Введение

Своевременная диагностика состояния изделия в процессе эксплуатации является важным фактором в решении такой актуальной проблемы, как повышение надежности изделий [1–7].

Изучение процесса накопления повреждений [8–10] делает возможным прогнозирование времени разрушения детали и ее остаточного ресурса. Большое количество исследований посвящено решению этой проблемы и изучению изменений, протекающих в поверхностных слоях, которые являются наиболее нагруженными и подвержены воздействию различных внешних факторов [11, 12].

Известно, что в процессе деформирования материала в местах торможения пластических сдвигов в объеме кристалла, где имеются препятствия для скольжения дислокаций или мезополос, может произойти образование микро- и мезотрещин, в результате чего инициируется дополнительная концентрация напряжений [13, 14]. Все виды локализованного пластического течения зарождаются и развиваются на внутренних границах раздела. Накопление дислокаций от пластической деформации в поверхностном слое оказывается более интенсивным, чем в объеме материала за счет энергетического состояния поверхностного слоя и воздействия на него внешних факторов [15–17].

Известно, что алюминийлитиевые сплавы склонны к локализации деформации [18–21]. Различают два основных вида локализации:

– макроскопические полосы сосредоточенной деформации, возникающие при горячей обработке давлением. Их развитию способствует местный адиабатический разогрев, связанный с низкой теплопроводностью материала. При исчерпании пластичности разрушение зарождается в этих полосах. Локальный адиабатический нагрев усиливается при низких температурах и высоких скоростях деформации;

– микроскопические полосы скольжения, ограниченные размером кристаллитов. Их образование связано с консервативным скольжением парных дислокаций, перерезающих когерентные частицы δ¢-фазы, особенно при большом их количестве. Этот вид локализации наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации и способствует зернограничному разрушению.

Оба вида понижают механические свойства полуфабрикатов.

Как показывают ранее проведенные исследования, разрушению предшествует пластическая деформация поверхности материала, на ней возникает микрорельеф (шероховатость), все более выраженный по мере увеличения пластической деформации и приближения момента разрушения материала [22]. Измеряя степень шероховатости поверхности на различных стадиях нагружения и сравнивая полученные результаты с шероховатостью поверхности разрушенных образцов, можно будет с определенной уверенностью прогнозировать время, оставшееся до разрушения, а также определить стадию предразрушения объектов задолго до появления в них явно выраженных дефектов (микротрещин).

Для обеспечения необходимой точности измерений в данной работе использован конфокальный лазерный сканирующий микроскоп (КЛСМ), который является разновидностью оптического микроскопа, но при этом не требует создания вакуума для исследования объекта, обладает высокой глубиной резкости и позволяет наблюдать объект исследований в 3D-формате [23].

Целью данного исследования является изучение изменения микрорельефа поверхности алюминийлитиевых сплавов после проведения механических испытаний при одноосном растяжении и воздействии коррозионно-активной среды.

Материалы и методы

Методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии проведено исследование закономерностей изменения рельефа (шероховатости поверхности (R_a) и глубины коррозионных питтингов) образцов из алюминийлитиевых сплавов 1441 и
В-1469. Образцы испытывали по двум схемам:

– схема 1 – испытание при растяжении при комнатной температуре (без влияния коррозионно-активной среды);

– схема 2 – выдержка в коррозионно-активной среде камеры солевого тумана (КСТ) в течение 10 сут и последующее испытание при растяжении.

Для оценки и сравнения влияния коррозионного воздействия партия образцов была также выдержана в КСТ в течение 45 сут.

Количественная оценка рельефа поверхности путем статистической обработки данных шероховатости проведена с использованием стандартного программного обеспечения КЛСМ Olympus Lext OLS3100.

В соответствии с ГОСТ 2789–73 и ISO 4287:1997/ISO 1302:2002 измеряли шероховатость, усредненную по всей площади кадра (S_к), а по ГОСТ 2789–73 определяли параметр шероховатости R_a – среднее арифметическое отклонение профиля.

Результаты и обсуждение

На основании лазерного сканирования построены 3D-модели поверхности, на которых проводились измерения. В ходе исследования образцов, испытанных по схеме 1, установили, что шероховатость поверхности образцов из сплава 1441 возрастает по мере приближения к излому: на расстоянии 8 мм – R_a=0,5 мкм, а в непосредственной близости к излому – R_a=0,8 мкм (рис. 1). Максимальный уровень шероховатости наблюдается в довольно узкой зоне вблизи излома (≤10 мм), что иллюстрирует склонность алюминийлитиевых сплавов к локализации деформации.

Рисунок 1. Результаты измерения шероховатости поверхности образцов из сплава 1441:

а – изменение шероховатости в зависимости от расстояния до излома; б – трехмерная модель поверхности у излома; в – трехмерная топографическая модель поверхности у излома;

г – трехмерная модель поверхности на расстоянии 20 мм от излома; д – трехмерная топографическая модель поверхности на расстоянии 20 мм от излома

 При исследовании закономерностей изменения рельефа образцов из сплава  В-1469 выявлено, что шероховатость поверхности (R_a) образцов возрастает по мере приближения к излому – от 0,4 до 1,5 мкм (рис. 2), т. е. в сплаве В-1469 возрастание шероховатости поверхности выражено более интенсивно, чем в сплаве 1441 (рис. 3).

Рисунок 2. Результаты измерения шероховатости поверхности образцов из сплава В-1469:

а – изменение шероховатости в зависимости от расстояния до излома; б – трехмерная модель поверхности у излома; в – трехмерная топографическая модель поверхности у излома;
г – трехмерная модель поверхности на расстоянии 20 мм от излома; д – трехмерная топографическая модель поверхности на расстоянии 20 мм от излома

Исследование состояния поверхности образцов после испытаний по схеме 2 показало, что наибольший вклад в изменение степени общей шероховатости вносят коррозионные повреждения поверхности, а именно, при попадании глубоких коррозионных питтингов в область секущей, проведенной по поверхности образца, на кривой отображаются значительные «пики» (рис. 4). Однако если в область секущей питтинги не попадают, то вышеприведенная закономерность в возрастании шероховатости по мере приближения к излому сохраняется для обоих сплавов, но в сплаве В-1469 шероховатость возрастает более интенсивно.

Рисунок 3. Трехмерная модель поверхности вблизи излома образцов из сплавов 1441 (а)
и В-1469 (б)

Рисунок 4. Изменение степени шероховатости поверхности при попадании глубоких коррозионных питтингов в область секущей, проведенной по поверхности образца

При сравнении состояния поверхности образцов, выдержанных в КСТ в течение 10 и 45 сут, выявлено, что размер и глубина коррозионных поражений напрямую коррелируют с продолжительностью выдержки в агрессивной среде. Так, на поверхности образцов из сплава 1441 после выдержки в КСТ размер коррозионных питтингов изменяется от 10 мкм (при выдержке 10 сут) до 1 мм (при выдержке 45 сут). Глубина питтингов при этом достигает 200 мкм (рис. 5).

На поверхности образцов из сплава В-1469 размер коррозионных питтингов изменяется от 10 мкм (при выдержке 10 сут) до 2 мм (при выдержке 45 сут). Глубина питтингов при этом достигает 300 мкм (рис. 6).

Разница влияния коррозионно-активной среды объясняется тем, что сплав 1441 в большей степени склонен к коррозионному растрескиванию, а сплав В-1469 склонен к общей коррозии.

Рисунок 5. Коррозионные повреждения на поверхности в сплаве 1441 после выдержки в КСТ:

а – трехмерная модель поверхности; б – топографическая трехмерная модель поверхности;
в – отображение изменения шероховатости поверхности в местах коррозионных поражений

Рисунок 6. Коррозионные повреждения поверхности в сплаве В-1469 после выдержки в КСТ:

а – трехмерная модель поверхности; б – топографическая трехмерная модель поверхности;
в – отображение изменения шероховатости поверхности в местах коррозионных поражений

Выводы

Методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, компьютерного анализа и обработки изображений построены 3D-модели поверхности образцов из алюминийлитиевых сплавов 1441 и В-1469 после испытаний при растяжении и на коррозионное воздействие. Проведено исследование закономерностей изменения рельефа образцов – шероховатости поверхности (R_a), размера и глубины коррозионных питтингов.

Обнаружено, что изменение шероховатости поверхности в сплаве В-1469 выражено более интенсивно, чем в сплаве 1441. Шероховатость поверхности образцов из сплава 1441 возрастает по мере приближения к излому. На расстоянии 8 мм – R_a=0,5 мкм, а в непосредственной близости к излому – R_a=0,8 мкм. В образцах из сплава В-1469 шероховатость поверхности образцов возрастает по мере приближения к излому – от 0,4 до 1,5 мкм. Локализация деформации в большей степени выражена в сплаве 1441.

Показано, что после коррозионного воздействия наибольший вклад в изменение степени общей шероховатости вносят коррозионные повреждения поверхности. Размер и глубина коррозионных поражений напрямую коррелируют с продолжительностью выдержки в агрессивной среде. На поверхности образцов из сплава 1441 размер коррозионных питтингов изменяется от 10 мкм (при выдержке 10 сут в КСТ) до 1 мм (при выдержке 45 сут). Глубина питтингов при этом достигает 200 мкм. При воздействии коррозионно-активной среды сплав более склонен к коррозионному растрескиванию.

На поверхности образцов из сплава В-1469 размер коррозионных питтингов изменяется от 10 мкм (при выдержке 10 сут) до 2 мм (при выдержке 45 сут). Глубина питтингов при этом достигает 300 мкм. При воздействии коррозионно-активной среды сплав более склонен к общей коррозии.

Таким образом, число коррозионных питтингов и их диаметр с увеличением продолжительности выдержки от 10 до 45 сут возрастает на три порядка.

Показано, что вследствие склонности алюминийлитиевых сплавов к локализации деформации такие параметры, как фрагментация поверхности, возрастание шероховатости и образование линий скольжения в комплексе могут использоваться для диагностики состояния материала в процессе эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-08-12081-офи_м).