CC BY
20
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.71.01
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КРУПНОГАБАРИТНОГО ПРОФИЛЯ ИЗ СПЛАВА 1163Т
Е.И. Швечков, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: ¡[email protected]),
А.В. Сыров (ЗАО «Аэрокомпозит»),
Г.Д. Лебедев, Т.Д. Ростова, канд. техн. наук, Е.В. Азанова (ОАО ВИЛС),
О. В. Боровков (ЗАО «ГСС»)
Приведены статистические данные о механических свойствах при растяжении и срезе, скорости роста усталостных трещин (СРТУ) и вязкости разрушения в условиях плоской деформации для крупногабаритного профиля из сплава 1163Т. Профиль изготовлен по серийной технологии и представлен тремя партиями разных плавок. Показано малое рассеяние результатов испытаний между партиями, о чем свидетельствуют относительно небольшие значения коэффициентов вариации, определенные по выборкам, включающим экспериментальные данные всех партий. Установлено наличие существенной анизотропии СРТУ, зависящей от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений, и вязкости разрушения.
Ключевые слова: сплав 1163Т, крупногабаритный профиль, механические свойства, СРТУ, вязкость разрушения, плоская деформация.
Mechanical Properties and Crack Resistance Characteristics of Large-Size 1163T Alloy Shapes. Ye.I. Shvechkov, A.V. Syrov, G.D. Lebedev, |T.D. Rostova], Ye.V. Azanova, O.V. Borovkov.
Statistical data on tension and shear mechanical properties, fatigue crack growth rate (FCGR) and fracture toughness of large-size 1163T alloy shapes under plane strain conditions are shown. The shapes are manufactured by the conventional technology and are presented by three lots belonged to different heats. Minor dispersion of the test results among the lots is shown. It is validated by rather low values of coefficients of variation, determined on the basis of samples including experimental data of all lots. It has been found that there are a significant FCGR anisotropy, which depends on amplitude o f stress intensity coefficients, and fracture toughness anisotropy.
Key words: 1163T alloy, large-size shape, mechanical properties, FCGR, fracture toughness, plane strain.
Введение
Крупногабаритные профили используют для изготовления элементов авиационных конструкций, воспринимающих значительную часть полетных и наземных нагрузок. Вследствие этого их относят к категории полуфабрикатов, материал которых подлежит специальной квалификации, включающей,
в том числе, получение данных о механических свойствах, скорости роста усталостных трещин и вязкости разрушения.
В дальнейшем статистически обработанные результаты испытаний используют для определения расчетных характеристик материала и обоснования его надежности в течение заданного срока службы.
Т.Д. Ростова, ведущий ученый металловед, известный специалист в области алюминиевых сплавов, талантливый исследователь, проработала в ВИЛСе более 40 лет.
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Общим положением, касающимся квалификации полуфабрикатов авиационного назначения, является необходимость получения регламентированного достаточно большого массива экспериментальных данных при соблюдении всех требований стандартов на методы испытаний. Характерная особенность крупногабаритных профилей, имеющих значительные размеры поперечного сечения,состоит в том, что при их нагружении реализуется трехмерное напряженно-деформированное состояние. По этой причине необходимо проведение испытаний образцов как в продольном и поперечном, так и в высотном направлениях.
Материал и методика исследований
Ниже приведены результаты некоторых видов квалификационных испытаний крупногабаритного профиля из алюминиевого сплава 1163Т.
На исследование поступили три профиля разных плавок, изготовленные по серийной технологии. Химический состав и механические свойства профилей по данным выходного контроля завода-поставщика удовлетворяли требованиям технических условий.
На одном из профилей исследовали структуру. Ее изучали в трех взаимно перпендикулярных плоскостях после травления отполированных микрошлифов в реактиве Келлера. Определяли размер зерна по ГОСТ 21073.3 методом секущих и объемную долю интерме-таллидных фаз точечным методом Глаголева.
Материал каждого профиля испытывали на растяжение, вязкость разрушения при плоской деформации, скорость роста усталостных трещин и срез.
Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах диаметром 8,0 мм. Значения временного сопротивления ств, условного предела текучести сто,2 и относительного удлинения 8 определяли по ГОСТ 1497-84. Модуль упругости Е определяли согласно ASTM Е 111 из диаграммы растяжения, записанной в масштабе 1000:1.
Скорость роста усталостных трещин (СРТУ) определяли по ОСТ 1 92127. В продольном (Д-П) и поперечном (П-Д) направлениях ис-
пытывали образцы в виде пластины с центральным надрезом соответственно размерами 200 х 600 х 8,0 мм и 140 х 280 х 8,0 мм, в высотном (Д-В) направлении использовали компактные образцы на внецентренное растяжение (тип ВР) размерами 60 х 62,5 х 8,0 мм. Нагружение образцов осуществляли по синусоидальному циклу с коэффициентом асимметрии И = 0,1 и частотой f = 5,0 Гц. За развитием трещины наблюдали визуально по ре-перным линиям , нанесенным с точностью 0,01 мм. Расчет СРТУ проводили на ЭВМ, используя полиномиальный метод аппроксимации экспериментальных данных по семи точкам.
Испытания на вязкость разрушения К|с проводили по ГОСТ 25.506-85 на образцах типа ВР толщиной 30,0 мм при скорости на-гружения, равной ~1,0 МП^,/м/с. В основном испытывали образцы ориентаций Д-П и П-Д, частично направлений В-Д, П-В и В-П.
На срез испытывали цилиндрические образцы диаметром 9,6 мм по ДБТМ В 769, используя приспособление, обеспечивающее срез в двух сечениях.
Количество испытанных образцов зависело от вида испытаний. При растяжении с определением ств, ст0,2 и 8 было испытано 180 образцов, по 30 для каждого из шести вариантов (три партии профиля, продольное и поперечное направления). Модуль упругости и напряжение среза определяли на 30 образцах, по пять на вариант. Объем испытаний на СРТУ и К1с был меньшим (26 и 38 шт. соответственно), в трех и пяти направлениях.
Результаты испытаний статистически обработали по известной методике [1] с расчетом средних значений х, средних квадратических отклонений в и коэффициентов вариации у.
Результаты исследования и их обсуждение
Изучение макро- и микроструктуры профиля показало, что основной его массив (центральный объем) имеет однородную нерек-ристаллизованную структуру, представленную зернами-эллипсами, вытянутыми вдоль оси прессования. Зерна имеют вид чешуек, средний размер которых в направлениях Д, П, В
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 1. Пространственное изображение микроструктуры в центральной части профиля из сплава 1163Т
соответственно составляет 150, 110 и 4 мкм. Пространственное изображение микроструктуры в центральной части профиля показано на рис. 1. В поверхностных слоях профиля, расположенных в зоне припуска на механическую обработку, выявлены крупнокристаллический рекристаллизованный ободок и зона полигонизованной мелкокристаллической структуры.
Отмечено наличие интерметаллидных фаз, образовавшихся при кристаллизации эвтек-
тики. Они расположены в основном по границам зерен. Объемная доля интерметаллидных фаз составляет 6,3 %.
Статистически обработанные результаты испытаний на растяжение и срез представлены в табл. 1. Расчет проведен отдельно для каждой партии и ориентации образцов. Из табл. 1 видно, что разница между статистическими параметрами для механических свойств образцов трех партий мала. Так, для образцов продольного направления средние значения X и коэффициенты вариации у, характеризующие относительное рассеяние результатов, находятся в следующих интервалах:
ав: X = 529-540 МПа, у = 2,6-2,9 %; ст0,2: X = 379-391 МПа, у = 3,3-6,0 %; 5: x = 14,4-15,0 %, у = 7,5-9,3 %; Е: X = 70330-70470 МПа, у = 0,5-1,0 %; тср: X = 295-306 МПа, у = 2,2-2,6 %.
Для поперечного направления рассматриваемые параметры равны:
ав: X = 468-470 МПа, у = 2,4-2,6 %; ст0,2: X = 332-343 МПа, у = 1,1-3,6 %; 5: X = 11,1-13,0 %, у = 15,4-21,6 %; Е: X = 69760-69860 МПа, у = 0,4-1,1 %; тср: X = 302-312 МПа, у = 1,4-2,8 %.
Все значения ав, а0 2 и 5 превышают требования нормативного документа на поставку профиля.
Таблица 1
Статистические данные о механических свойствах профиля из сплава 1163Т
Но- Направление вырезки ст0,2 5 Е тср
мер партии х, МПа 5, МПа у, % X , МПа 5, МПа у, % х, МПа 5, МПа у, % х, МПа 5, МПа у, % х, МПа 5, МПа у, %
1 Продольное Поперечное 531 469 15,4 12,4 2,9 2,6 33 00 00 со 23,2 12,4 6,0 3,6 14,4 11,1 1,2 2,4 8,3 21,6 70470 69860 702 291 1,0 0,4 306 305 8,1 4,2 2,6 1,4
2 Продольное Поперечное 529 470 14.2 11.3 2,7 2,4 379 332 13,3 4,6 3,5 1,4 15,0 13,0 1,4 2,0 9,3 15,4 70330 69760 370 839 0,5 1,1 295 302 7,8 8,5 2,6 2,8
3 Продольное Поперечное 540 468 14,5 11,8 2,6 2,5 391 332 13,0 3,6 3,3 1,1 14,6 13,1 1,1 2,5 7,5 19,1 67 со о 00 00 О 00 о о 413 553 0,6 0,8 303 312 6,8 8,4 2,2 2,7
-Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 2 Анизотропия механических свойств для профиля из сплава 1163Т
Номер партии Коэффициент анизотропии
а0,2 5 Е тср
1-СМСО 1,13 1,13 1,15 1.13 1.14 1,18 1,30 1,15 1,12 1,01 1,01 1,01 1,00 0,98 0,97
Таблица 3 Статистические данные о скорости роста усталостных трещин ба/бЫ для крупногабаритного профиля из сплава 1163Т
Направление вырезки ДК, МПаТм Статистические параметры
Число образцов х, мм/кцикл б, мм/кцикл у, %
Д-П 20 25 30 31,2 9 0,94 1,42 2,24 2,52 0,10 0,09 0,31 0,26 10,6 6,3 13,8 10,3
П-Д 20 25 30 31,2 8 1,44 2,91 6,11 7,28 0,12 0,25 0,88 1,13 8,3 8,6 14.4 15.5
Д-В 15 20 25 30 31,2 9 0,62 1,09 1,58 2,12 2,33 0,05 0,11 0,27 0,43 0,50 8,1 10,1 17,1 20,3 21,5
Полученные величины коэффициентов вариации для ав, а02 и 5 являются типичными для полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, что следует из их сравнения со статистически обработанными данными испытаний завода-поставщика при выходном контроле продукции.
Если значения ав, а02 и 5 в продольном и поперечном направлениях заметно отличаются, т. е. имеет место анизотропия этих характеристик, то по модулю упругости Е и напряжению среза тср материал профиля изотропен. Это видно из табл. 2, где приведены коэффициенты анизотропии для всех изученных свойств, отдельно для каждой партии. Здесь коэффициент анизотропии определен как отношение средних значений характеристики в продольном и поперечном направлениях.
Для материала элементов авиационных конструкций, работающего в условиях переменного нагружения, необходимо иметь надежные данные о скорости роста усталостных трещин (СРТУ) и вязкости разрушения. Статистически обработанные экспериментальные данные о СРТУ профиля из сплава 1163Т приведены в табл. 3. Диаграммы циклической трещиностойкости (ДЦТ), охватывающие весь диапазон изменения амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК, представлены на рис. 2. Расчет х, б, у проведен отдельно для каждого значения ДК
10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
ДК, МПа/м ДК, МПа/м ДК, МПа/м
а б в
Рис. 2. Диаграммы циклической трещиностойкости для профиля из сплава 1163Т:
а, б, в - направления Д-П, П-Д, Д-В соответственно; ■, •, ▲ - данные партий 1, 2, 3 соответственно
-Ф
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
и трех ориентаций образцов. Выборка включала результаты испытаний образцов всех трех партий.
В направлениях Д-П и П-Д образцы разных партий показали близкие результаты при малом их рассеянии внутри партии. Об этом свидетельствует тот факт, что значения коэффициентов вариации у при изменении ДК от 20 до 31,2 МПаУм не превышали 16 %. Для сравнения укажем, что в однородных по структуре листах из сплавов Д 16чТ и В95пч значения у находились в диапазоне 15-23 % [2]. Отношения максимального к минимальному значению СРТУ внутри выборок были в интер-
вале от 1,31 до 1,59. Отметим, что при испытании даже одинаковых по всем параметрам образцов разброс СРТУ может превышать двукратную величину [2-4].
Рассеяние СРТУ для образцов ориентации Д-В зависело от величины ДК. При ДК, меньших 25 МПал/м, оно также было не велико, а далее заметно возрастало. Это связано с некоторыми отличиями в характере разрушения образцов. На рис. 3 приведены фотографии изломов, где видно, что характерной особенностью образцов ориентации Д-В является поворот усталостной трещины в направление, перпендикулярное надрезу. Тот факт, что на разных образцах усталостная трещина начинала менять направление при разной длине, оказал влияние на результаты испытаний при больших ДК.
Таким образом, можно констатировать, что образцы трех изученных партий не имели заметных отличий по скорости роста усталостных трещин.
Данные о вязкости разрушения представлены в табл. 4. Испытания проводили на образцах пяти направлений вырезки, в большем количестве с ориентацией Д-П (партии 1 и 2) и П-Д (все три партии). Образцы ориентаций В-Д, П-В и В-П изучены в меньшей степени. Следует отметить, что на всех образцах направления Д-П получены некорректные зна-
Рис. 3. Характер разрушения при испытании на СРТУ образцов из профиля сплава 1163Т направлений Д-П (а), П-Д (б), Д-В (в):
а, б - образцы с центральным надрезом; в - компактный образец на внецентренное растяжение
Таблица 4
Статистические данные о вязкости разрушения К1с для крупногабаритного профиля из сплава 1163Т
Направ- Статистические параметры
ление Число х, 5, у, %
вырезки образцов МПал/м МПа*/м
Д-П* 11 45,6 2,90 6,3
П-Д 12 33,0 1,45 4,4
В-Д 7 24,8 0,60 2,4
П-В 5 37,8 1,34 3,5
В-П 3 29,7 1,60 4,8
* Значения вязкости разрушения некорректны
Р
(Ко ф К|С) ввиду не выполнения условия -тах <1,1.
Р0
в
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 4. Характер разрушения при испытании на К1с образцов из профиля сплава 1163Т направлений Д-П (1), В-Д (2), П-Д (3):
а - вид с боковой поверхности; б - вид со стороны излома
чения вязкости разрушения, т. е. К) ф К1с ввиду
Р„
невыполнения условия
< 1,1, где Рп
о
Образцы разных партий показали близкие значения вязкости разрушения. Рассеяние результатов относительно мало, коэффициенты вариации изменялись в интервале от 2,4 до 6,3. При этом большее рассеяние имело место на образцах направления Д-П, у которых отмечен различный характер разрушения. Для сравнения укажем, что при статистической обработке результатов испытаний на К|с различных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов получены значения у от 5,3 до 11,3 %.
Из результатов, представленных в табл. 3, 4, видно, что имеет место анизотропия характеристик циклической (СРТУ) и статической трещиностойкости. Лучшие свойства показали образцы ориентаций Д-П и Д-В, значительно худшие - образцы других изученных ориентаций. Эта присущая многим полуфабрикатам (плитам, поковкам, профилям) закономерность обусловливается либо направленностью элементов их структуры, либо особенностями кристаллического строения сплавов [5-8]. В нашем случае наличие анизотропии связано с вытянутостью блинообразных зерен-пластин вдоль оси прессования, по границам которых, как показало изучение микроструктуры профиля, наблюдается скопление хрупких избыточных фаз. На образцах направлений Д-П и Д-В границы зерен нор-
Ро соответственно максимальная и расчетная нагрузки из диаграммы «нагрузка-смещение». Здесь же имел место сложный, отличный от образцов других направлений вид излома (рис. 4). Траектория разрушения отклонялась от сечения надреза в перпендикулярное направление с фрагментами вдоль вытянутых границ зерен, содержащих интерметал-лидные фазы.
Из табл. 4 виден широкий диапазон изменения средних значений вязкости разрушения образцов разных ориентаций. На тех из них, где плоскость надреза (и разрушения) совпадала с направлением прессования (образцы ориентаций В-Д, В-П, П-Д и П-В) величины х находились в интервале от 24,8 до 37,8 МПал/м. На образцах же направления Д-П из-за более энергоемкого вида разрушения значение х оказалось существенно выше (Ко = 45,6 МПа л/м).
15
20
25
30
35
40 45 ДК, МПа^м
Рис. 5. Зависимость степени анизотропии СРТУ от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений для профиля из сплава 1163Т:
• - отношение СРТУ в направлении П-Д к СРТУ в направлении Д-П; ■ - отношение СРТУ в направлении Д-В к СРТУ в направлении Д- П
и
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
мальны к плоскости надреза, задающей направление разрушения, и тем самым служат своеобразными барьерами на пути его развития. На образцах других ориентаций ввиду совпадения плоскостей надреза и зерен разрушение облегчено и характеристики трещи-ностойкости ниже.
Анизотропия СРТУ существенно зависит от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений (рис. 5). С возрастанием ДК степень анизотропии, определенная как отношение СРТУ в направлениях П-Д к Д-П, сильно увеличивается (с 1,5 при ДК = 20 МПа*/м до -3,5 при ДК = 40 МПа„/м). В направлениях Д-П и Д-В значения СРТУ близки во всем исследованном диапазоне.
Анизотропия вязкости разрушения также весьма существенна. Значения Ко на образцах направлений П-Д, В-Д, П-В и В-П по сравнению с образцами направления Д-П меньше соответственно в 1,38, 1,84, 1,21, и 1,54 раза.
Таким образом, анизотропия характеристик трещиностойкости в сравнении с анизотропией механических свойств(см.табл.3)значительно выше. Эта закономерность, по-видимому, обусловлена трехмерным напряженно-деформированным состоянием, реализуемым в вершине трещины на образцах для испытаний на К1С и СРТУ.
Отметим момент, касающийся изложения требований к К1С в технических условиях на поставку профилей и поковок из некоторых алюминиевых сплавов. Как показал анализ результатов испытаний и изучение изломов образцов ориентации Д-П этих полуфабрикатов, в ряде случаев нельзя получить корректные значения вязкости разрушения в указанном направлении (Ко ф К1С), что обусловлено не только невыполнением условия Р
тах < 1,1, но и поворотом сечения разруше-
но
ния в направление , нормальное к надрезу. При этом на изломах часто видны значительные боковые скосы или другие фрагменты разрушения, свидетельствующие о том, что при испытании реализуются условия не плоской деформации, а плоского напряженного состояния. Увеличение толщины образца не
изменяет вида разрушения, поскольку с возрастанием толщины пропорционально увеличиваются другие размеры образца. По-видимому, в этих случаях в технических условиях для образцов ориентации Д-П целесообразно указывать требования не к К1С, а к Ко.
Выводы
1. При проведении квалификации крупногабаритного профиля из сплава 1163Т определены и статистически обработаны экспериментальные данные о механических свойствах при растяжении (ств, ст0,2, 5, Е) и срезе (тср), скорости роста усталостных трещин (ба/бЫ) и вязкости разрушения в условиях плоской деформации (К1С). Исследованы три партии профиля серийного производства, изготовленные из разных плавок. Изучена макро- и микроструктура профиля.
2. Экспериментальные данные трех партий близки. Для всех исследованных характеристик (ств, ст0,2, 5, Е, тср, ба/бЫ, К1С или Ко) существенных отличий в уровне свойств не отмечено. Коэффициенты вариации при включении в выборку результатов всех партий не превышают типовых величин, характерных для каждого вида испытаний.
3. Установлено наличие значительной анизотропии характеристик разрушения. Степень анизотропии СРТУ (отношение ба/бЫ в направлении П-Д к ба/бЫ в направлении Д-П) возрастает с 1,5 до -3,5 при увеличении амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК от 20 до 40 МПа,/м. Значения вязкости разрушения (Ко) на образцах ориентаций П-Д, В-Д, П-В и В-П по сравнению с образцами ориентации Д-П меньше соответственно в 1,38, 1,84, 1,21 и 1,54 раза. Анизотропия характеристик трещиностойкости обусловлена направленностью элементов их структуры (зерна в виде эллипсов вытянуты вдоль оси прессования) и выделением по границам зерен интерметаллидных фаз. Анизотропия механических свойств либо меньше (для ств, ст0,2, 5) либо отсутствует (для Е и тср). Это связано с тем, что механические свойства менее чувствительны к структуре профиля.
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 231 с.
2. Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1981. - 300 с.
3. Ярема С.Я. Рост усталостных трещин (методические аспекты исследования) // В кн.: Методы и средства оценки трещиностойкости конструкционных материалов. - Киев: Наукова Думка, 1981. С. 177-207.
4. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. - М.: Наука, 1989. - 232 с.
5. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г.
Кинетика разрушения. - М.: Металлургия, 1979. -278 с.
6. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. - М.: Машиностроение, 1974. С. 324-344.
7. Телешов В.В., Кудряшов В.Г. Структура и анизотропия вязкости разрушения алюминиевых сплавов // Физико-химическая механика материалов. 1976. № 6. С. 7-12.
8. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. - М.: Металлургия, 1989. - 575 с.
* * *
-Ф
30 июля 2013 г. исполнилось 80 лет известному ученому в области металловедения и литья легких сплавов, автору Научного открытия «Закономерность кристаллизации металлических материалов»,
члену Диссертационного совета ВИЛСа, доктору технических наук, профессору
Георгию Иосифовичу Эскину.
30 августа 2013 г. исполнилось 75 лет крупному ученому в области литейного производства, бывшему заместителю генерального директора ВИЛСа, члену Диссертационного совета института, доктору технических наук, профессору
Геннадию Сергеевичу Макарову.
Редколлегия журнала «Технология легких сплавов», коллеги по институту, специалисты заводов и НИИ сердечно поздравляют юбиляров, желают доброго здоровья и творческих успехов.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
