Aleksander Janista „Właściwości zmęczeniowe nanokrystalicznego stopu aluminium serii 2017



Pobieranie 6,82 Mb.
Strona1/24
Data16.04.2018
Rozmiar6,82 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

Aleksander Janista „Właściwości zmęczeniowe nanokrystalicznego stopu aluminium serii 2017”






POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAŁ
INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ








PRACA DYPLOMOWA

MAGISTERSKA

Aleksander Janista


Właściwości zmęczeniowe nanokrystalicznego stopu aluminium serii 2017

Fatigue properties of nanocrystalline 2017 aluminum alloy


191143

Promotor: dr hab. Małgorzata Lewandowska

Warszawa, 10. 2009

Składam serdeczne podziękowania

Pani dr hab. inż. Małgorzacie Lewandowskiej

za pomoc i wyrozumiałość okazaną mi w

tracie powstawania niniejszej pracy

Spis treści:


5

1Wprowadzenie 6

2Właściwości zmęczeniowe 9

2.1Ogólna charakterystyka zmęczenia mechanicznego 9

2.2Parametry cyklicznego obciążenia materiałów 10

2.3Wyznaczanie charakterystyk zmęczeniowych materiałów 12

2.4Makrobudowa złomów zmęczeniowych 15

2.5Przebieg zjawiska zmęczenia 17

2.5.1Lokalne odkształcenie plastyczne 18

2.5.2Zarodkowanie pęknięć zmęczeniowych 20

2.5.3Propagacja pęknięć zmęczeniowych 21

2.6Mikroskopowe mechanizmy rozprzestrzeniania się pęknięcia zmęczeniowego i mikrobudowa powierzchni złomów zmęczeniowych. 22

2.7Kinetyka propagacji pęknięcia zmęczeniowego 24

3Materiały nanokrystaliczne 26

3.1Ogólna charakterystyka materiałów nanokrystalicznych 26

3.2Właściwości mechaniczne konstrukcyjnych materiałów nanokrystalicznych 26

3.3Metody otrzymywania materiałów nanokrystalicznych 28

3.3.1Przeciskanie przez kanał kątowy 29

3.3.2Skręcanie pod wysokim ciśnieniem 30

3.3.3Cykliczne wyciskanie ściskające 32

3.3.4Wyciskanie hydrostatyczne 33

4Właściwości zmęczeniowe ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych stopów Al 35

4.1Zmęczenie wysokocyklowe 36

5Cel pracy 39

6Materiał i metodyka badań 40

6.1Materiał badań 40

6.1.1Charakterystyka procesu wyciskania hydrostatycznego 41

6.2Stosowane metody badawcze 43

6.2.1Statyczna próba rozciągania 44

6.2.2Ocena wytrzymałości zmęczeniowej 45

6.3Mikroskopia elektronowa 47

6.3.1Mikroskopia skaningowa – badanie przełomów 47

6.3.2Mikroskopia transmisyjna – badanie mikrostruktury 48

6.4Stereologia 49

7Wyniki badań 50

7.1Charakterystyka mikrostruktury 50

7.1.1Wyniki obserwacji TEM 50

7.1.2Wyniki ilościowej charakterystyki struktury 52

7.2Wyniki statycznej próby rozciągania 55

55

7.3Wyniki badań zmęczeniowych 59



60

R0,2 [MPa] 61

Rm [MPa] 61

A [%] 61


 [MPa] 61

cykli) 61

[MPa] 61

Stan wyjściowy 61

295±10 61

380±2 61


Stan HE 61

360±5 61


400±5 61

7.4Analiza faktograficzna przełomów 63

7.4.1Obserwacje przełomów próbek po rozciąganiu 63

7.4.2Obserwacje przełomów próbek po próbach zmęczeniowych 65

Próbka ze stopu mikrokrystalicznego 65

Próbka ze stopu nanokrystalicznego 67

8Dyskusja wyników 70

8.1Efektywność metody wyciskania hydrostatycznego w zakresie rozdrobnienia ziarna 70

8.2Zależność Halla – Petcha 71

8.3Wytrzymałość zmęczeniowa w zakresie zmęczenia wysokocyklowego 74

9Podsumowanie i wnioski 79




  1. Wprowadzenie

Aluminium jest jednym z najważniejszych metali wykorzystywanych w technice. Charakteryzuje się niską gęstością, dobrą przewodnością cieplną i elektryczną oraz odpornością korozyjną w różnych środowiskach. Czyste aluminium nie znalazło szerokiego zastosowania w przemyśle ze względu na niską wytrzymałość (granica plastyczności wynosi zazwyczaj poniżej 100 MPa). Znacznie lepsze właściwości wytrzymałościowe wykazują stopy aluminium, co w połączeniu z niską gęstością czyni je doskonałym materiałem konstrukcyjnym. Stopy Al charakteryzują się korzystnymi właściwościami technologicznymi, takimi jak: podatnością do przeróbki plastycznej i dobrą lejnością. Dlatego też znalazły one szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu - przede wszystkim w transporcie, budownictwie i przemyśle opakowaniowym.

Aluminium jest trzecim co do częstości występowania pierwiastkiem skorupy ziemskiej i stanowi 7,3% jej masy, co w połączeniu z wysoką podatnością na recykling oraz względnie tanią technologią otrzymywania i obróbki, składa się na stosunkowo niską jego cenę. [1]



Aluminium jest także interesujące z punktu widzenia inżynierii materiałowej, której przedmiotem jest projektowanie i wytwarzanie nowych materiałów o coraz lepszych właściwościach. W stopach aluminium wykorzystuje się praktycznie wszystkie znane sposoby umocnienia materiałów: roztworowe (stopy Al – Mg), wydzieleniowe (stopy Al – Cu, Al – Zn lub Al -Li), dyspersyjne (czyste aluminium, stopy Al – Mn) oraz odkształceniowe i granicami ziaren [2]. W ostatnim czasie ze wszystkich wymienionych mechanizmów umocnienia stopów aluminium największe możliwości stwarza rozdrobnienie ziarna i wytwarzanie tzw. materiałów nanokrystalicznych, definiowanych jako materiały, w których elementy struktury mają wymiar poniżej 100 nm w przynajmniej jednym kierunku. Powyższe rozumowanie jest konsekwencją równania Halla – Petcha [3] wiążącego wielkość ziarna z naprężeniem uplastyczniającym.
(1)

………………………………………….

σpl – naprężenie uplastyczniające

σ0 – naprężenie tarcia ruchliwych dyslokacji

k – stała charakteryzująca opór granic ziaren

d – średnia średnica ziarna [3]


Zgodnie z tą zależnością im mniejsze ziarno odkształcanego materiału, tym większe naprężenie potrzebne do kontynuowania odkształcania. Stopy aluminium obecnie stosowane w przemyśle i kształtowane na drodze odlewania bądź przeróbki plastycznej wykazują ziarna o średniej średnicy z zakresu od kilku do kilkuset mikrometrów. Zgodnie z zależnością Halla – Petcha szczególnie istotne zwiększenie wytrzymałości materiału nastąpi po rozdrobnieniu ziarna do rozmiarów nanometrycznych. Powyższe twierdzenie zostało potwierdzone w wielu pracach [2,4,5] z których jednoznacznie wynika, że materiały nanokrystaliczne charakteryzują się bardzo wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi.

Wysokowytrzymałe stopy aluminium cieszą się zainteresowaniem wielu gałęzi przemysłu. Zwiększenie ich wytrzymałości związane jest z możliwością redukcji przekroju, a tym samym ze zmniejszeniem masy elementów. Ma to szczególnie istotne znaczenie w przypadku elementów konstrukcyjnych do zastosowań w środkach transportu oraz na części maszyn, gdyż obniżenie masy konstrukcji, a w konsekwencji redukcja zużycia paliwa i emisji CO2 do atmosfery jest głównym wyzwaniem dla producentów tych materiałów.

Przy doborze materiału do konkretnego zastosowania nie należy kierować się jedynie jego wskaźnikami wytrzymałości statycznej takimi jak: granica plastyczności czy wytrzymałość na rozciąganie. W większości przypadków równie istotna jest wytrzymałość na obciążenia cykliczne. Czynnikiem determinującym wybór odpowiedniej wartości opisującej właściwości mechaniczne materiału jest charakter obciążeń elementu. W zależności od tego czy materiał ma pracować w warunkach zmęczenia wysokocyklowego, niskocyklowego, bądź obciążonego quasi – statycznie, należy brać pod uwagę odpowiednie charakterystyki opisujące jego właściwości.

Właściwości wytrzymałościowe stopów o strukturze nanokrystalicznej w statycznej próbie rozciągania zastały dość dobrze opisane [2,4,5]. W materiałach tych obserwuję się znaczny wzrost wytrzymałości spowodowany rozdrobnieniem ziarna. Nie musi on jednak iść w parze ze wzrostem odporności na obciążenia cykliczne. W przypadku zmęczenia wysokocyklowego, gdzie mamy do czynienia z odkształceniami o charakterze sprężystym, można spodziewać się wzrostu wytrzymałości zmęczeniowej ze względu na podwyższoną wytrzymałość materiału. Natomiast w przypadku zmęczenia niskocyklowego, gdzie dominują odkształcenia o charakterze plastycznym, można spodziewać się nieznacznej poprawy lub nawet spadku wytrzymałości zmęczeniowej ze względu na obniżoną plastyczność stopu (wzrostowi wytrzymałości nanomateriałów towarzyszy spadek ich plastyczności). Badnia w tym zakresie są jednak stosunkowo nieliczne a ich wyniki często niejednoznaczne.

Punktem wyjścia do niniejszej pracy było otrzymanie stopu aluminium serii 2017, w którym średnia średnica ziaren wynosi poniżej 100 nm, natomiast jej etapem zasadniczym będzie określenie charakterystyk wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej badanego stopu.



  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna