Повышение усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой

В. Е. Громов$^{1}$, К. В. Аксёнова$^{1}$, С. В. Коновалов$^{1}$, Ю. Ф. Иванов$^{2,3}$

$^1$Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007 Новокузнецк, РФ
$^2$Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
$^3$Национальный исследовательский Томский политехнический университет, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ

Получена: 27.04.2015. Скачать: PDF

В настоящее время в различных отраслях промышленности всё большую популярность приобретают изделия из алюминиевых сплавов. Однако сравнительно низкие прочностные свойства силумина существенно сужают сферу его применения. Силумины практически не упрочняются термической обработкой из-за малого различия по растворимости кремния при высокой и низкой температуре. Поэтому важнейшим методом улучшения их механических свойств является модифицирование. Осуществлена обработка силумина эвтектического состава высокоинтенсивным импульсным электронным пучком в различных режимах. Выполнены многоцикловые усталостные испытания и выявлен режим облучения, позволивший повысить усталостную долговечность материала более чем в 3,5 раза. Методами сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии проведены исследования структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры силумина, подвергнутого усталостным многоцикловым испытаниям до разрушения. Показано, что в режиме частичного оплавления поверхности облучения процесс модификации поверхности сопровождается формированием многочисленных микропор, расположенных вдоль границы раздела пластина–матрица, и микротрещин, расположенных в пластинах кремния. В режиме устойчивого плавления (толщина расплавленного слоя изменяется в пределах до 20 мкм) формируется мультимодальная структура (зёрна размерами 30–50 мкм с расположенными на границах частицами кремния размерами до 10 мкм; субзёренная структура в виде ячеек кристаллизации размерами от 100 нм до 250 нм). Выявлено, что источниками усталостных микротрещин являются пластины кремния микронных и субмикронных размеров, не растворившиеся при электронно-пучковой обработке. Обсуждены возможные причины повышения усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой. Показано, что основными причинами увеличения усталостной долговечности силумина являются: значительное увеличение критической длины трещины, коэффициента безопасности, снижение среднего расстояния между усталостными бороздками (пробег трещины за цикл нагружения), формирование мультимодальной многофазной субмикро- и наноразмерной структуры. Изучены трибологические и прочностные свойства поверхности силумина после электронно-пучковой обработки и усталостных испытаний и выявлено снижение твёрдости, увеличение скорости изнашивания и коэффициента трения с ростом числа циклов до разрушения. Обсуждены возможные причины снижения прочностных и трибологических свойств поверхностных слоёв силумина.

Ключевые слова: силумин, структура, усталость, электронный пучок, ячеистая кристаллизация.

PACS: 61.72.-y,61.80.Bg,62.20.me,62.20.Qp,68.37.Lp,81.40.Np,81.40.Pq,81.70.Bt

Citation: V. E. Gromov, K. V. Aksyonova, S. V. Konovalov, and Yu. F. Ivanov, Increase of a Fatigue Life of a Silumin by Electron-Beam Processing, Usp. Fiz. Met., 16, No. 4: 265—297 (2015) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.16.04.265


Цитированная литература (50)  
  1. Г. Б. Строганов, В. А. Ротенберг, Г. Б. Гершман, Сплавы алюминия с кремнием (Москва: Металлургия: 1977).
  2. В. С. Золоторевский, Н. А. Белов, Металловедение литейных алюминиевых сплавов (Москва: МИСИС: 2005).
  3. Дж. Поут, Г. Фоти, Д. Джекобсона, Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками (Москва: Машиностроение: 1987). Crossref
  4. А. П. Ласковнев, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Петрикова, Н. Н. Коваль, В. В. Углов, Н. Н. Черенда, Н. В. Бибик, В. М. Асташинский, Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой (Минск: Белорусская наука: 2013).
  5. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, H. Cao, S. Z. Hao, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 258, No. 6: 2052 (2012). Crossref
  6. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, S. W. Li, C. Dong, and Z. G. Zhang, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 269: 1499 (2011). Crossref
  7. C. Dong, A. Wu, S. Hao, J. Zou, Z. Liu, P. Zhong, A. Zhang, T. Xu, J. Chen, J. Xu, Q. Liu, and Z. Zhou, Surf. Coat. Tech., 163–164: 620 (2003). Crossref
  8. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, S.W. Li, S. Z. Hao, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 257, No. 9: 3913 (2011). Crossref
  9. S. Hao, P. Wu, J. Zou, T. Grosdidier, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 253, No. 12: 5349 (2007). Crossref
  10. Q. F. Guan, H. Zou, G. T. Zou, A. M. Wu, S. Z. Hao, J. X. Zou, Y. Qin, C. Ding, and Q. Y. Zhang, Surf. Coat. Tech., 196, Nos. 1–3: 145 (2005). Crossref
  11. Ю. Ф. Иванов, Н. Н. Коваль, Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения, Структура и свойства перспективных материалов (Томск: Изд-во НТЛ: 2007).
  12. V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, S. V. Vorobiev, and S. V. Konovalov, Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams (Cambridge: Cambridge International Science Publishing Ltd: 2015).
  13. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 10: 56 (2012).
  14. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 6: 35 (2012).
  15. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Фунд. пробл. современного материаловедения, 9, № 2: 136 (2012).
  16. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, В. И. Базайкин, Пробл. чёр. металлургии и материаловедения, № 1: 66 (2012).
  17. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, А. Ф. Софрошенков, Фунд. пробл. современного материаловедения, 8, № 4: 131 (2011).
  18. С. В. Воробьёв, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. В. Сизов, А. Ф. Софрошенков, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 4: 151 (2012).
  19. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 1: 99 (2013).
  20. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 16, № 1: 85 (2013).
  21. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Материаловедение, № 4: 34 (2013).
  22. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, А. Д. Тересов, Н. Н. Коваль, С. В. Коновалов, Фунд. пробл. современного материаловедения, 8, № 3: 28 (2011).
  23. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, С. В. Воробьёв, Д. А. Бессонов, Ю. А. Колубаева, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 14, № 6: 111 (2011).
  24. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Деформация и разрушение материалов, № 12: 19 (2011).
  25. Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, Ю. Ф. Иванов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 54, № 10: 48 (2011).
  26. С. В. Воробьёв, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, Н. Н. Коваль, А. Д. Тересов, Физика и химия обработки материалов, № 4: 97 (2012).
  27. Д. А. Бессонов, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. Я. Целлермаер, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 2: 44 (2012).
  28. Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Наноинженерия, № 3: 20 (2013).
  29. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 3: 23 (2012).
  30. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 4: 49 (2012).
  31. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 16, № 2: 47 (2013).
  32. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Волков, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 56, № 11: 58 (2013).
  33. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, А. Б. Юрьев, С. В. Воробьёв, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 56, № 2: 51 (2013).
  34. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин, С. В. Коновалов, Вопросы материаловедения, № 1(73): 20 (2013).
  35. В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Перспективные материалы, № 6: 75 (2013).
  36. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 10: 82 (2013).
  37. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, С. В. Райков, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Деформация и разрушение материалов, № 6: 37 (2013).
  38. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин, С. В. Райков, С. В. Коновалов, Успехи физ. мет., 14, № 1: 67 (2013). Crossref
  39. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Ю. А. Денисова, Электронно-пучковая модификация структуры и свойств стали (Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист»: 2012).
  40. К. В. Волков, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин, Повышение усталостной выносливости рельсовой стали электронно-пучковой обработкой (Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс»: 2013).
  41. Ю. Ф. Иванов, К. В. Алсараева, В. Е. Громов, Е. А. Петрикова, А. Д. Тересов, А. В. Ткаченко, Фунд. пробл. современного материаловедения, 11, № 3: 281 (2014).
  42. О. В. Соснин, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, Ю. Ф. Иванов, Усталость сталей при импульсном токовом воздействии (Новокузнецк: Изд-во СибГИУ: 2004).
  43. В. С. Иванова, А. А. Шанявский, Количественная фрактография. Усталостное разрушение (Челябинск: Металлургия: 1988).
  44. В. Ф. Терентьев, Усталость металлических материалов (Москва: Наука: 2002).
  45. С. Коцаньда, Усталостное разрушение металлов (Москва: Металлургия: 1976) (пер. с польск.).
  46. О. В. Соснин, Ю. Ф. Иванов, В. В. Целлермаер, Д. В. Лычагин, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, Физ. мезомеханика, 6, № 3: 91 (2003).
  47. О. В. Соснин, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, В. В. Целлермаер, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, № 12: 27 (2003).
  48. Фрактография и атлас фрактограмм (Ред. Дж. Феллоуз) (Москва: Металлургия: 1982).
  49. Л. Энгель, Г. Клингеле, Растровая электронная микроскопия. Разрушение (Москва: Металлургия: 1986).
  50. А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский, Физические величины: Справочник (Москва: Энергоатомиздат: 1991).
Цитируется (2)
  1. V. V. Kurylyak and G. I. Khimicheva, Usp. Fiz. Met. 18, 155 (2017).
  2. V. E. Kormyshev, V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov and S. V. Konovalov, Usp. Fiz. Met. 18, 111 (2017).