CC BY
316
УДК 621.193.013
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ КОРРОЗИОННОМ ПОРАЖЕНИИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1163, ПРИМЕНЯЕМОГО В КОНСТРУКЦИЯХ
СОВРЕМЕННЫХ САМОЛЕТОВ
В.М. БАЙКОВ, А.В. ЛАПАЕВ, В.С. ШАПКИН
В статье приведены результаты испытаний на усталостную долговечность и трещиностойкость для алюминиевого сплава серии 1163 с искусственным коррозионным дефектом.
Ключевые слова: усталостная долговечность, трещиностойкость, коррозионный дефект, сплав марки 1163.
В работе [1] представлены основные алюминиевые сплавы, используемые в современном самолетостроении: В96Ц3п.ч., В95о.ч., В95п.ч.,1933, 1163Т, 1420, 1424, 1441, В-1469. В табл. 1 приведен приблизительный список элементов конструкций, которые изготовлены из перечисленных алюминиевых сплавов.
Таблица 1
Алюминиевые сплавы и их применение в авиастроении
Сплав марки Элементы конструкции самолета Марка самолета Примечание
1 2 3 4
В96Ц3п.ч.Т12, В95о.ч., В95п.ч. Обшивка верха крыла, стрингеры, балки, стойки и др. элементы в преимущественно сжатых зонах планера Ту-204, Ил-96, Бе-200 Высокопрочные А1 сплавы на базе системы А1-2и-М§-Си (2г) обладают наивысшей удельной прочностью при большом диапазоне прочностных характеристик (ов=500-700 МПа)
1163-Т,Т7 Основной материал для обшивок фюзеляжа и низа крыла в том числе в виде листов с твердой плакировкой РД для повышения сопротивления усталости Ил-96, 881-100 Современный высокоресурсный сплав типа дуралюмин (ов>420 -460 МПа) с высоким уровнем характеристик трещиностойкости (^>135 МПа-^м при В=750 мм - для листов)
1933-Т2/Т3 Внутренний силовой набор (фитинги, шпангоуты и др.) Ан-148, 881100, Ан-225 «Мрия» Высокопрочный ковочный алюминиевый сплав
1420- ТГ1(ТВ1) Сварные герметичные отсеки, окантовки иллюминаторов, компоненты кабины ЯК-36, ЯК-38, ЯК-42, МиГ-29М, Су-27, Ту-204, Ми-26Т Среднепрочный, коррозионностойкий, свариваемый сплав пониженной плотности. Эффективно использование сплава для изготовления штамповок вместо сплава АК6
1424-ТГ1/ТГ2 Обшивка и внутренний набор фюзеляжа, сварные элементы конструкций - Среднепрочный, коррозионностойкий, свариваемый сплав пониженной плотности с высоким модулем упругости
Продолжение табл. 1
1 2 3 4
1441-Т1 Обшивочные листы Бе-103, Бе-200 Среднепрочный сплав. СРТУ в листах сплава в коррозионной среде (3,5 %-й раст-вор №аС1) при (£=0,01 Гц) сохраняет низкие значения, сопоставимые с СРТУ листов сплава Д16чТ
В-1461-Т1 Обшивка и силовой набор планера, др. элементы конструкции - Высокопрочный, коррозионностойкий, свариваемый сплав пониженной плотности с повышенным модулем упругости. Работоспособность в широком интервале температур
В-1469-Т1 Верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры - Высокопрочный, коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности
В отечественном самолетостроении наиболее распространенными сплавами,
применяемыми для обшивки планера самолетов, являются деформируемые алюминиевые сплавы на базе системы А1-Си-М^: 1163, Д16, Д16ч. Указанные сплавы интенсивно упрочняются термической обработкой, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Сплав серии 1163 относится к современным сплавам, используется в конструкциях современных самолетов и пришел на замену сплавам Д16 и Д16ч, которые, как правило, использовались в более ранних отечественных конструкциях самолетов.
В работах [2-7] для изучения закономерности изменения циклической долговечности в зависимости от локальных коррозионных повреждений проводилась оценка долговечности образцов типа полосы с искусственным коррозионным дефектом. По параметрам коррозионного дефекта оценивалась долговечность образцов, а на основе методики, изложенной в работе [7], устанавливался предельно допустимый размер коррозионного повреждения.
В данной статье изложены результаты оценки влияния коррозионных повреждений на характеристики усталостной долговечности и трещиностойкости современного конструкционного сплава серии 1163.
Материал, образцы для испытаний, оборудование Исследование проводилось на образцах (табл. 2), изготовленных из листового конструкционного сплава серии 1163 номинальной толщины 1,35 мм. Направление продольной оси образца и проката листа совпадали. Образцы представляли собой стандартные плоские образцы согласно ГОСТ в зависимости от вида испытаний: циклические испытания на усталостную долговечность и циклические испытания на трещиностойкость. Для каждого вида испытаний были рассмотрены 2 группы образцов: чистые образцы (без коррозионного повреждения) и образцы с искусственно созданным коррозионным повреждением.
Таблица 2
Перечень образцов для испытаний
Вид испытаний Количество образцов Примечание Поперечные размеры заготовок для изготовления образцов, 1хБ, мм
Циклические испытания на усталостную долговечность 15 Без коррозии 1,35х30
Циклические испытания на усталостную долговечность 5 Наличие коррозии 1,35х30
Т р ещиностойкость 5 Без коррозии 1,35х100
Т р ещиностойкость 6 Наличие коррозии 1,35х100
Коррозия моделировалась только на одной поверхности образца. Для определения вида коррозии изготовлялись шлифы в поперечном направлении образца. Металлография проводилась на микроскопе NU2E. Все испытания проводились в испытательной лаборатории ОНИЛ-15 при МГТУ ГА на испытательной машине MTS при отнулевом цикле нагружения, на воздухе. Частота циклического нагружения 5 Гц.
Циклические испытания на определение характеристик усталостной долговечности
Исследование проводилось на стандартных плоских образцах (тип VII) с центральным отверстием (B/d=6) согласно ГОСТ 25.502-79. В случае исследования влияния коррозии на усталостную долговечность искусственный коррозионный дефект создавался в центральной части образца вместо отверстия.
В результате проведенных испытаний в случае образцов с центральным отверстием построены кривые усталостной долговечности до образования трещины и до полного разрушения образцов (рис. 1) (регистрация момента образования трещины выполнялась при достижении длины трещины указанного в МОС 25.571 "Допустимые размеры начальных производственных дефектов для тонких листов t<2 мм". Для сквозных трещин их длина с каждой стороны отверстия может составлять не более 0,5 мм). В случае коррозионного дефекта построена зависимость числа циклов до разрушения образцов от относительной глубины коррозионного дефекта
при а%Г = 140 МПа (рис. 2). На рис. 2 представлена предварительная оценка допустимого размера коррозионного повреждения при напряжении G^ax™ = 140 МПа.
4 5 6
1х104 1x105 1x106
К, циклов до разрушения
Рис. 1. Кривые усталостной долговечности образцов, изготовленных из листового конструкционного материала серии 1163: 1 - до разрушения; 2 - до образования трещины
1x10 1................................................................ ....................
0 0.2 0.4 0.6 0.8
И
кор
Рис. 2. Регрессионная зависимость К- И'кор при <7^то = 140 МПа
Циклические испытания на определение характеристик трещиностойкости
Исследование проводилось на стандартных плоских образцах с центральной трещиной (тип I) согласно ГОСТ 25.506-85, ОСТ1 90268-78. Коррозия моделировалась по всей ширине и длине рабочей части образца. После моделирования коррозии создавалась усталостная трещина.
Экспериментальные точки аппроксимировали уравнением Пэриса - и = С (Ктах )п, где
и = - скорость развития усталостной трещины; Ктах - максимальный коэффициент интен-
ёЫ
сивности напряжений (КИН); С и п - параметры (коэффициенты) уравнения Пэриса.
КИН вычисляли по формуле Ктах = 7тах л/В 1 • Г, где 7тах - максимальные напряжения цикла; 1В = 21, 0 <1< 0.9; £- полудлина трещины; В - ширина образца; Г(1) - поправочная функция согласно [8]
і (і)=
Г Л I (1 _ 0.025 + 0.06 -14).
, V 2 /
Образцы с коррозионными дефектами были разделены и объединены по параметру глубины коррозионного повреждения на 2 группы: 5%-10% и 10%-20%. В табл. 3 приведены снимки с шлифов сделанных в зоне коррозионного дефекта. На рис. 3, 4 для указанных групп образцов построены зависимости - на среднем участке кинетической диаграммы усталостного разрушения, аппроксимированные уравнением Пэриса. В первом случае (рис. 3) корректировка по толщине не проводилась, во втором (рис. 4) при построении была учтена потеря толщины образца от коррозии.
—зес 2
В табл. 4 представлено отношение (икор/иб/к) скорости роста трещины при коррозионном повреждении к скорости роста трещины в чистом образце при значениях Ктах = 20 МПа • л/м и
Ктах = 31 МПа • л/м .
Таблица 3
Металлография
Группа
образцов
№ 1 (5%-10%)
№ 2 (10%-20%)
Снимки с шлифов
Ктах, МПа л/м
Рис. 3. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения без корректировки толщины
Кшах. МПа ^
Рис. 4. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения после корректировки по толщине
Таблица 4
Отношение икор/иб/к скорости роста трещины при коррозионном повреждении к скорости роста трещины в чистом образце
Г руппа Ктах = 20 МПа -л/м Ктах = 31 МПа -л/м
Коррозия не учтена икор/иб/к С корректир ованная толщина иб/к/икор Коррозия не учтена иб/к/икор Скорректированная толщина Ьб/к/иКор
№1 (5%-10%) 1,2 - 1,1 -
№2 (10%-20%) 1,8 1,25 1,8 1,2
Данные, приведенные в табл. 4, говорят о том, что для рассмотренного вида коррозионного поражения увеличение скорости роста усталостной трещины происходит за счет уменьшения рабочего сечения образца, а значит увеличения напряжений в области коррозии. Подобные выводы были сделаны в работе [7].
Выводы
Проведены испытания стандартных образцов на определение характеристик усталостной долговечности и трещиностойкости современного конструкционного сплава серии 1163. Построены кинетические диаграммы усталостного разрушения при коррозии. Показано, что увеличение скорости роста усталостной трещины для рассмотренного вида коррозии происходит за счет уменьшения площади поперечного сечения образца. Для уточнения полученных результатов необходимо дальнейшее исследование в данном направлении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алюминиевые сплавы [Электронный ресурс] / Официальный сайт Всероссийского научно-
исследовательского института авиационных материалов ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ - Режим доступа : http://www.viam.ru/index.php?id_page=109&language=ru#414
2. Лапаев А.В., Сахин И.В. Некоторые вопросы оценки предельных состояний элементов авиаконструкций с коррозионными повреждениями // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2003. - С. 89-93.
3. Гришин А.Н., Лапаев А.В., Шапкин В.С. Концепция определения уровня коррозионного повреждения листового конструкционного материала на основе расчетно-экспериментальной оценки допустимых размеров коррозионного поражения // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 14-20.
4. Акопян К.Э., Байков В.М., Бутушин С.В., Лапаев А.В., Ковалевский А.С. Оценка влияния значений параметров, характеризующих коррозионное поражение листового конструкционного материала на его долговечность // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 21-25.
5. Лапаев А.В. Оценка долговечности и предельного состояния элементов конструкции с коррозионными поражениями из сплава марки 1163АТВ // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 119-122.
6. Байков В.М., Ковалевский А.С., Лапаев А.В., Шапкин В.С. Исследование усталостной долговечности фрагмента конструкции фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионным повреждением // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 153.
7. Акопян К.Э., Бутушин С.В., Гришин А.Н., Лапаев А.В, Семин А.В., Шапкин В.С. Теория и практика оценки коррозионных повреждений элементов конструкции планера воздушных судов / под ред. В.С. Шапкина, С.В. Бутушина. - М.: ЗАО «НЦ ПЛГ ВС ГосНИИ ГА», 2010.
8. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие: В 4 т. / под ред. В.В. Панасюка. -Киев: Наукова думка, 1988. - Т. 4.
RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF FATIGUE DURABILITY AND CRACK RESISTENCES AT CORROSION DAMAGE THE ALUMINIUM ALLOY 1163 APPLIED IN CONSTRUCTION OF MODERN PLANES
Baykov V.M., Lapaev A.V., Shapkin V.S
In article results of tests for fatigue durability and crack resistences for an aluminum alloy 1163 with artificial corrosion defect are resulted.
Key words: fatigue life, crack resistance, corrosion defect, alloy grade 1163.
Сведения об авторах
Байков Вячеслав Михайлович, 1966 г.р., окончил МГИ (1976), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОНИЛ-15 МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, начальник отдела ЗСЦ СОВТ, автор 29 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, генеральный директор ФГУП ГосНИИ ГА, эксперт Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России и Межгосударственного авиационного комитета, автор более 170 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
