Влияние технологического процесса формообразования на усталостную долговечность элементов конструкций из алюминиевого сплава В95

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный технический университет

Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Влияние технологического процесса формообразования на усталостную долговечность элементов конструкций из алюминиевого сплава В95

к.ф.-м.н. Ларичкин А.Ю.

д.т.н. Горев Б.В.

к.т.н. Капустин В.И.

Аннотация

Проведено экспериментальное моделирование влияния технологического процесса формообразования панели заданной геометрии из сплава В95очТ2, на усталостную долговечность материала. Процесс включает в себя: пластическое деформирование в диапазоне скоростей от 10^-5 до 10^-2 с^-1 при нормальной (20°C) температуре, температуре искусственного старения (165°C) и при температуре отжига (420°C), с последующей термообработкой по режиму Т2 в соответствие с производственной инструкцией ПИ 1.2.699-2007. Экспериментально установлено влияние параметров процесса (температуры и скорости деформирования) на усталостную долговечность. Показано, что для сплава В95очТ2 сопротивление усталостному разрушению не уменьшается после предварительного деформирования при температуре отжига.

Ключевые слова: технология формообразования, скорость деформирования, температура, ползучесть, долговечность.

Abstract

The technological process of forming panels of a given geometry made of the B95 alloy (Al- Zn -Mg- Cu) has been simulated including: plastic strain in the range 10^-5 - 10^-2 s^-1 at normal (20°C) temperature, artificial ageing temperature (165°C) and annealing temperature (420°C), followed by heat treatment at the T2 mode in accordance with the production instruction ПИ 1.2.699-2007. It has been experimentally found how the process parameters (temperature and strain rate) influence the fatigue limit. It has been shown that resistance to fatigue of the B95 alloy does not decrease after pre-strain at annealing temperature.

Keywords: processing technique, forming, strain rate, experiment, durability, aluminum alloy, creep, fatigue.

В связи с усовершенствованием форм летательных аппаратов стали востребованными методы формовки поверхностей сложной геометрии из прямоугольных монолитных плит при повышенных температурах, где материалами заготовок являются как современные перспективные сплавы [1], так и широко используемые в авиастроении модификации известных сплавов [2]. По сравнению с изготовлением элементов сборных конструкций методы горячей формовки позволяют сохранить ресурс, уменьшить вес, избавиться от сборочных и подгоночных работ на стадии изготовления изделия. Технологии формовки крупногабаритных элементов конструкций, позволяющие за один технологический шаг совместить процессы релаксации и термической обработки материала изделия, применяются на отечественных авиационных заводах: Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина, Улан-Удэнский авиационный завод, Новосибирский авиационный завод им. В.П. Чкалова [3].

Экспериментальное моделирование заключалось в воссоздании на лабораторных образцах из сплава В95 этапов технологического процесса формообразования элементов конструкций, который реализуется при изготовлении панелей сложной геометрии из изначально прямой плиты на установке УФП-1М [3]. Параметры процесса, при которых проводилась предварительная деформация образцов: в каждой области температур T = 20, 165, 420°C изменялась скорость деформирования от 10-⁵ до 10-² с-¹. Обработанные таким способом плоские образцы были испытаны на циклическую долговечность.

Методы испытаний и образцы. Подготовлено три серии плоских образцов, которые отличались температурой испытания: серия I (T=24°C), серия II (T=165°C), серия III (T=420°C). Изготовление образцов проводилось из сплава В95очТ2 из плиты толщиной h =15 мм. Целевая толщина образца 4 мм достигалась поочередным фрезерованием лицевых сторон заготовки с шагом 0,2 мм. Чистота поверхностей полученных образцов составляла Ra 0,32 (ГОСТ 2789-73). Ширина рабочей части 10 мм. Механические свойства образцов всех партий приведены в [4].

Образцы растягивались при различных скоростях деформирования в изотермических условиях до 2% общей деформации. Испытания проводились на установке Zwick/Roell Z100 (максимальное усилие 100 кН, чувствительность датчика усилия 0,01 Н) с использованием круглой трехзонной высокотемпературной печи Mytec (до 1100°С). Нагрев до целевой температуры осуществлялся в течение 30 мин. Измерение деформаций выполнялось штатным экстензометром на базе 50 мм.

Испытания на циклическую долговечность подготовленных вышеописанным способом образцов осуществлялось при T=20°C на серво-гидравлической машине Instron 8801. Образцы испытывали при гармоническом нагружении, с частотой циклов 10 Гц. Цикл напряжений отнулевой. Максимальное напряжение цикла для каждого образца составляло 250 МПа. формообразование сплав усталостный долговечность

Характеристики цикла напряжений при проведении испытаний на усталость определялись по методикам [5, 6], позволяющим определить момент возникновения необратимых явлений в материале по измерению in-citu температуры диссипативного разогрева или по измерению деформаций. В дальнейшем этот цикл будем называть предельным.

Для исследование трехосного деформированного состояния образца материала измеряли приращения компонент тензора полных деформаций экстензометрами: № W-E-404-f «Transverse/Diametral Extensometer» - продольного и №2620-601 «Dynamic Extensometer» - поперечного типов.

Для измерения температуры диссипативного разогрева образца применялся тепловизор ТКВр-ИФП «СВИТ» производство ИФП СО РАН (Россия, Новосибирск), с частотой опроса 100 Гц и температурной чувствительностью 0,007°C.

Рис. 1. Алгоритм определения критического напряжения по диссипативному разогреву и изменению деформации

На рис. 1 представлена схема определения предельного НДС при помощи фиксирования диссипативных процессов и изменения деформационных характеристик. Материал подвергается симметричному периодическому нагружению по программе со ступенчато увеличивающейся амплитудой напряжений [6]. In-citu измерялись деформации в поперечном и продольных направлениях и температура в точке на рабочей части образца. В момент времени, когда изменение температуры рабочей части образца соответствовало +0,2 K, фиксировалось значение амплитуды напряжения в цикле. Одновременно с изменением температуры изменялись поперечная и продольная деформации.

На схеме рис. 1. представлен график зависимости температуры Т и продольной деформации от времени t, полученный экспериментально по программе, описанной выше. На нем также видно, что при деформировании присутствует термоупругий и диссипативный разогрев материала. Одновременно с изменением температуры происходит накопление деформации в продольном и поперечном направлениях.

В результате, при помощи приведенной комплексной методики была получена параметрическая диаграмма деформирования (рис. 2), описанной в работе [6].

Рис. 2. Диаграмма периодического деформирования образца из сплава В95 при ступенчатом увеличении нагрузки

Диаграмма деформирования, представленная на рис. 2, получена при отнулевом цикле нагружения и построена в координатах от , где - максимальные поперечные деформации, соответствующие- максимальному напряжению в цикле.

Диаграмма позволяет найти область перехода от упругого к неупругому (неравновесному) деформированию и определить характеристики цикла напряжений при усталостных испытаниях. Из рис. 2 видно, что максимальные напряжения цикла 250 МПа соответствует первой ступени, при которой в материале активизируются диссипативные процессы для периодического нагружения. Современные результаты исследований по образованию микро- и макротрещин в конструкциях из алюминиевых сплавов при усталостных режимах нагружения приведены в [7, 8, 9].

Результаты и обсуждение. Результаты испытаний на долговечность лабораторных образцов приведены на рис. 3. По координатным осям отложены десятичный логарифм от скорости предварительного деформирования и количество циклов до разрушения .

Из рис. 3 видно, что значения усталостной долговечности материала В95очТ2 после предварительного деформирования при температуре старения (165°С) с последующей термической обработкой становятся выше с уменьшением скорости предварительного деформирования, что коррелирует с результатами применения метода формования, предложенного в работе [10].

Рис.3. Зависимость числа циклов до разрушения от скорости предварительной деформации для различных серий испытаний: 1 - серия I (T=24°C), 2 - серия II (T=165°C), 3 - серия III (T=420°C)

По данным экспериментов можно сделать вывод, что при увеличении скорости деформирования в серии III есть тенденция к увеличению числа циклов до разрушения.

Предварительное деформирование образцов из сплава В95очТ2 при температуре отжига (420°С) и скоростью деформирования 10-² с-¹ с последующей термообработкой по режиму Т2 не уменьшает сопротивление усталостному разрушению и сравнимо по долговечности с образцами серии II (165°С) для этой же скорости.

Описанный в работе подход позволяет дать оценку влияния температуры и скорости предварительного деформирования на усталостную долговечность изделий из сплава В95очТ2 на основании экспериментальных методов исследования материалов. Статьи зарубежных авторов, посвященные различным методам деформирования алюминиевого сплава 7075, который является аналогом сплава В95, не содержат непосредственной информации о влиянии скорости предварительного деформирования на усталостную долговечность.

Сопоставимые значения усталостной долговечности при предварительном деформировании в случае нормальной и повышенной температур, а также существенное снижение напряжений при высокотемпературном деформировании (при 165 °С и 10-² с-¹ равно 280 МПа, а при 420°С около 20 МПа [4]) показывают принципиальную возможность использования технологий формообразования конструкций из сплава В95 в режимах ползучести для современного самолетостроения.

Представленный в работе подход является перспективным для оценки влияния температуры и скорости деформирования на усталостную долговечность.

Литература

1. Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Антипов В.В. Перспективные алюминиевые сплавы для самолетных конструкций // Технология легких сплавов. - 2007. - № 2. - С. 35-38.

2. Фридляндер И.Н. Современные алюминиевые, магниевые сплавы и композиционные материалы на их основе. ВИАМ/2002-203509. - URL: http://viam.ru/public/files/2002/2002-203509.pdf

3. Патент 2056197 Российская Федерация, МПКB 21 D 11/20. Способ формообразования деталей и устройство для его осуществления / П.В. Миодушевский, Г.А. Раевская, О.В. Соснин. - № 5037750/08; заявл. 15.04.92; опубл. 20.03.96. - 6 с.

4. Ларичкин А.Ю., Захарченко К.В., Горев Б.В., Капустин В.И. Физическое моделирование технологического процесса формообразования элементов конструкций из алюминиевого сплава В95 в условиях ползучести // Обработка металлов. Технология. - 2016. - № 1 (70). - С.6-15.

5. Капустин В.И., Гилета В.П., Терешин Е.А. Об определении пределов упругости по диссипативному разогреву материалов // Прикладная механика и техническая физика. - 2010. Т. 51. - № 3 (301). - С. 112-117.

6. Захарченко К.В., Капустин В.И., Ларичкин А.Ю. О влиянии керамического покрытия на деформационные характеристики алюминиевого сплава Д16АТ // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 3 (64). - С. 37 - 44.

7. Diaz F. A., Patterson E. A., Tomlinson R. A., Yates J. R. Measuring stress intensity factors during fatigue crack growth using thermoelasticity// Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 2004. Vol. 27. P. 571-583.

8. La Rosa G, Risitano A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components // Int. J. Fatigue. - 2000. Vol. 22 P. 65-73.

9. Boulanger T, Chrysochoos A., Mabru C., Galtier A. Calorimetric analysis of dissipative and thermoelastic effects associated with the fatigue behavior of steels // Int. J. Fatigue. - 2004. Vol. 26. P. 221-229.

10. Патент 2396367 Российская Федерация, МПК C 22 F 1/053 (2006.01). Способ получения изделия из высокопрочного алюминиевого сплава / О.Г. Сенаторова, Е.А. Ткаченко, В.В. Сидельников, В.В. Антипов, Н.Е. Блинова, В.В. Шестов, Е.В. Красова. - № 2008141034/02; заявл. 16.10.08; опубл. 10.08.10, Бюл. № 22. - 7 с.

Размещено на Allbest.ru