Wysokocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa konsolidowanych plastycznie stopów aluminium

• Autorzy: Ziaja W. , Motyka M. , Tokarski T. , Sieniawski J.

Warianty tytułu

EN

High cycle fatigue strength of plastically consolidated aluminium alloys

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Stopy aluminium należą do podstawowych materiałów konstrukcyjnych, szczególnie w przemyśle samochodowym i lotniczym. Ze względu na charakter obciążeń, wytrzymałość zmęczeniowa stanowi istotne kryterium determinujące zakres potencjalnych zastosowań materiałów konstrukcyjnych w tym obszarze. Zmniejszenie rozmiaru ziaren do zakresu submikro lub nanometrycznego realizowane m.in. metodami przeróbki plastycznej z zastosowaniem bardzo dużych odkształceń lub metodą konsolidacji plastycznej rozdrobnionych form materiału o strukturze w pełni lub częściowo amorficznej umożliwia uzyskanie bardzo dużych właściwości wytrzymałościowych w warunkach obciążeń statycznych. Wyniki badań potwierdzają możliwość zwiększenia w ten sposób również wytrzymałości zmęczeniowej, chociaż stwierdzono również przypadki pogorszenia właściwości zmęczeniowych stopu. Efekt rozdrobnienia ziaren silnie zależy od składu fazowego i mikrostruktury stopu, jak również od geometrii próbek i warunków obciążenia oraz liczby cykli do zniszczenia (wytrzymałość nisko- i wysokocyklowa). W pracy badano wysokocyklową trwałość zmęczeniową (w warunkach zginania) ultradrobnoziarnistych, konsolidowanych plastycznie stopów aluminium RS442 oraz RS5083, stosując próbki o przekroju prostokątnym z karbem. Poddano analizie zmianę ich właściwości zmęczeniowych i charakteru pękania w porównaniu z odpowiadającymi im materiałami otrzymywanymi metodami konwencjonalnymi. Stwierdzono dominujący udział pękania międzykrystalicznego w stopach konsolidowanych plastycznie, niezależnie od schematu zastosowanej po konsolidacji obróbki cieplnej lub przeróbki plastycznej. Skutkiem osłabienia „nowych” granic ziaren powstałych podczas konsolidacji plastycznej jest mniejsza trwałość zmęczeniowa stopów ultradrobnoziarnistych. Wprowadzenie grafitu do stopu RS442 powoduje zwiększenie trwałości zmęczeniowej stopu w zakresie dużych wartości amplitudy naprężenia na skutek zwiększenie nieregularności ścieżki pęknięcia i zjawisko przesłaniania wierzchołka pęknięcia.

EN

Aluminium alloys are the basic structural materials, especially in automotive and aircraft industry. Fatigue strength is an important criterion determining the range of potential applications of structural materials in that area. Grain refinement down to submicro or nanometric level, that can be realized using severe plastic deformation methods or rapid solidification and plastic consolidation of partially or fully amorphous forms of material, enables significant improvement of strength properties of the alloys under static loads. Results of the studies indicate the possibility of increasing also fatigue strength using this method but inverse effects were also reported. The influence of grain refinement on fatigue behaviour depends on many factors like phase composition and microstructure of the alloy, but also specimen geometry, loading conditions and form of fatigue process (low or high cycle fatigue). In the paper high-cycle fatigue life of plastically consolidated RS442 and RS5083 aluminium alloys was examined in bending test using notched specimens with rectangular cross-section. The fatigue behaviour and fracture mechanisms of these alloys were compared to materials produced using conventional methods. Regardless of following heat treatment or plastic working conditions in all plastically consolidated variants of the alloys intergranular cracking prevailed. Relative weakening of the ‘new’ grain boundaries formed during plastic consolidation resulted in lower fatigue life of ultrafine-grained alloys. Addition of graphite to RS442 alloy led to increase of fatigue life for higher stress range due to increased crack path tortuosity and crack tip shielding phenomenon.

Słowa kluczowe

PL

ultradrobnoziarnistość; stop aluminium; szybka krystalizacja; konsolidacja plastyczna; trwałość zmęczeniowa

EN

ultrafine-grained; aluminium alloy; rapid solidification; plastic consolidation; fatigue life

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 26, nr 4
• Strony: 343--358
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.,tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Ziaja W.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Materiałoznawstwa, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Motyka M.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Materiałoznawstwa, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Tokarski T.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Nauki o Materiałach i Inżynierii Metali Nieżelaznych, Al. A. Mickiewicza 30, 30 059 Kraków, Poland

autor

Sieniawski J.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Materiałoznawstwa, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

Bibliografia

• [1] Sabirov, Ilchat, Murashkin, Maxim,Yu., Valiev, Ruslan, Z. 2013 „Nano-structured aluminium alloys produced by severe plastic deformation: New horizons in development”. Materials Science & Engineering A560: 1-24.
• [2] Valiev, Ruslan, Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. 2000 „Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation”. Progress in Materials Science 45: 103-189.
• [3] Lewandowska, Małgorzata, Kurzydłowski, Krzysztof, J. 2008 „Recent development in grain refinement by hydrostatic extrusion”. Journal of Materials Science 43: 7299-7306
• [4] Toth, Laszlo, S., Gu, Chengfan. 2014 „Ultrafinegrain metals by severe plastic deformation”. Materials Characterization 92: 1-14.
• [5] Kumar, K., Sharvan, Van Swygenhoven H., Suresh S. 2003 „Mechanical behavior of nanocrystalline metals and alloys” Acta Materialia 51 : 5743–5774.
• [6] Meyers M.A., Mishra A., Benson D.J. 2006 „Mechanical properties of nanocrystalline materials”. Progress in Materials Science 51: 427-556.
• [7] Bazarnik, Piotr, Lewandowska Małgorzata, Andrzejczuk, Mariusz, Kurzydlowski, Krzysztof J. 2012 „The strength and thermal stability of Al-5Mg alloys nanoengineered using methods of metal forming”. Materials Science & Engineering A556: 134-139.
• [8] Hanlon, T., Tabachnikova, E.D., Suresh, S. 2005 „Fatigue behavior of nanocrystalline metals and alloys”. International Journal of Fatigue 27 : 1147-1158.
• [9] Cavaliere, Pasquale. 2009 „Fatigue properties and crack behavior of ultra-fine and nanocrystalline pure metals”. International Journal of Fatigue 31: 1476-1489.
• [10] Padilla II H.A., Boyce B.L. 2010 „A Review of Fatigue Behavior in Nanocrystalline Metals”. Experimental Mechanics 50 : 5–23.
• [11] Estrin, Yuri, Vinogradov, Alexei. 2010 „Fatigue behaviour of light alloys with ultrafine grain structure produced by severe plastic deformation: An overview”. Inter-national Journal of Fatigue 32: 898-907.
• [12] Dybiec Henryk 2008 Submikrostrukturalne stopy alumi-nium. Krakow: Wydawnictwa AGH.
• [13] Pilkey, Walter, D. 1997 Peterson’s Stress Concentration Factors. New York: Wiley Interscience Publication.
• [14] Motyka Maciej, Tokarski Tomasz, Ziaja Waldemar, Dybiec Henryk, Sieniawski Jan. 2013 „High cycle fatigue bending strength of rapidly solidified and plastic consolidated RS442 aluminium alloy”. Journal of Materials Science 48 : 4796–4800.
• [15] Motyka Maciej, Tokarski Tomasz, Ziaja Waldemar, Wędrychowicz Mateusz. 2015 „The effect of heat treatment on static and dynamic mechanical properties of rapidly solidified and plastically consolidated RS442 aluminium alloy”. Key Engineering Materials 641 : 17-23.
• [16] Pao P.S., Jones H.N., Cheng S.F., Feng C.R. 2005 „Fatigue crack propagation in ultrafine grained Al-Mg alloy”. International Journal of Fatigue 27 : 1164-1169.
• [17] Ziaja, Waldemar, Motyka, Maciej, Dybiec Henryk, Sieniawski Jan. 2013 „High cycle bending fatigue life of submicrocrystalline aluminium alloy”. Mechanics of Materials 67: 33–37.