НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

Винар

Василь Андрійович

УДК 620.194.23

Закономірності корозійно-втомного руйнування поверхнево зміцнених алюмінієвих сплавів

Спеціальність 05.17.14 – Хімічний опір матеріалів та захист від корозії

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Похмурський Василь Іванович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, заступник директора з НДР, м. Львів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Никифорчин Григорій Миколайович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів, м. Львів

кандидат технічних наук

Мерцало Іванна Павлівна,

Національний університет “Львівська політехніка”, старший викладач кафедри хімії і технології неорганічних речовин,

м. Львів

Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра технології електрохімічних виробництв, м. Київ

Захист відбудеться ‘’21’’ червня 2006 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий ‘’18’’ травня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Погрелюк І.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Алюміній та його сплави широко застосовуються у різних галузях промисловості, що обумовлено високими експлуатаційними та технологічними властивостями. Надійність і довговічність конструкцій в багатьох випадках визначається опором втомі окремих деталей та вузлів, який суттєво залежить від взаємодії матеріалу з корозійно-активним середовищем. Тому вивчення процесів корозії та корозійно-втомного руйнування алюмінієвих сплавів і розробка методів підвищення опору цим видам руйнування є актуальною проблемою.

На сьогодні добре вивчено вплив різних видів обробки на корозійні та електрохімічні властивості алюмінієвих сплавів у різних середовищах (В.Д.Вальков, В.в.Герасимов, И.Л. Розенфельд, А.І.Голубєв, Г.В.Акимов, B. Connolly та ін.). Вплив циклічних напружень на взаємодію алюмінієвих сплавів із корозійно-активними середовищами вивчали А.В. Карлашов, А.Н. Яров, В.С. Синявський, Г.В.Карпенко, В.І.Похмурський, А.В.Рябченков, А.Н.Кузюков та ін. Проте роботоздатність поверхнево модифікованих алюмінієвих сплавів за умов дії механічних напружень та агресивних середовищ вивчено недостатньо. Зокрема, не вияснено характер впливу на їх витривалість мікроелектрохімічної гетерогенності та шорсткості поверхні, що формується в процесі різних видів поверхневої обробки. Однією з невирішених проблем є також визначення впливу гальванічних покриттів, осаджених на сплави алюмінію з метою покращення функціональних властивостей, на витривалість цих сплавів, а також одночасної дії напружень та корозивного середовища.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У роботі узагальнено результати теоретико-експериментальних досліджень, проведених автором у рамках науково-дослідних робіт, виконаних у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно з тематичними планами Національної академії наук України:

-

-

-

Об’єкт дослідження – корозія, втома та корозійна втома алюмінієвих сплавів після різних видів зміцнення та з гальванічними покриттями.

Предмет дослідження – електрохімічні та корозійні процеси, закономірності корозійно-втомного руйнування алюмінієвих сплавів після поверхневого пластичного деформування (ППД) та з гальванічними покриттями (ГП).

Методи дослідження – мікроелектрохімічні, втомні та корозійно-втомні випробування сплавів, потенціодинамічна вольтамперометрія, електронна та оптична мікроскопія.

Мета роботи. Дослідження закономірностей корозії і корозійно-втомного руйнування алюмінієвих сплавів після різних методів поверхневої пластичної деформації та нанесення гальванічних покриттів з метою підвищення їх експлуатаційних характеристик.

Основні завдання. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1. Вивчити вплив агресивності середовища на корозійні та корозійно-втомні властивості сплавів Д16Т та АК9М2, вибрати розчин для мікроелектрохімічних досліджень алюмінієвих сплавів.

2. Дослідити вплив виду поверхневого пластичного деформування на втомні, корозійно-втомні, електрохімічні та мікроелектрохімічні властивості алюмінієвих сплавів.

3. Визначити роль шорсткості поверхні, що сформована в процесі різної поверхневої обробки та впродовж взаємодії з середовищем, при електрохімічних дослідженнях матеріалів.

4. Вивчити характер та механізм корозійно-втомного руйнування сплаву Д16Т при корозійній втомі та вплив на нього поверхневої пластичної деформації.

5. Дослідити вплив цинкового і нікелевого гальванічних покриттів та комбінованого виду обробки (ППД + ГП) на корозійно-електрохімічні властивості та корозійно-втомну міцність сплаву Д16T.

Наукова новизна роботи. Опрацьовано методику мікроелектрохімічних досліджень локальних областей поверхні сплавів алюмінію. Показано вплив пасивації поверхні та електропровідності розчинів на чутливість вимірювань структурної гетерогенності сплавів.

З’ясовано роль інтерметалідних включень у корозійно-втомному руйнуванні дюралюмінію, розкрито механізм зародження і поширення корозійно-втомних тріщин. Виявлено, що ППД обкочуванням роликами та дробоструминною обробкою сплаву Д16Т зумовлює диспергування та вихід на поверхню інтерметалідних фаз, збільшує кількість гальванопар і знижує корозійну тривкість, але підвищує його опір корозійно-втомному руйнуванню, особливо після обкочування поверхні роликами.

Вперше показано, що електролітичне нікелювання, внаслідок дії напружень розтягу, суттєво понижує опір втомному і корозійно-втомному руйнуванню дюралюмінію. Попереднє поверхневе пластичне деформування, усуваючи негативний вплив цих напружень, майже втричі підвищує умовну границю корозійної втоми сплаву в 3%-му розчині NaCl. Цинкове покриття, внаслідок прояву протекторного захисту, підвищує опір корозійно-втомному руйнуванню сплаву Д16Т у 1,3-1,5 рази. При нанесенні на попередньо зміцнену ППД поверхню, повністю усувається негативний вплив корозивного середовища: границя корозійної втоми досягає рівня границі втоми зміцнених зразків на повітрі.

Практична цінність роботи. Продемонстровано ефективність різних методів поверхневого пластичного деформування для підвищення втомної та корозійно-втомної міцності сплавів алюмінію.

Рекомендовано для локальних електрохімічних досліджень сплавів алюмінію застосовувати розчин (0,045% H2SO4 + 0,14% H2O2 + 0,00001% K2Cr2O7), який забезпечує роздільність вимірів 10 мкм при діаметрі мікрозонда 1 мкм.

Показано, що для зниження негативного впливу цинкового та нікелевого гальванічних покриттів на витривалість сплаву Д16Т доцільно використовувати попереднє зміцнення поверхні методами ППД.

На основі отриманих результатів розроблено рекомендації щодо підвищення експлуатаційних характеристик сплаву Д16Т для АНТК “Антонов” (м. Київ).

Особистий внесок здобувача. Всі узагальнюючі положення та результати, що виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані здобувачем особисто. Серед них планування і реалізація експериментів, безпосередня участь в узагальненні та обробці результатів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на:

· корозійній конференції “Ochrona przed korozja” (2002р., Варшава, Польща);

· відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців та спеціалістів ФМІ НАН України XVІ (2003р., Львів), XVІІ (2005р., Львів);

· VIІ міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів” (2004р., Львів);

· європейському корозійному конгресі “EUROCORR’2005 (Лісабон, Португалія);

· IV корозійній конференції “Korozja’2005” (2005р., Варшава, Польща);

· X науковій конференції “Львівські хімічні читання” (2005р., Львів);

· IV міжнародній гальванотехнічній конференції „Galwanotechnika – prawda i mity”(2005р., Варшава, Польща);

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано дев’ять статей та тези двох доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, трьох додатків, переліку літературних джерел (124 найменування). Загальний обсяг – 132 сторінки друкованого тексту, в тому числі 59 рисунків та 3 таблиці.

Основний змІст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень впливу поверхневого пластичного деформування та нанесення покриттів катодного і анодного типу на процеси корозійного та корозійно-втомного руйнування алюмінієвих сплавів у середовищах різної агресивності сформульовано мету й завдання досліджень, показано наукову новизну практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі коротко проаналізовано вплив структури та середовища на корозійно-електрохімічні властивості сплавів на основі алюмінію, а також сучасні уявлення про процеси корозійно-втомного руйнування і його характерні ознаки та розглянуто методи підвищення втомних і корозійно-втомних характеристик алюмінієвих сплавів.

У другому розділі наведено методику експериментальних досліджень і режими поверхневої обробки деформованого (Д16Т) та литого (АК9М2) сплавів алюмінію. Застосовували два методи поверхневої обробки: обробку кульками і обкочування роликами, для визначення впливу форми дробу, сплав АК9М2 додатково обробляли корундом неправильної геометричної форми. Дробоструминну обробку зразків проводили пневматичним методом подачі дробу за попередньо підібраними параметрами (див. табл.).

Таблиця

Режими дробоструминної обробки поверхні сплавів

Параметри обробки | Д16Т | АК9М2

Форма та розмір дробу, мм | круглий, 0,43 | круглий, 0,43 | колотий,

0,43-2

Матеріал та твердість дробу | сталь, 470HV | сталь,

470HV | корунд

Тиск повітря, МПа | 0,45 | 0,35 | 0,55

Інтенсивність обробки за плитою Альмена тип (А І) | 0,35 | 0,33—

Відстань від сопла до поверхні, що обробляли, мм | 200 | 200 | 175

Час обробки, сек | 2х60 | 2х60 | 2х60

Гальванічне нікелеве та цинкове покриття наносили на поверхню після шліфування та обкочування роликами. Перед нанесенням покриттів робили подвійну цинкатну обробку поверхні сплавів. На проміжний мідний підшар ( = 1,52 мкм), що осаджений з пірофосфатного електроліту, наносили нікелеве покриття з сульфатхлоридного електроліту нікелювання товщиною = 1820 мкм. Цинкове покриття наносили безпосередньо на імерсійну цинкову плівку з сульфатного електроліту цинкування товщиною = 2022 мкм.

Мікроелектрохімічні дослідження виконували на установці ІНК–2 з рухомим столом (v = 10 мкм/c), використовуючи мікроелектрод з внутрішнім діаметром 13 мкм, який виготовляли за допомогою спеціального напівавтомата зі скла “Пірікс”.

Дослідження корозійної втоми проводили на установці, яка дозволяє за повного занурення в електроліт деформувати зразки чистим згином під час обертання з частотою 50 Гц і одночасно здійснювати електрохімічні вимірювання. Базова кількість циклів на повітрі та корозивному середовищі відповідно становила 10 і 50 млн.

Мікротвердість вимірювали за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3, шорсткість поверхні на профілографі-профілометрі “Калібр С-265”. Металографічні дослідження проводили на оптичних мікроскопах МВТ-71 та Neofot-2, а електронно-мікроскопічні дослідження на електронному мікроскопі-аналізаторі “Zeiss EVO”.

Для електрохімічних досліджень зразків сплавів, у тому числі під час їх циклічного деформування, використовували потенціостати П-5848, ПИ-50-1.1. Швидкість зміни потенціалу при поляризації 1 мВ/сек. Електродом порівняння служив насичений хлоридсрібний електрод. Робочими середовищами були дистильована вода, 3%-ний розчин NaCl та МЕХ (0,045% H2SO4 + 0,14% H2O2 + 0,00001% K2Cr2O7).

Третій розділ присвячено дослідженню впливу агресивності середовища на корозійно-електрохімічні та корозійно-втомні властивості алюмінієвого сплаву Д16Т та підбору розчину для мікроелектрохімічних досліджень.

Сплави системи Al-Cu-Mg після термічної обробки містять велику кількість інтерметалідних фаз різної дисперсності. Це є передумовою мікроелектрохімічної гетерогенності, яка може по-різному проявлятися в тих чи інших середовищах.

Показано (рис. 1а), що потенціал корозії сплаву Д16Т в дистильованій воді та 3%-му розчині NaCl після експозиції впродовж 1 год відповідно становить 570 мВ та 512 мВ, а струми корозії – 110-3 мА/см2 та 1,4410-4 мА/см2. Це свідчить про різний прояв структурної неоднорідності в умовах активного розчинення та пасивації. В дистильованій воді спостерігається підвищення анодної поляризованості сплаву і зниження ефективності катодного процесу.

Металографічними дослідженнями (рис.2) підтверджено, що у дистильованій воді руйнування матриці та нерозчинних фаз відбувається менш інтенсивно, ніж у 3%-му розчині NaCl.

а |

б

Рис. 1. Поляризаційні криві (а) та зміна локальних потенціалів (б) сплаву Д16Т в

дистильованій воді (1), 3%-му розчині NaCl (2), розчині МЕХ (3).

В розчині МЕХ дюралюміній, як і в 3%-му розчині NaCl, розчиняється в активному стані (рис.1), хоча з дещо більшою швидкістю – 8,210-3 проти 1,010-3 мА/см2, що пов’язано із зростанням ефективності катодних процесів через наявність більшої кількості деполяризатора, який пришвидшує локальне розчинення сплаву (рис. 2в).

а |

б |

в

Рис. 2. Корозійні пошкодження сплаву Д16Т після експозиції протягом 1 години в

дистильованій воді (а), 3%-му розчині NaCl (б), розчині МЕХ (в).

Враховуючи, що сплав Д16Т характеризується структурною гетерогенністю, були проведені дослідження його поверхні за допомогою капілярних зондів, заповнених дистильованою водою, 3%-ним розчином NaCl та розчином МЕХ. Встановлено, що локальні електродні потенціали (рис. 1б) на поверхні шліфа сплаву у дистильованій воді, за умов пасивації, відрізняються не більше, ніж на Е ~ 25 мВ. У розчині МЕХ, при активному розчиненні поверхні, спостерігається більша різниця між потенціалами різних ділянок (Е ~ 35 мВ). Мікроелектрохімічні вимірювання потенціалів у 3%-му розчині NaCl показали, що максимальна різниця не перебільшує Е ~ 4 мВ, що пов’язано з високою електропровідністю середовища та більшою заполяризованістю поверхні порівняно з дистильованою водою і розчином МЕХ. Тому, дослідження гетерогенності сплаву Д16Т доцільно проводити в розчині МЕХ, який дає можливість локалізувати вимірювання потенціалів із роздільною здатністю ~ 10 мкм (при внутрішньому діаметрі капіляра 1 мкм), а також забезпечує, як і в 3%-му розчині NaCl, активне розчинення. За умов пасивації дюралюмінію мікроелектрохімічна гетерогенність проявляється теж, але внаслідок малих струмів розчинення не сприяє інтенсивній локальнії корозії.

Показано (рис. 3), що границя втоми шліфованих зразків в розчині хлоридів знижується у 2,3 рази а у дистильованій воді в 1,4 рази. Отже, при однакових механічних навантаженнях сплаву, за умов активного розчинення, коли внаслідок мікроелектрохімічної гетерогенності проходить локалізація корозійних процесів, корозійна витривалість є значно менша, ніж при його пасивації.

Рис. 3. Криві втоми шліфованих зразків сплаву Д16Т в повітрі (1), дистильованій воді (2) і 3%-му розчині NaCl (3). | Рис. 4. Зміна струму поляризації (Епол=Екор) під час корозійно-втомного руйнування зразків сплаву Д16Т при ± = 175 МПа в 3%-му розчині NaCl (1), дистильованій воді (2).

На основі вивчення зміни струмів поляризації досліджено кінетику корозійно-втомного руйнування сплаву. Встановлено характер зміни густини струму поляризації (іпол) під час корозійної втоми та його величину за потенціалу поляризації, рівному корозійному (Епол = Екор). Показано (рис. 4), що за однакових напружень в дистильованій воді струм поляризації металу є меншим, ніж в хлоридвмісному середовищі. Крім того виявлено, що у момент навантаження стрибок струму поляризації майже на порядок вищий у 3%-му розчині NaCl порівняно з дистильованою водою. Це пов’язано з репасивуванням активованих деформацією ділянок поверхні, що сприяє зменшенню інтенсивності її розчинення та розвитку корозійно-втомного пошкодження і, відповідно, зростанню тривалості періоду зародження тріщин.

У четвертому розділі наведено результати досліджень сплавів Д16Т та АК9М2, зміцнених ППД обкочуванням роликами та дробоструминною обробкою, на корозійну втому, а також проаналізовано характер та механізм руйнування сплавів. Встановлено, що ППД обкочуванням роликами та дробоструминною обробкою підвищує мікротвердість сплаву Д16Т з ~850МПа до 1200 МПа, зростає також і шорсткість поверхні (рис. 5а). Оскільки величина залишкових напружень суттєво впливає на опір втомному руйнуванню, то режими ППД підбирали так, щоб рівень залишкових напружень у поверхневих шарах після обох видів обробки був однаковий, що дозволить дослідити вплив мікрогеометрії поверхні на властивості зміцненого сплаву. Величина максимальних залишкових напружень, вичислена за стрілою прогину, становила 220 МПа для обох методів.

Мікроелектрохімічне сканування поверхні зразка показало (рис. 5б), що різниця потенціалів між окремими ділянками матеріалу після обробки кульками складає Е ~ 47 мВ, в той час як для обкоченого Е ~ 16 мВ, для шліфованої поверхні Е ~ 32 мВ. Отже, різні види поверхневої обробки по-різному змінюють мікрогеометрію та мікрогетерогенність поверхні.

а | б | Рис. 5. Шорсткість (а) і локальні потенціали (б) поверхні сплаву Д16Т після шліфування (1), дробоструминної обробки (2) та обкочування роликами (3). |

На основі електрохімічних досліджень (рис. 6а) встановлено, що в результаті поверхневої обробки, як кульками, так і роликами, зростає ефективність катодних процесів та зміщується стаціонарний електродний потенціал в сторону додатніших значень на 1030 мВ. Такі зміни пов’язані з виходом на поверхню та диспергуванням інтерметалідних включень під час поверхневої обробки, що спричиняє збільшення кількості гальванопар та зростання струмів корозії.

а | б

Рис. 6. Поляризаційні криві (а) та характер зміни струму корозії (б) дюралюмінію Д16Т в

3%-му розчині NaCl після шліфування (1), дробоструминної обробки (2),

обкочування роликами (3).

(струми приведені до видимої площі (1-3) та реальної площі (1’- 3’)).

Значення струмів корозії протягом двох діб, при перерахунку їх на площу видимої поверхні, після обкочування та дробоструминної обробки практично співпадають. Перерахунок струмів із врахуванням коефіцієнтів відношення реальної площі до видимої (шліфування 1,028, дробоструминна обробка 1,25 і обкочування роликами 1,034, визначено за профілографами (рис. 5а)) дає різницю між значеннями густин струмів після обкочування роликами дещо більшу, ніж після обробки дробом.

а |

б |

в

Рис. 7. Вигляд поверхні сплаву Д16Т після витримки 15 діб в 3%-му розчині NaCl:

а – шліфування; б – дробоструминна обробка; в – обкочування роликами.

На основі аналізу прокородованої поверхні встановлено (рис. 6б), що більша густина струму корозії сплаву після обкочування роликами (1,810-3 мА/см2) порівняно з шліфуванням (9,510-4 мА/см2) та дробоструминною обробкою (1,310-3 мА/см2) пов’язана з диспергуванням та рівномірнішим розподіленням інтерметалідних включень після обробки, що знижує локалізацію розчинення поверхні (рис. 7в). На відміну від обкоченої поверхні, після шліфування (рис. 7а) та дробоструминної обробки (рис. 7б) розчинення супроводжується локальним витравлюванням. На шліфованій поверхні кількість витравлень дещо більша, ніж на обробленій дробом, так як фази розміщені групами і не зазнали в процесі обробки змін.

Показано, що обкочування роликами та дробоструминна обробка підвищують значення границі втоми сплаву Д16Т у 1,3 рази. Криві втоми практично співпадають, що пов’язано з дією однакових за величиною внутрішніх напружень стиску. У корозивному середовищі вид обробки на витривалість проявляється суттєвіше, границя корозійної втоми при базі досліджень 5107 циклів зросла в 1,2 рази після обробки дробом і майже у 1,6 рази після обкочування роликами (рис. 8). Ця різниця пов’язана із більшою шорсткістю та мікроелектрохімічною гетерогенністю поверхні після дробоструминної обробки та різницею в характері розчинення поверхні.

Для визначення впливу виду ППД на період зародження і розвитку тріщини досліджували зміну потенціалу корозії під час циклічного навантаження зразків (рис. 9).

Рис. 8. Криві втоми (1-3) і корозійної втоми (1-3) в 3%-му розчині NaCl зразків сплаву Д16Т після шліфування (1, 1), дробоструминної обробки (2, 2),

обкочування роликами (3, 3). | Рис. 9. Зміна потенціалу корозії при корозійно-втомних випробуваннях (± = 250МПа)

після шліфування (1),

дробоструминної обробки (2),

обкочування роликами (3).

Встановлено, що час до зародження корозійно-втомних тріщин у зразках суттєво залежить від виду ППД, тоді як тривалість періоду розвитку тріщин, що вже зародилися і пройшли поверхнево зміцнений шар, до кінцевого руйнування зразків після усіх видів обробки практично однакова.

Аналіз зламів зразків сплаву Д16Т показав, що втомне та корозійно-втомне руйнування переважно проходить під кутом близьким до 45 до дії нормальних напружень, на противагу сталям та іншим сплавам, у яких тріщини ростуть, здебільшого, перпендикулярно до дії циклічних напружень. Причиною такого нетипового руйнування є стрічкоподібне розміщення нерозчинних інтерметалідних фаз. Під час деформування зразка має місце руйнування інтерметалідів в напрямку дії нормальних напружень (рис. 10а), але подальше руйнування відбувається шляхом розшаровування матеріалу вздовж осі зразка по текстурованих скупченнях інтерметалідів та з’єднання розшаровувань в сходинкоподібну тріщину (рис. 10б), яка в макророзмірі складає кут 45 до дії нормальних напружень (рис.10 г).

Встановлено, що у корозивному середовищі руйнування матеріалу підсилюється міжкристалітною корозією (рис. 10в), яка під дією напружень інтенсифікується. Корозійні тріщини розвиваються як перпендикулярно до дії прикладених навантажень, так і вздовж зразка по текстурованих границях сплаву, утворюючи сітки тріщин, які, знеміцнюючи матеріал, пришвидшують руйнування. Макротріщина також росте під кутом, близьким до 45 до дії нормальних напружень.

а |

б |

в

г |

Рис. 10. Характер зародження та росту тріщини в матеріалі зразка Д16Т в результаті руйнування при втомних (а, б), корозійно-втомних (в) дослідженнях та вигляд зламу (г) при напруженнях =250 МПа.

Поверхневе пластичне деформування сплаву АК9М2 обкочуванням роликами, обробкою кульками чи корундом спричиняє підвищення мікротвердості поверхневих шарів з 45МПа до 100140 МПа, причому менші значення одержані після обробки корундом.

Показано, що ППД сплаву АК9М2 обкочуванням роликами та обробкою поверхні кульками також підвищує опір матеріалу втомному і корозійно-втомному руйнуванню. Границя втоми у повітрі зростає у 1,5 рази, а у хлоридвмісному розчині в 2,4 рази для обох видів обробки поверхні зразків (рис.11), що пов’язано з утворенням у приповерхневих шарах напружень стиску. Режими ППД вибирали таким чином, щоб напруження стиску для обох методів обробки були однаковими, у нашому випадку – 190 МПа.

Рис. 11. Криві втоми (1-4) і корозійної втоми при випробуванні в 3%-му розчині NaCl (1-4) зразків силуміну АК9М2 після шліфування (1, 1),

обробки корундом (2, 2), обробки кульками (3, 3), обкочування роликами (4, 4). | Рис. 12. Зміна потенціалу поверхні зразків при напруженнях =125 МПа після

шліфування (1), обробки корундом (2), обробки кульками (3),

обкочування роликами (4).

Ці види обробки також приводять до завальцьовування наявних у вихідному матеріалі пор (ефективних концентраторів напружень), тим самим збільшуючи час до зародження втомних тріщин.

Після обробки поверхні сплаву АК9М2 корундом неправильної форми (колотим дробом), який часто використовують для підготовки поверхні перед нанесенням захисних покриттів, границя втоми і корозійної втоми знизилася на 15%.

За даними аналізу зміни електродного потенціалу під час корозійної втоми (рис. 12), найшвидше руйнується зразок, оброблений корундом. Крива зміни потенціалу фіксує тільки ділянку росту тріщини, а ділянка, яка відповідає інкубаційному періоду, на кривій не спостерігається. Можна вважати, що у даному випадку тріщина зародилася в результаті обробки. У зразках, які пройшли обкочування роликами та обробку круглим дробом, тривалість періоду до зародження корозійно-втомної тріщини порівняно з вихідним є більшою майже на порядок, що пояснюється зміцненням поверхневого шару, утворенням напружень стиску та заліковуванням поверхневих пор.

Отже, для підвищення витривалості алюмінієвих сплавів доцільно використовувати методи ППД, які зміцнюють поверхневі шари та формують у них напруження стиску, в окремих випадках нівелюють негативний вплив поверхневих дефектів (пор, включень), застосовування для ППД колотого дробу недоцільне.

У п’ятому розділі наведено результати дослідження впливу гальванічних цинкового та нікелевого покриттів на корозійні, втомні та корозійно-втомні властивості сплаву Д16Т. Нікелеве покриття виступає по відношенню до матеріалу основи катодом, оскільки електродний потенціал покриття становить Е=-255 мВ, а сплаву Д16Т Е=-570 мВ, тому ефективність його повинна залежати від суцільності.

Встановлено, що при наявності в покритті пор їх дія починає проявлятися вже після 5-6 діб витримки в 3%-му розчині NaCl (рис. 13). Безпористе покриття забезпечує тривалий ефективний захист сплаву, його густина струму корозії щонайменше на два порядки нижча, ніж для Д16Т, і становить 410-5 мА/см2.

Рис. 13 | Рис. 14

Рис. 13. Характер зміни струму корозії сплаву Д16Т в 3%-му розчині NaCl:

без покриття (1), суцільне нікелеве покриття (2), порувате нікелеве покриття (3).

Рис. 14. Криві втоми (1-4) та корозійної втоми (1’-4’) в 3%-му розчині NaCl зразків сплаву Д16Т після шліфування (1, 1’), шліфування з нікелевим покриттям (2, 2’), обкочування роликами (3, 3’), обкочування роликами з нікелевим покриттям (4, 4’).

Показано (рис. 14), що нанесення на шліфовану поверхню сплаву Д16Т нікелевого покриття знижує його границю втоми на повітрі практично до рівня її значень в 3%-му розчині NaCl (-1с = 75 МПа). При високих циклічних напруженнях покриття розтріскується в кількох місцях із наступним відшаровуванням.

При нанесенні нікелевого покриття на поверхню Д16Т після обкочування роликами границя втоми на повітрі складає 215 МПа, що є на рівні зміцнених зразків без покриття. Тобто, при наявності у поверхневих шарах металу напружень стиску, негативний вплив покриття на витривалість дюралюмінію нівелюється. У хлоридвмісному середовищі для сплаву з нанесеним покриттям на зміцнену роликами поверхню значення границі корозійної втоми становить -1с = 122 МПа, що дещо вище зміцненої поверхні без покриття. Без попереднього ППД в корозивному середовищі нікелювання знижує значення границі корозійної втоми до -1с = 40 МПа, що удвічі менше, ніж для основного металу, основною причиною цього є напруження розтягу, які формуються при нанесенні нікелевого покриття.

Електролітичне цинкове покриття по відношенню до сплаву Д16Т є анодом: електродний потенціал покриття становить Е=1005 мВ, а сплаву Д16Т Е=570 мВ і тому ефективно захищає сплав від корозійного руйнування.

Встановлено, що цинкове покриття, нанесене на шліфовану поверхню сплаву Д16Т, знижує його границю втоми на повітрі (рис. 15) з -1 = 175 МПа до рівня -1 = 150 МПа.

Рис. 15. Криві втоми (1-4) та корозійної втоми (1’-4’) в 3%-му розчині NaCl зразків сплаву Д16Т після шліфування (1, 1’), шліфування з цинковим покриттям (2, 2’), обкочування роликами (3, 3’), обкочування роликами з цинковим покриттям (4, 4’).

Це можна пояснити нижчим опором циклічному деформуванню покриття, ніж основи, внаслідок чого в ньому утворюються тріщини, які надалі проникають в основний матеріал. В корозивному середовищі внаслідок протекторного захисту цинкове покриття підвищує значення границі втоми у ~1,4 рази.

При нанесенні цинкового покриття на поверхню сплаву Д16Т, обкочену роликами, не спостерігається пониження витривалості ні в повітрі, ні в корозивному середовищі, оскільки зміцнений шар є бар’єром для переходу тріщини з покриття в основу, а в корозивному середовищі цинк підвищує витривалість сплаву до рівня зміцненого сплаву на повітрі -1 = 215 МПа завдяки протекторній дії.

Наведені результати показують, що для покращення функціональних властивостей алюмінієвих сплавів (наприклад, можливість паяння та зварювання для потреб авіабудівної промисловості) шляхом нанесення гальванічних покриттів необхідно проводити попереднє поверхневе пластичне деформування.

ВИСНОВКИ

У дисертації досліджено вплив різних видів поверхневої обробки на корозійну стійкість, електрохімічні властивості та корозійну втому алюмінієвих сплавів.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Список опублІкованих праць

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЯ. Винар В.А. Закономірності корозійно-втомного руйнування поверхнево зміцнених алюмінієвих сплавів . – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.14 – хімічний опір матеріалів та захист від корозії. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню впливу на особливості корозії і корозійно-втомного руйнування алюмінієвих сплавів після різних методів поверхневої пластичної деформації та з нанесеними гальванічними покриттями

Показано ефективність використання розчину МЕХ (0,045% H2SO4 + 0,14% H2O2 + 0,00001% K2Cr2O7) для мікроелектрохімічних досліджень алюмінієвих сплавів. Досліджено вплив поверхневого пластичного деформування дробоструминною обробкою та обкочуванням роликами на корозійні, втомні та корозійно-втомні властивості алюмінієвих сплавів Д16Т і АК9М2, а також вплив на них шорсткості та електрохімічної гетерогенності поверхні, яка формується внаслідок її обробки. Проаналізовано механізм та характер руйнування сплавів в умовах втоми та корозійної втоми.

Досліджено вплив нікелевого та цинкового гальванічних покриттів (які наносяться з метою підготовки поверхні для паяння та зварювання) на корозійно-електрохімічні, втомні та корозійно-втомні властивості алюмінієвого сплаву Д16Т. Показано, що нанесені цинкове і нікелеве покриття підвищують корозійну тривкість сплаву, проте понижують границю втоми при нанесенні на шліфовану поверхню. Попередня пластична деформація поверхні усуває негативний вплив покриттів і підвищує втомну та корозійну міцність.

Ключові слова: корозійна втома, алюмінієві сплави, поверхнева пластична деформація, локальні потенціали, руйнування, гальванічні покриття.

АННОТАЦИЯ. Вынар В.А. Закономерности коррозионно-усталостного разрушения поверхностно упрочненных алюминиевых сплавов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.14 – химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, г. Львов, 2006.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей коррозии и коррозионно-усталостного разрушения алюминиевых сплавов Д16Т и АК9М2, после различных видов поверхностного пластического деформирования (ППД), а также с нанесенными гальваническими покрытиями.

Показано эффективность использования при микроэлектрохимических исследованиях алюминиевых сплавов раствора МЕХ (0,045% H2SO4 + 0,14% H2O2 + 0,00001% K2Cr2O7), имеющего низкую электропроводность и обеспечивающего электрохимическое активное растворение поверхности, что обеспечивает локализацию измерений. Изучено влияние агрессивности среды на коррозионную выносливость сплава Д16Т и показано, что предел коррозионной усталости в дистиллированной воде (растворение в пассивном состоянии) в 1,7 раза больше, чем в 3%-ном растворе NaCl (активное состояние).

Установлено, что вследствие поверхностной обкатки роликами и дробеструйной обработки происходит диспергирование интерметаллидных фаз, что приводит к повышению эффективности катодных процессов. ППД обоими методами повышает предел усталости сплава Д16Т в воздухе на ~ 30 %, тогда как в коррозионной среде после обкатки роликами значение предела усталости на ~ 35% выше, чем после дробеструйной обработки. Это связано с большей шероховатостью и микроэлектрохимической гетерогенностью поверхности после обработки дробью, способствующей локализации коррозионных процессов на поверхности.

Для сплава АК9М2 поверхностная обработка роликами и дробью круглой формы повышает предел усталости в воздухе в ~ 1,5 раза, а в хлорсодержащей среде примерно в 2,4 раза. Это связано с наведением напряжений сжатия, упрочнением поверхностных слоев и устранением поверхностных дефектов, которые присущие литым материалам. ППД данного сплава дробью неправильной формы понижает его сопротивление усталости на 15% в воздухе и в среде, так как при обработке от поверхностных дефектов (пор, включений) образуются микротрещины.

Изучены механизм и характер разрушения алюминиевого сплава Д16Т, показано что причиной нетипичности изломов под углом 45? к приложенным напряжениям является его текстурованность. Траектория трещины проходит ступенчато, из одной полосы включений на другую через продольные расслоения, в коррозионной среде разрушение усиливается межкристаллитной коррозией.

Показано, что скорость коррозии никелевого гальванического покрытия в хлорсодержащей среде в 35 раз ниже, чем сплава Д16Т. В результате формирования напряжений, при нанесении никелевого покрытия на поверхность сплава Д16Т после шлифовки, его усталостная и коррозийно-усталостная прочность снижаются в ~ 2,5 раза. Нанесение покрытия на предварительно укрепленную поверхность практически не изменяет выносливость сплава Д16Т как в воздухе, так и в среде.

Установлено, что цинковое покрытие понижает предел усталости сплава Д16Т на ~ 15%, при осаждении на шлифованную поверхность и не влияет на его значения при поверхностном упрочнении образцов. В коррозионной среде цинковое покрытие вследствие протекторной защиты повышает предел коррозионной усталости на ~ 30% шлифованных образцов и до уровня предела усталости на воздухе упрочненных образцов.

Ключевые слова: коррозионная усталость, алюминиевые сплавы, локальные потенциалы, разрушение, поверхностная пластическая деформация, гальванические покрытия.

SUMMARY. Vynar V.A. The regularity of corrosion fatigue fracture of surface hardened aluminum alloys. – A manuscript.

Thesis for a degree of the candidate of sciences on specialty 05.17.14 – chemical resistance of materials and corrosion protection. – Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2006.

The focus of this work is the study of surface plastic deformation by different methods and electroplating on features of corrosion and corrosive-fatigue fracture of aluminium alloys.

The efficiency the MEX solution (0,045% H2SO4 + 0,14% H2O2 + 0,00001% K2Cr2O7) for microelectrochemical investigation of aluminium alloys has been shown. It has been studied how corrosion and fatigue properties of the D16T and AK9M2 aluminium alloys are affected by surface plastic deformation by shot peening and roller burnishing, as well by roughness and electrochemical heterogeneity of surface, formed after the treatment. Mechanism and character of alloys fracture under conditions of fatigue and corrosion fatigue are analysed.

Influence of nickel and zinc electroplating (applied for surface preparation before soldering and welding) on corrosion, fatigue and corrosion-fatigue properties of the D16T aluminium alloy are investigated. Nickel and zinc electroplating has been shown to increase corrosion resistance of the alloy, although lower the limit of fatigue when applied to the grinded surface. Previous surface plastic deformation removes the negative impact of electroplating and increase fatigue and