полное его отсутствие при R = 0,1 обусловлены не влиянием условий нагружения, а свойствами и размерами дефектов в данной выборке. При этом прослеживается отрицательное влияние фактора сжимающих напряжений на циклическую долговечность образцов.

Рис. 12. Кривые усталости корсетных образцов, испытанных при коэффициентах асимметрии R = 0,1 и R = –1

Усталостные испытания образцов с надрезом

Если при испытании корсетных образцов дефекты обуславливали зону и характер усталостного разрушения, то для образцов с надрезом определяющим фактором разрушения являлась плоскость надреза. Однако дефекты, оказавшиеся в зоне надреза, неизбежно влияют на усталостную долговечность образца.

Образец 20 при высоком уровне приложенных напряжений имел самую низкую величину усталостной долговечности. Включение размером 1,2×0,9 мм располагалось в надрезе на расстоянии ~1,0 мм от плоскости, проходящей через вершину надреза. Поскольку включение по оси образца имело размер >1,0 мм, то дефект затронул и вершину надреза. Размеры и расположение дефекта привели к образованию двух усталостных трещин: в вершине надреза образца и в вершине дефекта на расстоянии ~1,0 мм от вершины надреза. Данные трещины слились, образовав усталостной фронт, стремящийся к плоскости с максимальными напряжениями, которая проходит через вершину надреза. Зона усталости охватывает почти половину сечения образца. Излом второй половины образца имеет рельеф, характерный для квазистатического разрушения с отдельными вырывами, которые наблюдаются при рассеянных дефектах. Фрактограмма поверхности разрушения образца 20 представлена на рис. 13.

Рис. 13. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 20 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Дефект размером 0,6×0,3 мм инициировал разрушение образца 28 (рис. 14). Дефект находился вне плоскости надреза, очаг зародившейся усталостной трещины – вне плоскости минимального сечения. Однако фронт трещины по мере развития сдвигается в область максимальных растягивающих напряжений. Излом образца характеризуется изначальной усталостной зоной разрушения, которая затем принимает вид квазистатического разрушения.

Рис. 14. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 28 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

В изломе образца 33 выявлены два включения, которые расположены на разных уровнях, не совпадающих с плоскостью надреза (рис. 15). Дефект, выходящий на контур надреза, имеет размер 1,7×3 мм, второй дефект – 1,6×2,9 мм. Дефекты разделяет перемычка длиной 0,5 мм. В процессе усталостного нагружения произошло слияние разноуровневых дефектов с формированием зоны разрушения, обусловленной данными включениями. В условиях перехода усталостной зоны к долому поверхность разрушения искривляется и переходит в плоскость, проходящую через вершину надреза.

Рис. 15. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 33 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

В изломе образца 40, наряду с небольшими дефектными вкраплениями диаметром ~(0,1–0,15) мм, выделяются два крупных включения на поверхности надреза размером 1,5 мм в окружном направлении, отстоящие на четверть окружности друг от друга (рис. 16). Крупные включения сформировали усталостные зоны по периметру надреза и полосы разрушения шириной ~1,1 мм, направленные к центру образца. О значительных размерах этих включений в направлении оси образца можно судить по разноуровневому характеру излома, в котором, наряду с усталостными зонами, наблюдаются плоскости скола. Дефект диаметром ~0,25 мм по центру образца, расположенный вне плоскости излома, привел к формированию конусообразного разрушения, диаметр основания которого составил ~0,7 мм.

Поверхность разрушения образца 35 характеризуется многоочаговостью дефектной зоны, включающей три наиболее крупных включения размером 0,5×0,7, 0,5×0,8 и 0,4×0,6 мм (рис. 17). Два дефекта размером 0,5×0,7 и 0,5×0,8 мм располагаются на кромке излома, а дефект размером 0,4×0,6 мм – на расстоянии 1 мм от центра образца. Плоскость разрушения в дефектной зоне не совпадает (~0,3 мм) с плоскостью разрушения образца, являющейся плоскостью минимального сечения. Фронт усталостной трещины, зародившейся в дефектной зоне, плавно переходит в плоскость минимального сечения надреза, по которой происходит разрушение.

Рис. 16. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 40 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Рис. 17. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 35 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

На кромке надреза образца 16 зафиксировано хрупкое включение с линейным размером 0,4 мм и глубиной 0,3 мм (рис. 18). Данный дефект стал основой формирования усталостной трещины. Зона усталостного разрушения охватывает почти половину площади разрушения образца. Усталостная область плавно переходит в зону повторной статики, которая характеризуется более рельефным профилем разрушения. Хрупкий дефект в плоскости, проходящей через вершину надреза, существенно сказывается на циклической долговечности образца, поскольку значительно уменьшается количество циклов нагружения, ведущего к образованию усталостной трещины.

Рис. 18. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 16 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

В плоскости разрушения образца 34 на 1/3 окружности отмечены незначительные вкрапления, наибольшее из которых имеет размер 0,2 мм в окружном направлении и 0,15 мм – в радиальном (рис. 19). Данное «ожерелье» дефектов сформировало фронт усталостной трещины, которая проросла в среднем на 1,6 мм относительно контура надреза и была остановлена альтернативным механизмом разрушения. Своеобразие разрушения заключалось в развитии разрушения от дефектов, расположенных по разные стороны от зоны раздела. Дефекты, семь из которых расположены с одной стороны надреза и шесть – с другой, составляют сложную разноуровневую композицию, в которой развитие усталостных трещин из дефектов сопровождалось разрушением перегородок по механизму среза. Это привело к формированию сложного рельефа, отличающегося от рельефа усталостного или квазистатического разрушения.

Рис. 19. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 34 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

В образце 37 два включения, расположенные близко к краю надреза и имеющие практически одинаковые размеры (0,2 мм ‒ в окружном направлении и 0,15 мм – в радиальном), сформировали начальные усталостные зоны разрушения (рис. 20). Усталостные очаги разрушения расположены в различных плоскостях, на что указывает складка рельефа, образовавшаяся при разрушении.

Рис. 20. Фрактограмма поверхности разрушения (а) образца 37 и профиль сечения в плоскости, проходящей через дефектную зону (б)

Фрактограммы изломов образцов с надрезом подтверждают предположение, что определяющим фактором усталостного разрушения является надрез. Именно зона максимальных растягивающих напряжений в вершине надреза инициирует возникновение усталостной трещины. Дефекты, попадающие в зону действия надреза, способствуют более раннему возникновению усталостной трещины. Воздействие дефекта снижается, если он не лежит в плоскости, проходящей через вершину надреза. При развитии фронт трещины, зародившейся в дефекте, который смещен по оси образца относительно плоскости, проходящей через вершину надреза, изгибается в зону максимальных напряжений. Несмотря на различные механизмы развития трещин, обусловленных расположением дефекта в плоскости вершины надреза или вне этой плоскости, разброс значений долговечности образцов с надрезом для данной выборки незначителен.

На рис. 21 представлены кривые усталости N–σ образцов с надрезом. Кривая усталости образцов с надрезом, испытанных при коэффициенте асимметрии R = 0,1, представлена зависимостьюy = –2,727ln(x) + 117,31, а образцов, испытанных при коэффициенте асимметрии R = –1, – зависимостьюy = –5,311ln(x) + 130,71.

Следует отметить, что данные закономерности справедливы в рамках исследуемых уровней долговечности.

Рис. 21. Кривые усталости образцов с надрезом, испытанных при коэффициентах асимметрии R = 0,1 и R = –1

По сравнению с корсетными образцами образцы с надрезом имеют меньший уровень усталостной долговечности. При этом образец 29 продемонстрировал возможности повышения сопротивления усталости магниевого сплава системы Mg–РЗМ–Zr.

Дальнейшие работы должны быть направлены на разработку технологии, исключающей образование в магниевом сплаве системы Mg–РЗМ–Zr значительных дефектных включений.

Заключения

Сплав системы Mg–РЗМ–Zr не чувствителен к концентрации напряжений, поскольку отношение прочности образцов с надрезом (α_σ = 2,6) к пределу прочности гладких образцов >1. Как следствие, незначительные включения, как и другие дефекты структуры, несущественно влияют на статическую прочность сплава.

Усталостная долговечность определяется дефектностью материала выборки – размерами, формой и расположением включений в образце. Усталостную долговечность оценивали, исходя из бездефектной площади корсетного образца, с пересчетом на действующее нетто-напряжение, рассчитываемое по неповрежденной площади образца.

Надрез, являющийся доминантным дефектом, определяет усталостную долговечность образца. Однако если в плоскости надреза в зоне максимальных напряжений попадает включение, то оно является основным фактором, определяющим усталостную долговечность.