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, *sebastian.faszynka@op.pl

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