Хрупкое разрушение алюминия

Польза низкого модуля упругости

Известно, что низкий модуль упругости алюминиевых сплавов является преимуществом, например, перед сталью, когда конструкция подвергается ударным нагрузкам. Конструкционный элемент из алюминиевого сплава будет поглощать в три раза больше упругой энергии, чем стальной элемент с таким же моментом инерции и пределом прочности.   

Хрупкое разрушение

Под хрупким разрушением понимают тенденцию материалов проявлять быстрое распространение трещины без заметной пластической деформации. Информация об этом типе разрушения является жизненно необходимой для проектирования конструкций, которые работают под воздействием значительных напряжений и заключают в себе большое количество упругой энергии, когда быстрое разрушение может быть катастрофическим.

Ударная вязкость алюминия по Шарпи и Изоду

Данные по поглощению энергии из ударных испытаний надрезанных образцов по Шарпи или Изоду, как и для других металлов, нельзя прямо использовать в конструировании. Ударные испытания по Шарпи и Изоду широко применяются для определения температуры хрупкого перехода сталей, особенно для ферритных сталей. Температура хрупкого перехода – это температура, при которой сплавы начинают проявлять характеристики хрупкого разрушения. Однако эти испытания обычно не подходят для алюминия и его сплавов, так как, в отличие от сталей, они не проявляют хрупкого перехода. Более того, результаты ударных испытаний надрезанных образцов из алюминиевых сплавов почти не зависят от температуры в интервале температур от комнатной до -270 °С. Мало того, большинство деформируемых сплавов настолько вязки, что испытательные образцы вообще не разрушаются. Поэтому из этих испытаний трудно получить какую-то полезную информацию для конкретного проектирования.

Вязкость разрушения алюминия

Известный метод испытаний вязкости разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжения связывает прочность хрупкого разрушения материала с размером дефекта или трещины. Вязкость разрушения рассматривается как сопротивление материала неустойчивому росту трещины при упругих напряжениях или непластическому разрушению любого типа. Испытание на вязкость разрушения требует инициации в образце трещины заданной длины или ее выращивание при  усталостном нагружении. Образец и схема его нагружения при определении вязкости разрушения показан на рисунке 1.     

obrazec-dlja-opredelenija-vjazkosti-razrushenija

Образец для испытания на вязкость разрушения   КIc

Рисунок 1 

Отношение между коэффициентом интенсивности напряжения К, однородным напряжением σа и длиной трещины задается в виде соотношения K = Ϭa (2πa)1/2. Коэффициент интенсивности напряжений К (в начале неустойчивого роста трещины) уменьшается с увеличением толщины образца и достигает минимальной величины, которую называют КIc– критический упругий коэффициент интенсивности напряжений или вязкость разрушения при плоской деформации. Величина КIcявляется аналогом предела текучести, так как это – минимальная интенсивность напряжений, при которой может начинаться хрупкое разрушение при данной температуре и при достаточной толщине образца или изделия для обеспечения условия плоского деформационного состояния. Однако этот подход не подходит для сплавов с высокой пластичностью, так как они не показывают быстрого распространения трещины в упругих условиях. Поэтому применение этого подхода обычно ограничено высокопрочными термически упрочненными сплавами.

Испытание на разрыв по Кану 

В международной практике для оценки влияния на характеристики вязкости алюминиевых сплавов их химического состава, технологии изготовления, состояния и т.п. широко применяется испытание на разрыв по методу Кана (Kahn). Преимущество этого метода в том, что с его помощью непосредственно измеряют количество энергии, которое необходимо для распространения трещины, даже для самых вязких алюминиевых сплавов. Кроме того, этот метод не требует таких «толстых» образцов, как метод определения вязкости разрушения КIc , и поэтому подходит для большего количества видов изделий.

При этом испытании энергия, которая требуется для зарождения и роста трещины в испытательном образце специальной формы, вычисляется по соответствующим площадям под кривой растяжения (рисунки 2 и 3). Энергия, которая потребовалась для роста трещины,  делится на площадь рабочего поперечного сечения образца и называется «удельной энергией роста трещины». Она представляет собой меру сопротивления разрыва трещины и косвенно – меру вязкости разрушения.

 obrazec-dlja-ispytanija-po-metodu-kana

Рисунок 2

krivye-nagruzka-deformacija-pri-ispytaniji-po-kanuРисунок 3

Удельная энергия роста трещины может быть прямо связана со скоростью высвобождения энергии деформации, что совпадает с подходом механики разрушения и поэтому дает реалистичную меру сопротивления быстрому росту трещины. Установлено, что удельная энергия распространения трещины удовлетворительно коррелирует со значениями КI и KIc.

Способность сопротивляться росту трещин остается высокой для большинства алюминиевых сплавов даже при очень низких температурах, а в случае сплава 6061 (АД33) даже значительно возрастает (рисунок 4). Для большинства алюминиевых сплавов способность деформироваться пластически и сопротивляться росту трещин настолько велика, что неустойчивый рост трещины в упруго напряженном материале, то есть хрупкое разрушение, просто невозможен.        

udelnaja-energija-rosta-treshchiny   Рисунок 4 

Вязкость надреза

Удобным способом представления вязкости сплава считается вычисление так называемой «вязкости надреза»: отношения прочности при растяжении образца с надрезом к пределу текучести образца без надреза. Вязкость надреза большинства алюминиевых сплавов остается постоянной вплоть до криогенных температур, за исключением высокопрочных сплавов серии 7ххх, как это видно на рисунке 5 для сплава 7075.   

 viazkie-xarakteristiki-aljuminievyx-splavov

Рисунок 5

Источник: TALAT 1501