-
74 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI
Badania procesu pękania stopów PA6 i PA7 w warunkach zginania
wahadłowego
Sebastian Faszynka*, Dariusz RozumekKatedra Mechaniki i Podstaw
Konstrukcji Maszyn, Politechnika Opolska,
*[email protected]
Study of the fatigue crack propagation in PA6 and PA7 alloys
under cyclic bending conditions
The paper contains the research results on the fatigue crack
growth in two aluminium alloys with similar microstructure. The
specimens had an external, unilateral notch 2 mm deep with a root
radius ρ = 0.2 mm (Fig. 2). The chosen PA6 (EN AW-2017A) and PA7
(EN AW-2024) alloys belongs to the α-type alloys and contain the
Al2Cu phase. The tests of the fatigue crack growth were performed
under cyclic bending at the MZGS-100 fatigue test stand.
Unilater-ally restrained specimens were subjected to cyclic bending
at the constant amplitude moment Ma = 7.92 N·m which correspond to
the nominal amplitude of normal stress σa = 92.8 MPa. The fatigue
tests were carried out in the high cycle fatigue for the stress
ratio R = –1 and the loading frequency 28.4 Hz. The fatigue crack
increments were measured with a micrometer located in the portable
microscope with magnification of 25 times and accuracy 0.01 mm. At
the same time, a number of loading cycles N was registered. The
test results under cyclic bending were shown as graphs of the crack
length a versus the number of cycles N (Fig. 5) and fatigue crack
growth rate da/dN versus changes of stress intensinty factor range
ΔK (Fig. 6). Cracks of the specimens made of aluminium alloys of
phase α microstructure occur on the slip plane under the shear
stress independent on spatial orientation of the grain. Different
magni-fications were selected in such a way that they present a
path of the main crack, about 0.7 mm in length (Figs. 3a, 4a).
Figures 3b, 4b present the final cracks course, about 250 µm in
length, cut off from Figures 3a, 4a and magnified in order to
analyse the cracks development. The effect of the microstructure on
the crack paths in specimens was observed. Transcrystalline cracks
through grains of the α phase have been usually observed on the
fractures.
Key words: cyclic bending, microstructure, notch, crack
paths.
Praca zawiera wyniki badań rozwoju pęknięć zmęczeniowych w dwóch
stopach aluminium o podobnej mikrostrukturze. Próbki miały karb
zewnętrzny, jednostronny o głębokości 2 mm, z promieniem
zaokrąglenia dna karbu ρ = 0,2 mm (rys. 2). Do badań wybrano stopy
PA6 (EN AW-2017A) i PA7 (EN AW-2024) zaliczane do stopów o
mikrostrukturze α, zawierające fazę międzymetaliczną Al2Cu. Badania
doświadczalne rozwoju pęknięć zmęczeniowych pro-wadzono przy
cyklicznym zginaniu na maszynie zmęczeniowej MZGS-100. Próbki
jednostronnie utwierdzone poddawano zginaniu przy stałej
amplitudzie momentu zginającego Ma = 7,92 N·m, co odpowiadało
nominalnej amplitudzie naprężenia normalnego σa = 92,8 MPa. Badania
zmęczeniowe wykonano w zakresie wysokiej liczby cykli przy
współczynniku asymetrii cyklu R = –1 i częstotliwości obciążenia
28,4 Hz. Przyrosty długości pęknięć mierzono za pomocą mikrometru
umieszczonego na mikroskopie przy powiększeniu 25 razy i
dokładności 0,01 mm. W tym samym czasie rejestrowano liczbę cykli
obciążenia. Wyniki badań zmęczeniowych przy cyklicznym zginaniu
przedstawiono na wykresach długości pęknięć a w funkcji liczby
cykli N (rys. 5) oraz prędkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych da/dN
w funkcji zakresu zmian współczynnika intensywności naprężenia ΔK
(rys. 6). Pękanie próbek ze stopów aluminium o mikrostrukturze fazy
α zachodzi w płaszczyźnie poślizgu przy naprężeniu stycznym prawie
niezależnym od orientacji przestrzennej ziarna. Różne powiększenia
pęknięć dobrano tak, aby przedstawić drogę głównego pęknięcia około
0,7 mm (rys. 3a, 4a). Rysunki 3b i 4b przedstawiają końcowe
długości pęknięć, około 250 µm, powiększone fragmenty rysunków 3a i
4a w celu analizy rozwoju tych pęknięć. Obserwowano wpływ
mikrostruktury na ścieżki pękania w próbkach. Na przełomach
obserwowano transkrystaliczne pęknięcia przez ziarna fazy α.
Słowa kluczowe: cykliczne zginanie, mikrostruktura, karb,
ścieżki pękania.
Inżynieria Materiałowa 2 (204) (2015) 74÷77DOI
10.15199/28.2015.2.5© Copyright SIGMA-NOT
WWW.SIGMA-NOT.PL
MATERIALS ENGINEERING
1. WPROWADZENIE
Na świecie obserwuje się znaczny wzrost produkcji części maszyn
z lekkich metali nieżelaznych, w szczególności ze stopów
alumi-nium. Wzrost zainteresowania stopami aluminium wynika z ich
właściwości, które powodują, że przy niewielkiej masie otrzymuje
się materiały o dużej wytrzymałości doraźnej, dobrej obrabialności
i podatności na tłoczenie, odporności na korozję przez utworzenie
cienkiej i szczelnej (pasywnej) warstwy Al2O3 oraz dobrej
prze-wodności cieplnej i elektrycznej. Stopy aluminium mają
korzyst-ną, większą niż dla stali, wytrzymałość właściwą. Natomiast
ciężar właściwy stopów aluminium jest około 3 razy mniejszy niż
stali [1]. Ponadto udarność stopów aluminium nie maleje wraz z
obniżaniem temperatury, co powoduje, że w niskiej temperaturze
wykazują one większą odporność na uderzenia niż stale.
Stop aluminium PA6 znajduje zastosowanie w produkcji elemen-tów
konstrukcyjnych samolotów, pojazdów, środków transportu,
ko-lejnictwa, sprzętu wojskowego, części do budowy maszyn (np.
tłoki, głowice cylindrów, przekładnie, wałki, sprzęgła, części
zaworów hydraulicznych) oraz części komputerowe, jak również sprzęt
orto-pedyczny. Stopy aluminium dzieli się na dwie grupy: stopy do
prze-róbki plastycznej i stopy odlewnicze. Spośród stopów
aluminium
przerabianych plastycznie i obrabianych cieplnie największe
zasto-sowanie znalazł duraluminium. Stopy te są poddawane
przeważnie obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu, przesycaniu
i starzeniu.
Badaniami rozwoju pęknięć zmęczeniowych w stopach PA6 i PA7
zajmowali się wcześniej m.in. autorzy prac [2÷5]. W pracach tych
można znaleźć ogólne informacje o badanych stopach alumi-nium,
rozwoju pęknięć zmęczeniowych, przyczynach ich powsta-wania itp.,
natomiast nie porównano rozwoju pękania w różnych stopach i nie
opisano, jak pękanie wpływa na trwałość zmęczenio-wą. Autorzy prac
[6÷9] zajmowali się opisem prędkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych
za pomocą równania Parisa w zakresie wytrzymałości nisko- i
wysokocyklowej.
Celem prezentowanej pracy jest porównanie trwałości
zmęcze-niowej stopów aluminium PA6 i PA7 oraz analiza ścieżek
rozwoju pęknięć zmęczeniowych przy zginaniu wahadłowym na podstawie
różnic występujących w mikrostrukturze tych stopów.
2. MATERIAŁ I STANOWISKO BADAWCZE
Stopy aluminium z miedzią i magnezem, tzw. duraluminium, są
zali-czane do stopów o wysokich właściwościach wytrzymałościowych.
Skład chemiczny stopu PA6 o oznaczeniu EN AW-2017A podano
-
NR 2/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 75
w tabeli 1 [2], natomiast stopu PA7 (EN AW-2024) w tabeli 2. W
ta-belach 3 i 4 podano wybrane właściwości mechaniczne stopów PA6 i
PA7.
Na zgładzie wzdłużnym stopu PA6 przeważają mocno wydłużo-ne
ziarna roztworu stałego α o zróżnicowanej wielkości, o szeroko-ści
do ok. 50 μm (rys. 1a). Pomiędzy dużymi wydłużonymi ziarna-mi są
widoczne również skupiska bardzo drobnych równoosiowych ziaren fazy
α w układzie pasmowym. Na tle roztworu stałego α występują liczne
wydzielenia faz międzymetalicznych, szczególnie Al2Cu, ale również
Mg2Si i AlCuMg [5]. Wydzielenia fazy Al2Cu występują głównie w
układzie łańcuszkowym na granicach ziaren roztworu stałego, a ich
wielkość nie przekracza 5 μm. W mikro-strukturze stopu PA7,
podobnie jak stopu PA6, obserwuje się mocno wydłużone ziarna
roztworu stałego α o zróżnicowanej wielkości i o szerokości do ok.
40 μm (rys. 1b). Pomiędzy dużymi, wydłużony-mi ziarnami występują
również skupiska bardzo drobnych, równo-osiowych ziaren fazy α w
układzie pasmowym. W mikrostrukturze są widoczne liczne wydzielenia
faz międzymetalicznych, głównie Al2Cu. Wydzielenia fazy Al2Cu
układają się pasmowo na granicach ziaren roztworu stałego α lub
wewnątrz ziaren, a ich wielkość osią-ga maksymalnie 8 μm.
Wydzielenia faz wpływają na wytrzymałość i twardość stopów
aluminium. Szczególnie ważne są wydzielenia na granicach faz, które
obniżają własności plastyczne materiału [3]. Mikrostrukturę
materiałów badano na zgładach metalograficznych, stosując mikroskop
metalograficzny Olimpus IX-70 przy powięk-szeniach od 50 do 750
razy.
Próbki do badań zmęczeniowych ze stopów PA6 i PA7 zostały
wycięte z prętów ciągnionych (wzdłuż jego osi) o średnicy 16 mm.
Próbki te miały karb zewnętrzny, jednostronny, nacięty centrycznie,
o głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia dna karbu ρ = 0,2 mm
(rys. 2). Karby w próbkach nacinano frezem, a następnie szlifowano
powierzchnię próbek. Teoretyczny współczynnik kształtu karbu w
próbkach, który przy zginaniu wynosił αK = 3,76, wyznaczono zgodnie
z równaniem podanym w pracy [4].
Badania doświadczalne rozwoju pęknięć zmęczeniowych przy
cyklicznym zginaniu przeprowadzono na maszynie zmęczenio-wej
MZGS-100 umożliwiającej realizację przebiegów cyklicznie zmiennych
w postaci zginania, skręcania i kombinacji zginania ze skręcaniem
[5]. Próbki jednostronnie utwierdzone poddawano zgi-naniu
wahadłowemu przy stałej amplitudzie momentu zginającego
Ma = 7,92 N·m, co odpowiadało nominalnej amplitudzie napręże-nia
normalnego z uwzględnieniem karbu σa = 92,8 MPa. Badania
realizowano przy obciążeniu z kontrolowaną siłą (w tym przypad-ku
kontrolowano amplitudę momentu zginającego) w zakresie od inicjacji
pęknięcia do zniszczenia próbki. Kontrola momentu Ma była
prowadzona za pomocą komputera, który rejestrował prze-bieg zmian
momentu podczas całego cyklu badań. Stosowano ob-ciążenia
sinusoidalnie zmienne o współczynniku asymetrii cyklu R = σmin/σmax
= –1 oraz częstotliwości obciążenia 28,4 Hz. Rozwój pęknięć
zmęczeniowych obserwowano metodą optyczną na po-wierzchni bocznej
próbek. Przyrosty długości pęknięć mierzono za pomocą umieszczonego
w urządzeniu pomiarowym mikrometru i lunety o powiększeniu 25× z
dokładnością 0,01 mm, notując jed-nocześnie liczbę cykli obciążenia
N.
Wyniki badań doświadczalnych, które odzwierciedlają zjawi-ska
zachodzące w stopie aluminium PA6 i PA7 w procesie pękania
zmęczeniowego przy cyklicznym zginaniu przedstawiono na wy-kresach
długości pęknięć a w funkcji liczby cykli N oraz prędkości
Tabela 1. Skład chemiczny badanego stopu PA6, % mas.Table 1.
Chemical composition of the tested PA6 alloy, wt %
Cu Mn Zn Mg Fe Cr Si Ti Al
4,15 0,65 0,5 0,69 0,7 0,1 0,45 0,2 reszta
Tabela 2. Skład chemiczny badanego stopu PA7, % mas.Table 2.
Chemical composition of the tested PA7 alloy, wt %
Cu Mn Zn Mg Fe Cr Si Ti Al
4,4 0,62 0,08 1,7 0,25 0,01 0,13 0,05 reszta
Tabela 3. Właściwości wytrzymałościowe badanego stopu PA6Table
3. Mechanical properties of the tested PA6 alloy
Re, MPa Rm, MPa E, GPa A5, %
382 480 72 13
Tabela 4. Właściwości wytrzymałościowe badanego stopu PA7Table
4. Mechanical properties of the tested PA7 alloy
Re, MPa Rm, MPa E, GPa A5, %
432 552 77,5 12
(a)
(b)
(a)
(b)
Rys. 1. Próbki wykonane ze stopu aluminium: (a) PA6, (b) PA7,
po-
większenie 500x Fig. 1. The specimen made of the aluminium
alloy: (a) PA6, (b) PA7, magnification 500x
Rys. 2. Kształt i wymiary próbek do badań, wymiary w mm
Fig. 2. Shape and dimensions of specimens for tests, dimensions
in mm
a)
b)
-
76 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI
wzrostu pęknięć zmęczeniowych da/dN w funkcji zakresu zmian
współczynnika intensywności naprężenia ΔK.
3. WYNIKI BADAŃ
Badane stopy aluminium PA6 i PA7 należą do grupy duraluminiów
średniostopowych i są materiałami cyklicznie umacniającymi się [5].
Pękanie próbek ze stopów aluminium o mikrostrukturze fazy α
zachodzi w płaszczyźnie poślizgu przy naprężeniu stycz-nym prawie
niezależnym od orientacji przestrzennej ziarna. Na rysunkach 3 i 4
przedstawiono rozwój pęknięć zmęczeniowych w badanych materiałach.
Różne powiększenia obserwacji dobrano tak, aby przedstawić ścieżkę
głównego pęknięcia o długości około 0,7 mm (rys. 3a, 4a). Na
rysunkach 3b i 4b przedstawiono koń-cowy przebieg pęknięcia o
długości około 250 µm, który został powiększony z rysunków 3a i 4a.
Rysunki 3 i 4 prezentują charak-terystyczne fragmenty pęknięcia z
różnych miejsc jednej ścieżki pękania. Przy obciążeniu Ma = 7,92
N·m trwałość stopu PA6 wy-nosia Nf = 322 000 cykli, natomiast stopu
PA7 Nf = 478 000 cykli. Pęknięcie główne zarówno w stopie PA6, jak
i PA7 ma bardzo nie-regularny charakter i przebiega
transkrystalicznie poprzez ziarna roztworu stałego α (rys. 3, 4). W
stopie PA6 od pęknięcia głównego odchodzą liczne pęknięcia boczne o
zróżnicowanej długości (od kilkunastu do około stu mikrometrów). W
wielu przypadkach pęk-nięcia boczne są generowane na granicach
ziaren roztworu stałego. W stopie PA7 na całej długości od
pęknięcia głównego odchodzą bardzo liczne krótkie pęknięcia boczne
(o długości kilkunastu mi-krometrów), tworzące nawet lokalnie
rozbudowane siatki pęknięć. Pęknięcia boczne przebiegają
transkrystalicznie poprzez ziarna
roztworu stałego. Wiele z nich tworzy kąt około 45° z osią
ziaren fazy α. Pęknięcia boczne (wtórne) są wyraźnie blokowane
przez wydzielenia faz międzymetalicznych. Linie poślizgu występują
najczęściej wokół wydzieleń faz wtórnych i tam można zaobser-wować
odkształcenia plastyczne.
Zmiany długości pęknięć w funkcji liczby cykli zmiany
obcią-żenia a = f (N) dla stałej wartości amplitudy momentu
zginającego badanych próbek ze stopów PA6 i PA7 przedstawiono na
rysunku 5. Natomiast wykresy prędkości wzrostu pęknięć
zmęczeniowych w funkcji zakresu zmian współczynnika intensywności
naprężenia da/dN = f(ΔK) pokazano na rysunku 6. Wyniki badań
doświad-czalnych prezentowane na rysunku 6 aproksymowano wzorem
Parisa [10]:
dd
aN
C K m= ( )Δ
(1)
gdzie: ΔK M a= k a – jest zakresem zmian współczynnika
intensywności naprężenia, M a w a wk = − ( ) − ( )5 20 13 7 2/ / /
– współczynnik korekcyjny uwzględniający geometrię, obciążenie i
skończoność wymiarów próbki [11], a – długość pęknięcia, w –
wysokość próbki, σa – amplituda naprężenia, C, m – współczynniki
wyznaczone doświadczalnie ze wzoru (1).
Wyniki uzyskane z badań doświadczalnych na rysunku 6 ozna-czono
za pomocą symboli: □ – próbka ze stopu aluminium PA6, ○ – próbka ze
stopu aluminium PA7, natomiast do opisu krzywych 1 i 2 zastosowano
wzór (1). Wartości współczynników C i m obliczono metodą
najmniejszych kwadratów [12] i przedstawiono w tabeli 5, w której
również podano współczynniki korelacji r.
Rys. 3. Rozwój pęknięć zmęczeniowych w stopie PA6, powiększenie:
a) 200×, b) 500×Fig. 3. Fatigue crack growth in the PA6 alloy,
magnification: a) 200×, b) 500×
Rys. 4. Rozwój pęknięć zmęczeniowych w stopie PA7, powiększenie:
a) 200×, b) 500×Fig. 4. Fatigue crack growth in the PA7 alloy,
magnification: a) 200×, b) 500×
a) a)
b) b)
-
NR 2/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 77
4. DYSKUSJA WYNIKÓW BADAŃ
Porównując stopy PA6 i PA7 można zauważyć, że cechują się one
podobną mikrostrukturą, natomiast rozwój pęknięć zmęczeniowych w
próbkach wykonanych z tych stopów różni się. Wytrzymałość statyczna
stopu PA7 jest około 15% większa niż stopu PA6.
Zależność wzrostu prędkości pęknięć zmęczeniowych w ziar-nach
fazy α jest uwarunkowana wartością naprężenia. Rozmiar i
ukierunkowanie ziaren α w stopach PA6 i PA7 oraz naprężenia
sta-nowiły główne parametry kontrolujące kinetykę w początkowym
okresie propagacji pęknięć zmęczeniowych.
Podczas badań doświadczalnych zaobserwowano, że większą trwałość
zmęczeniową ma stop aluminium PA7 w porównaniu ze stopem PA6 (rys.
5). Trwałość stopu PA7 była około 1,5 razy więk-sza niż PA6.
Przyczyn zróżnicowania trwałości badanych próbek należy poszukiwać
w składzie chemicznym oraz w mikrostrukturze badanych stopów (w
stopie PA7 jest bardziej rozbudowana siatka pęknięć).
Po aproksymacji otrzymanych wyników stwierdzono, że pręd-kości
wzrostu pęknięć zmęczeniowych dla próbek wykonanych ze stopu PA7
przy tej samej amplitudzie momentu Ma = 7,92 N·m są mniejsze w
całym zakresie amplitudy współczynnika intensywności naprężenia ΔK
w porównaniu z prędkością wzrostu pęknięć w prób-kach ze stopu PA6
(rys. 6). Na przykład dla ΔK = 12,6 MPa·m1/2 następuje ponad
czterokrotne zmniejszenie prędkości wzrostu pęk-nięć (od 1,51·10–8
do 7,50·10–9 m/cykl). Wartości współczynnika m w układzie
współrzędnych podwójnie logarytmicznych są zbliżone dla obydwóch
stopów, co powoduje że krzywe te mają podobny przebieg i kąt
nachylenia względem osi ∆K.
Współczynniki korelacji r przyjmują wartości bliskie 1, co
świadczy o korelacji wyników badań doświadczalnych z przyjętym
równaniem (1) (tab. 5). Wyniki badań cyklicznego zginania
opi-sanego za pomocą równania Parisa i parametru ΔK obarczone są
błędem względnym nieprzekraczającym 17%.
5. WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań i otrzymanych wyników
sformułowano następujące wnioski: 1. Zaobserwowano, że stopy PA6 i
PA7 pomimo podobnej mi-
krostruktury różnią się przebiegiem rozwoju ścieżek pękania. W
stopie PA7 tworzą się lokalnie rozbudowane siatki pęknięć, które
nie występują w PA6.
2. Zauważono w obu stopach, że pęknięcie główne ma bardzo
nie-regularny charakter i przebiega transkrystalicznie.
3. Stwierdzono, że stop PA7 ma większą trwałość zmęczeniową niż
stop PA6.
LITERATURA
[1] Tokarski M.: Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych.
Wyd. Śląsk (1985).
[2] Rozumek D., Hepner M.: Analiza rozwoju pęknięć zmęczeniowych
w stopie aluminium PA6 i stali 10HNAP w oparciu o ich
mikrostruktury. Inżynieria Materiałowa 2 (2006) 59÷63.
[3] Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali. WNT, Warszawa
(1985).[4] Thum A., Petersen C., Swenson O.: Verformung, Spannung
und Kerb-
wirkung. VDI, Duesseldorf (1960).[5] Rozumek D.: Mieszane
sposoby pękania zmęczeniowego materiałów kon-
strukcyjnych. Studia i Monografie, z. 241, Politechnika Opolska,
Opole (2009).[6] Lazzarin P., Tovo R., Meneghetti G.: Fatigue crack
initiation and propaga-
tion phases near notches in metals with low notch sensitivity.
International Journal of Fatigue 19 (1997) 647÷657.
[7] Fonte M., Reis L., Romeiro F., Li B., Freitas M.: The effect
of steady tor-sion on fatigue crack growth in shafts. International
Journal of Fatigue 28 (2006) 609÷617.
[8] Li H. F., Qian C. F.: Path prediction of I + III mixed mode
fatigue crack propagation. Fatigue and Fracture of Engineering
Materials and Structures 35 (2011) 185÷190.
[9] Nakamura H., Takanashi M., Itoh T., Wu M., Shimizu Y.:
Fatigue crack initiation and growth behavior of Ti-6Al-4V under
non-proportional mul-tiaxial loading. International Journal of
Fatigue 33 (2011) 842÷848.
[10] Paris P. C., Erdogan F.: A critical analysis of crack
propagation laws. J. of Basic Eng., Trans. American Society of
Mechanical Engineers 85 (1960) 528÷534.
[11] Picard A. C.: The application of 3-dimensional finite
element methods to fracture mechanics and fatigue life prediction.
Chameleon Press LTD, London (1986) 117÷144.
[12] Greń J.: Statystyka matematyczna. PWN, Warszawa (1987).
Rys. 5. Długość pęknięć a w funkcji liczby cykli N
Fig. 5. Crack length a versus number of cycles N
Rys. 6. Prędkość wzrostu pęknięć zmęczeniowych da/dN w
funkcji
zmian zakresu współczynnika intensywności naprężenia ΔKFig. 6 .
Fatigue crack growth rate da/dN versus changes of stress
in-tensinty factor range ΔK
Tabela 5. Wartości współczynników C i m oraz współczynnika
korela-cji r zmiennych da/dN i ΔKTable 5. Value of C, m
coefficients and coefficient of correlation r of variables da/dN
and ΔK
Stop Cm(MPa·m1/2)–m/cykl m r
PA6 (EN AW-2017A) 1,467·10–10 1,786 0,991
PA7 (EN AW-2024) 5,947·10–11 1,836 0,994