Готовый перевод Fatigue behaviour of light alloys with ultrafine grain structure produced by severe plastic deformation: An overview / Усталостное поведение лёгких сплавов с ультрамелкозернистой структурой, полученных методом интенсивной пластической деформации: обзор: Cyclic response of UFG light alloys

При испытаниях на низкую циклическую усталость под постоянной полной амплитуде или амплитуде пластической деформации циклическое поведение демонстрирует явное изменение в амплитуде напряжений, в зависимости от структуры материала и типа проскальзывания.

Видны различия уровней амплитуды напряжений и циклических характеристик упрочнения/ослабления, в различных исследуемых сплавах (рис. 3.).

Микроструктура высокочистых металлов, полученных с помощью ИПД, от природы нестабильна, как механически, так и термически, что является известным недостатком УМЗ материалов. Она стремится к восстановлению и укрупнению зерна при низкой гомологической температуре ( в некоторых случаях даже при комнатной температуре), даже при отсутствии нагрузки [36,37].

При циклической деформации, часто наблюдается уменьшение амплитуды напряжения с числом циклов или накопление деформации при заданной амплитуде деформации.

Хотя циклическое разупрочнение является эффективным механизмом релаксации остаточных циклических напряжений, снижение несущей способности материала часто связано с некоторой механической нестабильностью и повреждением, вызванным циклической деформацией.

Наиболее очевидным источником повреждений, который долгое время считался основным фактором, влияющим на усталость ультрамелкозернистых материалов, полученных ИПД, является появление высокостепенных полос скольжения, рис. 4, см. [5,32,38] и ссылки в них.

(Титан, по-видимому, является исключением: насколько известно авторам, чётко выраженных макроскопических полос скольжения, после усталостных испытаний, в нём обнаружено не было.)

Усталостные трещины, показанные на рис. 4 b и с, чаще всего возникают и распространяются вдоль этих полос скольжения, которые могут распространяться вдоль большого количества измельчённых зёрен или даже распространиться через весь образец [32].

Вызванные усталостными нагрузками полосы скольжения считаются одним из многих возможных причин, наблюдаемого циклического разупрочнения.

Циклическое разупрочнение чистых металлов обычно связывают с упрощённой аннигиляцией дислокаций и наследованием пластичных зон, независимо от того, как сильно он был деформирован.

В этом смысле, циклическое разупрочнение - это особенность, которая подчёркивает сходство в поведении ультрамелкозернистых и обычных холоднокатаных материалов, вместо того, чтобы проводить границу между ними.

Конкретные характеристики циклического разупрочнения, его феноменология, степень и микроскопические механизмы сильно различаются в зависимости от материала и обработки.

Самые первые исследования поведения малоцикловой усталости материалов, обработанных РКУП, показали, что циклический отклик сильно зависти от условий обработки и УМЗ структуры, полученной РКУП (подробности в [35]).

Муграби и Хоппель предложили механизм циклического разупрочнения, связанный с динамическим укрупнением зерна, который характерен для металлов, обработанных РКУП (см. также [39-41]).

Кроме того, было показано, что это явление чувствительно к величине пластической деформации, времени (скорости деформации) и температуре, но наиболее критическим микроструктурным фактором является чистота материала.

Ограничивая движение дислокаций и подвижность границ зёрен посредством легирования, можно ослабить или полностью устранить динамический рост зерен, а также циклическое разупрочнение.

Примером этого, является циклический отклик алюминиевых сплавов, рис. 3.

Эффект от легирования можно наблюдать, если сравнивать микроструктуры до и после приложения усталостных нагрузок для материалов с различным хим. составом сплава, см. Рисунок 1.

Низкая чистота коммерческого 99,5% Al с УМЗ структурой с размером зерна 350 нм приводит к снижению динамического роста зерна и значительному циклическому упрочнению [39,40].

Кунц и др. продемонстрировали значительное увеличение усталостной прочности при 107 циклах УМЗ меди низкой чистоты (99,9%), по сравнению с материалами более высокой чистоты [42].

По-видимому, количество примесей само по себе не является единственным фактором, препятствующим росту зерна.

Авторы справедливо заявили, что общая устойчивость микроструктуры также определяется элементами дислокационной структуры, в частности, посредством дислокационных взаимодействий с другими дислокациями и границами зерен, а также величиной эффектов торможения, которые примеси оказывают на дислокации и границы зерен.

Алюминиевые сплавы, например однофазный Al-Mg сплав AA5056, демонстрирующий незначительное циклическое разупрочнение при значительно более высокой величине напряжений, по сравнению с сплавом Al промышленной чистоты (CP).

Поскольку в сплаве АА5056 во время усталости при различных амплитудах пластической деформации в диапазоне от 5*10^-4 до 10^-2 укрупнение зерна (дислокационной ячейки) не происходит (рис. 1), циклическое разупрочнение объясняется главным образом аннигиляцией дислокаций.

В упрочняемом осаждением Al-Mg-Sc сплаве многочисленные осаждённые элементы значительно упрочняют структуру так, что она остаётся ультрамелко- или мелко- зернистой после часового отжига при темп. 400оС. Укрупнение зерна не наблюдалось и после мало- или много- цикловых усталостных испытаний этого сплава, см. рис. 1 [11,12].

Повышение содержания Mg приводит к повышению прочности при растяжении и более высокому уровню амплитуды цикла напряжений, в то время как повышение температуры обработки (см. кривую Al-6Mg-Sc, рис. 3) приводит к образованию мелкой (10 мкм), а не УМЗ структуры, проявляющей значительное циклическое упрочнение, вследствие обычного накопления дислокаций.

Вышеуказанные результаты по стабилизирующему эффекту упрочнения осаждением контрастируют с быстрым циклическим разупрочнением в обработанном РКУП сплаве 8090Al-Li, который был отверждён в старении и содержал мелкие когерентные выделения [43].

Это разупрочнение может быть связанно с разрезанием дислокаций shearable осаждёнными частицами, что приводит к частичному растворению и/или разупорядочению осаждённых частиц при усталости, подобно тому, что наблюдалось в обработанном РКУП сплаве Cu-Cr-Zr [44].

Крупные частицы Al3Sc, диспергированные в Al-Mg-Sc сплав, чрезвычайно стабильны и не могут быть сдвинуты скользящими по кристаллической решетки дислокациями, и поэтому циклического разупрочнения не наблюдается.

Было обнаружено, что УМЗ металлы с ГПУ решеткой, например обработанный РКУП титан не подвержен циклическому разупрочнению и макроскопическому сдвигу [27], несмотря на очень высокие амплитуды напряжения в этих металлах при контролируемой пластической деформации.

Более высокие уровни напряжений, более низкая пластичность и склонность к локализации деформации в макроскопических полосах сдвига в сплавах УМЗ алюминия и его сплавах (рис. 4), приводят к снижению малоцикловой усталости по сравнению с полностью отожженными эталонными сплавами [5].

Тем не менее, показатель малоцикловой усталости Al сплавов могут быть значительно улучшены путём пост-РКУП отжига при средних температурах, что уменьшит начальную плотность дислокаций, внутренние напряжения, число концентраторов напряжения, а также приведёт к релаксации неравновесных высокоэнергетических границ зёрен, образованных в результате РКУП.

В частности, было высказано предложение, что при производстве бимодальных зерновых структур [45,46] с сосуществующими популяциями мелких и крупных зерен может быть достигнуто благоприятное сочетание прочности и пластичности, что также способствует улучшению показателей усталости [41].

Эта гипотеза, как представляется, подтверждается для малоцикловой усталости, где более высокая пластичность может быть связана с наличием крупных зерен, но она не была подтверждена для многоцикловой усталости [47].

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/75788/433595

Переводчики: Yserg