CC BY
34
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.71.01
АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ЛИСТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
^ш
Е.И. Швечков, докт. техн. наук (ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», e-mail: info@oaovils.ru)
Приведены систематизированные данные о степени анизотропии механических свойств, статической трещиностойкости и скорости роста усталостных трещин для листов из серийных и опытных алюминиевых сплавов нескольких систем легирования. Для ряда сплавов отмечена связь между степенями анизотропии механических свойств и трещиностойкости при статическом и циклическом нагру-жениях. Показано резкое отличие по механизму разрушения и анизотропии характеристик листов из сплава 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой от листов из других сплавов.
Ключевые слова: степень анизотропии, механические свойства, трещиностой-кость, скорость роста усталостных трещин, характер разрушения, листы.
Mechanical and Crack Resistance Anisotropy of Aluminium Alloy Sheets.
Ye.I. Shvechkov.
Systematized data concerning degree of mechanical, static crack resistance and fatigue crack growth rate anisotropy for sheets in commercial and experimental aluminium alloys belonged to different alloying systems are presented. There is a relationship between degrees of mechanical anisotropy and crack resistance anisotropy for a number of alloys in the case of static and cyclic loadings. Dramatic distinction of 1421T1 alloy sheets with a nonrecrystallized structure from sheets in other alloys in terms of failure mechanism and mechanical anisotropy is shown.
Key words: degree of anisotropy, mechanical properties, crack resistance, fatigue crack growth rate, failure mode, sheets.
Среди многих факторов, влияющих на обеспечение безопасной эксплуатации авиационной техники, важное значение имеет выбор материалов конструктивных элементов, воспринимающих основную часть полетных и наземных нагрузок. В связи с этим полуфабрикаты, предназначенные для изготовления высоконагруженных элементов авиационных конструкций, подвергают всесторонним исследованиям в условиях, моделирующих эксплуатационные. В частности, изучая анизотропию механических характеристик, проводят испытания на растяжение, статическую тре-щиностойкость, скорость роста усталостных трещин и циклическую долговечность образцов, ориентированных в двух или более на-
правлениях. Обшивочные материалы, где реализуются условия плоского (двумерного) напряженно-деформированного состояния, обычно испытывают на образцах продольной и поперечной ориентации, а массивные полуфабрикаты, кроме того, исследуют и в высотном направлении. Иногда при разработке сплавов новых систем легирования испытывают также образцы промежуточных ориен-таций, для обшивочных материалов, например, под углами 45 и 60° к направлению прокатки. Анализ результатов, полученных при испытании разноориентированных образцов, позволяет более полно охарактеризовать материал и обоснованно принимать решение
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
о возможности его использования в ответственных элементах авиационных конструкций.
Накоплен значительный объем экспериментальных данных об анизотропии механических характеристик различных полуфабрикатов - массивных (плит, поковок, штамповок, профилей больших сечений) и плоских (листов) [1-8]. По видам испытаний количество данных различно. Ввиду меньшей трудоемкости испытаний более подробно изучена анизотропия механических свойств при растяжении (ств, ст0,2, 8, иногда Е). Для плит, поковок и штамповок из различных сплавов получены данные об анизотропии вязкости разрушения К1с. Существенно меньше исследована анизотропия скорости роста усталостных трещин (СРТУ, — ) при различных
dN
значениях коэффициента интенсивности напряжений (ДК) и ее связь с анизотропией характеристик статической трещиностойкости
(КС или Кс) и свойств при растяжении. Следует отметить, что наиболее частым способом представления результатов испытаний раз-ноориентированных образцов было указание абсолютных значений характеристики для каждого направления без определения степени (коэффициента) анизотропии. Вследствие этого отсутствовала возможность нахождения связей между анизотропией различных характеристик, а также обобщение данных по анизотропии разных сплавов. В данной работе проведена систематизация полученных в ВИЛСе экспериментальных данных об анизотропии ств, ст0 2, 8, КС (Кс), при ДК = 10, 15,
20, 25 и 30 МПаУм для листов из алюминиевых сплавов нескольких систем легирования: традиционных сплавов Д16, В95 (и их типа), сплавов с литием, скандием и некоторых других (1201, АД37). Имеющиеся результаты были предварительно обработаны с определением степени анизотропии - отношения значения характеристики в поперечном или угловом направлениях к значению той же характеристики в продольном направлении.
Методики испытаний
Испытания на растяжение, статическую тре-щиностойкость и скорость роста усталостных трещин проводили в соответствии с требованиями [9-11].
На растяжение испытывали плоские образцы шириной 12,5 и 20,0 мм и толщиной, равной толщине листа. Относительное удлинение определяли на расчетной длине /0 = 5,65,^^0 . Скорость деформирования была постоянной, равной 1,0-2,0 мм/мин.
Статическую трещиностойкость определяли на образцах в виде пластины с центральным надрезом (тип ЦНР) в основном шириной 200 мм (сплавы Д16, В95 и их типа, 1201) и 160 мм. В отдельных случаях испытывали образцы шириной 100, 400 и 760 мм (сплавы 1424Т1, 2024Т351, АД37). Относительная ' 2 а,
длина трещины
В
, как правило, была
равна 0,33. Для ограничения выпучивания образца, которое может существенно снижать характеристики статической трещиностой-кости, применяли приспособление.
При определении скорости роста усталостных трещин также использовали образцы типа ЦНР в основном шириной 200, 160 мм, а иногда 100 и 400 мм. Нагружение осуществляли по синусоидальному циклу с частотой 8-10 Гц и коэффициентом асимметрии И = 0,1. За развитием трещины наблюдали визуально, как правило, с обеих поверхностей листа в обе стороны от надреза. Расчет СРТУ проводили на ЭВМ с аппроксимацией экспериментальных данных полиномом второй степени по пяти или семи точкам. На печать выводили диаграмму циклической тре-щиностойкости и в большинстве случаев, кроме того, значения СРТУ при ДК, равных 10, 15, 20, 25 и 30 МПаУм . Степень анизотропии в основном определяли как среднее значение по результатам испытаний от трех до пяти образцов.
Материалы
При оценке качества листов из промышленных сплавов, нашедших широкое применение в авиационной технике, а также при разработке новых сплавов в процессе выбора
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
их химического состава и параметров технологии проводились различные виды испытаний образцов, ориентированных в двух или более направлениях - продольном, поперечном или под некоторым углом к направлению прокатки.
Это позволило использовать полученные экспериментальные данные для определения коэффициента (степени) анизотропии ряда характеристик статической прочности и тре-щиностойкости. В работе определены коэффициенты анизотропии и проведена их систематизация для механических свойств при растяжении и характеристик трещиностой-кости применительно к сплавам следующих систем легирования: А1-Си-Мд, А!-7п-Мд-Си, А1-Мп, А!-Мд-Ы-8с-7г, А!-Мд-8с, А!-Мд-81-Си. Кратко рассмотрим их.
Листы из сплавов системы А!-Си-Мд (Д16чАТ, Д 16очТ, 1163, 1163АТВ) в основном были серийными. Они поставлены несколькими металлургическими заводами и исследованы в работах [6, 8]. Изучение свойств листов системы А!-7п-Мд-Си (В95Т2, В95пчТ2, В95очТ2, В95пчАТ2, 7475Т2) проведено там же при оценке влияния на них основных легирующих элементов (7п, Си, Мд) и примесей (Ре, 81), состав которых выбран в соответствии с требованиями планирования эксперимента. Сплав системы А!-Мп был серийным и исследован в [12].
Опытные сплавы (системы А!-Мд-и-8с-7г, А!-Мд-8с, А!-Мд-81-Си) изучены в процессе выбора состава и технологии производства для получения оптимального комплекса статических, ресурсных и коррозионных характеристик. Работы выполняли под общим руководством В.Г. Давыдова и И.Н. Фридляндера. Результаты испытаний частично изложены в [4, 5, 13-18].
Сплав 1424Т1 системы А!-Мд-Ы-8с-7г представлен двумя партиями. В первой из них холоднокатаные листы толщиной 1,6 и 3,7 мм имели нерекристаллизованную структуру с наличием полос сдвига, сформировавшихся при прокатке. При этом листы толщиной 1,6 мм изготовлены по двум технологическим схемам, отличающимся режимами термообработки. Следует отметить, что из всех исследованных сплавов объем испытаний этих
листов был наиболее представительным -образцы ориентировались в продольном, поперечном направлениях и под углами 15, 30, 45, 60 и 75° к направлению прокатки. Были также испытаны горячекатаные листы толщиной 7,8 мм. Листы второй партии из сплава 1424Т1 толщиной 4,6 мм имели полигони-зованную и частично рекристаллизованную структуру без полос сдвига.
Листы, легированные скандием (система А!-Мд-8с), представлены 7 вариантами химического состава трех толщин (1,6; 4,0 и 7,0 мм). В основном здесь варьировали содержание магния, скандия и марганца с малыми добавками меди и цинка. Все листы имели волокнистую нерекристаллизованную структуру.
Листы системы А!-Мд-81-Си (исходное состояние и четыре варианта химического состава сплава АД37) исследовали с целью получения оптимального сочетания коррозионных и механических свойств.
Сплавы систем А1-Си-Мд, А!-Еп-Мд-Си и А1-Мп
Данные о степени анизотропии механических свойств (AG , А , Ад), характеристик
статической (A у, AK ) и циклической (Асрту)
К
трещиностойкости листов из сплавов типа Д16, В95 и сплава 1201 приведены в табл. 1. Из нее видно, что прочностные свойства (ств и ст0,2) в поперечном направлении, как правило, ниже, чем в продольном (степень анизотропии меньше единицы). Обращает внимание, что у сплавов типа Д16 степень анизотропии ст0,2 ниже, чем для ств, тогда как у сплавов типа В95 значения А и А близки и изменяются в
пв °0,2
узком интервале (А„ ~ = 0,97-1,00).
°в 0,2
Относительное удлинение в поперечном направлении по сравнению с продольным выше у сплавов типа Д16 (Ад > 1,0) и ниже у сплавов типа В95 (Ад < 1,0). Это характерно для всех приведенных в табл. 1 вариантов сплавов.
Характеристики статической трещиностойкости в поперечном направлении во всех случаях меньше, чем в продольном (А у и Ак < 1,0).
ку
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
Таблица 1
Анизотропия механических свойств и характеристик трещиностойкости листов из сплавов систем А1-Си-Мд, А^Еп-Мд-Си и А!-Мп
Степень анизотропии
Сплав Толщина листа, мм Аа Аа„ „ ¿8 Ак ¿срту при различных ДК, МП^«/м
10 15 20 25 30
Д16чАТ 2,35 0,95 0,87 1,06 0,94 0,96 - - - - 1,50
Д16чАТ 1,9 0,97 0,88 1,00 0,95 0,99 1,03* - - - 1,15
Д16очТ 2,8 0,99 0,90 1,02 0,90 0,93 1,37* - - - 1,85
1163Т 1,8 0,94 0,91 1,07 0,95 0,99 1,41* - - - -
1163АТВ 1,2 0,98 0,95 1,02 - - - 1,14 1,13 1,07 1,04
В95пчТ2 2,5 0,98 0,99 0,96 - 0,85 - - - - 2,00
В95очТ2 2,5 0,98 1,00 0,85 - 0,79 - - - - 2,60
В95пчАТ2 1,9 - - - - - 1,0 1,00 1,15 1,43 1,59
В95Т2 2,5 0,97 0,99 0,90 - 0,82 - - - - 1,43
7475Т2 2,5 0,98 0,99 0,92 - 0,92 - - - - 1,50
1201 Т1 2,0 0,95 0,96 0,97 0,90 0,85 - - 1,24** 1,49*** 2,20
*,**,***_ соответственно получено при ДК = 12,7; 18,7 и 21,9 МПаУм .
При этом более заметная разница имеет место для сплавов типа В95, где, например, АК = 0,85-0,92, тогда как у сплавов типа Д16
КС
величина АК = 0,93-0,99.
КС
Степень анизотропии скорости роста усталостных трещин, как правило, больше единицы, т. е. в поперечном направлении трещина развивается быстрее, чем в продольном. В большинстве случаев по мере увеличения амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК степень анизотропии возрастает. Заметна связь между А у (или А к ) и /4срту при
КС С
высоких значениях ДК (30 МПаТм), а именно чем меньше А_ у, тем больше Асрту. В особен-
К
ности это видно для сплавов В95пчТ2, В95очТ2и 1201.
Анизотропия листов из сплавов системы А!-Мд-и-Бс-Ег
Вначале рассмотрим результаты испытаний листов толщиной 1,6 мм из сплава 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой. Объем испытаний этих листов являлся
наиболее представительным, а изменение степени анизотропии механических свойств и СРТУ в зависимости от направления вырезки (ф) образцов наиболее контрастно. Из табл. 2 и рис. 1 видно, что степень анизотропии ств, ст0,2 и особенно 8 существенно зависит от ориентации образцов. Более заметно уменьшение Аа , А и увеличение А8 на образцах, ориентированных под углами 45 и 60° к направлению прокатки. Так, минимальные
значения А„ и А„ достигали соответственно °0,2
но величин 0,83 и 0,74, а максимальные значения А8 - 6,49. Вид графиков изменения степени анизотропии механических свойств от ориентации образцов одинаков для обеих технологических схем изготовления листов, но резче выражен для схемы 1, где применен более жесткий режим термообработки листов перед одной из прокаток.
Характер изменения степени анизотропии СРТУ от ф (рис. 2) существенно зависел от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК. За исключением данных, полученных при ДК = 30 МПал/м, максимальные значения СРТУ имели образцы, ориентированные под углом 45° к направлению прокатки.
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
"Ф"
-Ф
Таблица 2
Анизотропия механических свойств и характеристик трещиностойкости листов из сплавов, легированных литием
Сплав и его характеристика Ориентация образца ф, град. Степень анизотропии при различныхф
Толщина листа, мм А. Аа„ „ ¿8 Асрту при различных ДК, МПаУм
10 15 20 25 30
1424Т1, 15 1,00 1,02 2,06 - 1,28 1,50 1,31 1,19 0,86
партия 1, 30 1,02 1,01 2,21 - 1,30 1,52 1,29 1,18 0,83
технологиче- 1,6 45 0,88 0,78 6,49 1,01 2,41 2,07 1,69 1,41 1,00
ская схема 1 60 0,84 0,82 5,94 - 1,77 1,80 1,56 1,32 1,05
75 1,01 0,93 3,94 - 0,81 2,95 1,11 1,13 0,94
90 1,06 0,97 3,08 1,02 0,91 0,81 0,87 0,98 1,01
1424Т1, 15 0,94 0,99 1,32 - 1,20 1,26 1,15 1,12 1,20
партия 1, 30 0,98 0,96 1,39 - 1,61 1,91 1,43 1,20 1,22
технологиче- 1,6 45 0,83 0,74 4,55 1,01/1,30* 1,75 2,11 1,66 1,50 1,27
ская схема 2 60 0,79 0,78 4,37 - 1,68 2,04 1,50 1,39 1,29
75 0,95 0,89 3,00 - 1,21 1,22 1,35 1,16 1,19
90 1,01 0,96 2,19 1,00/1,17* 0,80 0,76 0,84 1,08 -
1424Т1, 3,7 45 0,90 0,77 4,15 - 2,2 2,9 2,9 2,0 1,5
партия 1, 90 1,03 0,91 2,44 - 0,77 0,90 0,84 0,94 1,08
технологическая схема 1 7,8 45 90 0,91 1,04 0,79 0,92 3,11 1,93 - 2,32 0,82 2,09 1,19 1,58 1,18 1,55 1,41 1,26 1,66
1424Т1, 45 0,98 0,90 1,79 - - - - - -
партия 2, технологиче- 4,6 90 1,04 1,07 1,31 0,96** 1,00 1,10 1,10 1,07 1,00
ская схема 2
*В числителе А у получено на образцах 160 мм, Кс в знаменателе - на образцах шириной 400 мм.
**А у определено на образцах шириной 760 мм. Кс
При этом, чем меньше ДК, тем в большей степени. При ДК = 30 МПаУм значения /4СрТу уже мало зависят от ф. Что касается изменения /4СрТу от ДК, то заметна тенденция к ее уменьшению по мере возрастания ДК, в большей степени выраженная для образцов угловых ориентаций (см. табл. 2).
Сплав 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой представлен также листами толщиной 3,7 и 7,8 мм, образцы из которых испытаны в продольном, поперечном и одном из промежуточных (ф = 45°) направлениях. Из приведенных в табл. 2 данных можно констатировать, что увеличение толщины листа с 1,6 до 3,7 и 7,8 мм существенно снизило сте-
пень анизотропии 8, оказало несколько меньшее влияние на анизотропию прочностных характеристик (ств и СТ02) и сохранило такой же характер изменения степени анизотропии СРТУ в диапазоне амплитуды коэффициента интенсивности ДК от 10 до 30 МП^Тм.
Кроме сплава 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой и полосами сдвига, испытаны листы из этого же сплава с полигонизо-ванной частично рекристаллизованной структурой без полос сдвига (партия 2). Исследования проведены совместно с Н.И. Ко-лобневым и Л.Б. Хохлатовой на листах толщиной 4,6 мм. Из сравнения результатов испытаний образцов с разной структурой
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
Дг 1Д
1
0,9 0,8 0,7
0
А"о 1,1
1
0,9 0,8 0,7
1 /
15 30
45 а
60 75 90 Ф,град
/ ,
О
15
30
45 б
60 75 90
9, град
Аъ 8
1 У
2
О
15
30
45 в
60
75 90
ср, град
Рис. 13ависимости степени анизотропии ов (а), а0,2 (б) и 8 (в) от ориентации образцов относительно направления прокатки листов из сплава 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой:
♦ , ■ - технологические схемы 1 и 2 соответственно
2,5 2 1,5 1
0,5
, 2
__У, ■----- 4
'--- „ 5
0
15
30
45
60
75 90 Ф, град
Рис. 2. Зависимости степени анизотропии скорости роста усталостных трещин от ориентации образцов относительно направления прокатки листов из сплава
1424Т1 с нерекристаллизованной структурой при различны значениях амплитуд коэффициента интенсивности напряжений АК:
1, 2, 3, 4, 5 - АК = 10, 15, 20, 25 и 30 МПаТм соответственно
близких толщин (3,7 и 4,6 мм) можно заключить об уменьшении анизотропии механических свойств листов партии 2. Особенно сильно снизилась анизотропия относительного удлинения. Значения скорости роста усталостных трещин в продольном и поперечном направлениях для листа 4,6 мм близки во всем изученном диапазоне изменения АК (от 10 до 30 МПаУм).
Анизотропия листов из сплавов системы А!-Мд-Бс
Листы из сплавов системы А!-Мд-Бс представлены семью вариантами химического состава трех толщин. На образцах толщиной, равной толщине листа, проводили испытания на растяжение в четырех направлениях (Ф = 0, 45, 60 и 90°), СРТУ в продольном и поперечном направлениях, а на тонких (1,6 и 4,0 мм) листах, кроме того, на вязкость разрушения с определением критического значения коэффициента интенсивности напряжений Ку.
Данные о степени анизотропии механических свойств и трещиностойкости приведены в табл. 3 и 4. В первой из них систематизированы данные о степени анизотропии, рассчитанной как отношение характеристик в поперечном к продольному направлениям. Втабл. 4 содержатся сведения о степени анизотропии для образцов, ориентированных под углами 45 и 60° к направлению прокатки. Здесь в числителе указаны минимальное и максимальное значение А, а в знаменателе ее средняя величина. Из табл.3 и 4 следует, что наибольшая степень анизотропии получена для относительного удлинения А « 1,5-2,0). Образцы, ориентированные в продольном направлении, имели существенно меньшие значения 8 как по сравнению с угловыми (ф = 45 и 60°), так и поперечным направлениями. Степень анизотропии прочностных характеристик, полученных на образцах продольной и поперечной ориентаций, изменялась в интервале 0,95-1,06 с преимущественно более высокими значениями для тонких листов. На образцах угловых ориентаций зна-
чения А и А
независимо от толщины лис-
та и вариантов химического состава меньше
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 3
Анизотропия механических свойств и характеристик трещиностойкости листов из сплавов системы А!—Мд—Бс
Степень анизотропии, ф = 90°
Номер варианта Толщина листа, мм Аап о ¿8 V ¿срту при различных ДК, МПа/Ум
10 15 20 25 30
1 1,02 1,03 1,65 1,07 0,79 0,67 0,71 0,72 0,94
2 1,03 1,06 1,36 1,05 0,63 0,77 0,73 0,65 -
3 1,02 1,05 1,56 1,09 0,87 0,83 0,83 1,00 1,14
4 1,6 1,04 1,02 2,04 1,03 0,83 0,98 1,12 1,00 0,77
5 1,00 1,02 1,72 1,07 0,84 0,93 1,06 1,24 1,13
6 0,98 1,00 1,73 1,03 1,00 1,07 1,01 0,85 0,82
7 0,99 1,00 1,43 1,01 0,92 0,95 1,17 1,17 1,04
5 0,97 0,98 1,68 0,96 1,50 1,53 1,57 1,50 1,47
6 4,0 0,98 1,01 1,76 0,99 1,14 1,27 1,09 1,02 1,03
7 0,98 1,00 1,52 0,99 1,00 1,11 1,01 1,23 1,29
1 0,98 0,98 1,39 — 1,24 1,38 1,59 1,68 1,33
2 7,0 1,00 1,00 1,67 - 0,89 1,24 1,39 1,43 1,58
3 0,95 0,95 1,59 - 1,03 1,14 1,52 1,61 1,62
4 0,96 0,97 1,45 - 1,08 1,14 1,11 1,28 1,55
-Ф
-Ф-
Таблица 4
Анизотропия механических свойств и характеристик трещиностойкости
листов из сплавов системы А!—Мд—Бс
Ориентация образца ф, Толщина листа, Аа„ „ ¿8 ¿срту при различных ДК, МПаУм
град. мм 10 15 20 25 30
45 0,88-0,9 4 0,9 0-0 ,9 7 1 ,6 9-2 ,0 7
0, 92 0 ,9 4 1 ,9 3
60 1,6 0 ,8 8-0,96 0 ,9 2 0,9 5-1 ,0 1 0 ,9 8 1 ,6 1-2 ,3 6 1 ,8 7 - - - - - -
90 0 ,9 8-1,04 1,0 0-1 ,0 6 1 ,3 6-2 ,0 4 1 ,0 3-1,09 0,6 3-1 ,0 0 0,6 7-1 ,0 7 0 ,7 1-1,17 0 ,6 5-1 ,24 0,7-7-1 ,1 4
1 ,0 1 1 ,0 3 1 ,6 4 1 ,0 5 0 ,84 0 ,89 0 ,9 5 0 ,9 5 0 ,9 8
45 0,87-,92 0,9 1-0 ,9 8 1 ,8 8-2 ,0 3
0,90 0 ,9 4 1 ,9 3
60 4,0 0 ,85-0,90 0 ,87 0,8 6-1 ,0 0 0 ,9 3 1 ,95-2 ,1 2 2 ,0 1 - - - - - -
90 0 ,9 7-0,98 0,9 8-1 ,0 1 1 ,5 2-1 ,76 0 ,9 6-0,99 1,0 0-1 ,5 0 1,1 1-1 ,5 3 1 ,0 1-1,57 1 ,0 2-1 ,50 1,0 3-1 ,47
0 ,9 8 1 ,0 0 1 ,6 5 0 ,9 8 1 ,2 1 1 ,3 0 1 ,23 1 , 25 1 ,26
45 0 ,9 1-0,93 0,9 0-0 ,9 4 1 ,53-1 ,72
0 ,9 2 0 ,9 2 1 ,6 4
60 7,0 0 ,87-0,91 0 ,89 0,8 5-0 ,9 4 0 ,89 1 ,77-1 ,8 8 1 ,8 2 - - - - - -
90 0 ,9 5-1,00 0 ,9 8 0, 9 5-1 , 0 0 0 ,9 8 1 ,39-1 ,6 7 1 ,5 3 - 0,8 9-1 ,24 1 ,0 6 1,1 4-1 ,3 8 1 ,2 2 1 ,1 1-1,38 1 ,40 1 ,2 8-1 ,68 1 - 5 0 1,5 5-1 ,6 2 1 ,5 8
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
единицы (0,87-0,98), т. е. в продольном направлении получены более высокие прочностные свойства.
Статическая трещиностойкость листов в продольном направлении (Д-П) по сравнению с поперечным (П-Д) выше для тонких (1,6 мм) листов (А у = 1,01-1,09) и ниже для листов
Кс
меньшей толщины (А у = 0,96-0,99).
Кс
Анизотропия циклической трещиностой-кости (СРТУ) также зависела от толщины листа. Если для листов 1,6 мм независимо от их варианта химического состава и диапазона изменения АК все значения /4срту находились в интервале 0,63-1,24, то для листов большей толщины (4,0 и 7,0 мм) зависимость состояла в увеличении степени анизотропии СРТУ до значений, преимущественно больших единицы (см. табл. 3). При этом на листах толщиной 7,0 мм заметна тенденция к повышению Асрту по мере роста амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК.
Анизотропия листов из сплавов системы А!-Мд-81-Си
В табл. 5 представлены данные об анизотропии механических свойств, характеристик статической (Ку) и циклической (СРТУ) тре-щиностойкости листов из сплава АД37 в исходном состоянии и четырех вариантов химического состава, изученных в процессе выбора оптимальных механических, ресурс-
ных и коррозионных характеристик [18]. Испытания проводили только на образцах продольного и поперечного направлений.
Все варианты сплава АД37 имели относительно малые значения степени анизотропии
механических свойств и КС : А„ = 0,99-1,01,
с °в
А„ = 0,93-1,01, = 0,98-1,02, А у = 0,94-
0,2
К
1,0. Что касается СРТУ, то во всем диапазоне изменения АК значения Асрту изменялись мало: от 0,84 до 1,05 при АК = 10 МПа^м и от
0,93 до 1,32 при АК = 30 МПа^м. Однако все же наблюдается тенденция к увеличению /4срту по мере возрастания АК.
Обсуждение результатов
Анизотропия механических свойств металлических материалов обусловлена анизотропией их структуры [8, 19]. Исходя из направленности элементов структуры, ответственных за анизотропию свойств, исследованные сплавы условно разделили на две группы. Кпервой из них отнесли сплавы с рекристаллизованной структурой систем А1-Си-Мд (Д16 и его типа), А!-7п-Мд-Си (В95 и его типа), А1-Мп (1201), А!-Мд-Б1-Си (АД37) и нерекристаллизованной структурой системы А!-Мд-Бс (01570). Вторую группу представили сплавом 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой с толщиной листа 1,6, 3,7 и 7,8 мм, атакже полигонизирован-
Таблица 5
Анизотропия механических свойств и характеристик трещиностойкости листов из сплавов системы А!—Мд—51—Си
Степень анизотропии, ф = 90°
Характеристика сплава А°в А„ а0,2 ¿8 А* ¿срту при различных АК, МП^«/м
10 15 20 25 30
АД37, исходное состояние 0,99 0,93 0,98 0,94 0,94 1,07 0,83 1,03 1,08
АД37,вариант 1 1,00 0,97 1,01 0,98 0,95 0,94 0,86 0,95 1,04
АД37,вариант 2 0,99 1,01 0,93 1,00 1,05 1,37 1,08 0,86 0,93
АД37, вариант 3 1,00 0,98 1,02 0,94 0,93 0,91 1,13 0,95 1,32
АД37, вариант 4 0,99 0,97 1,00 0,98 0,84 0,67 0,78 0,91 1,25
"Испытания проведены на образцах шириной 400 мм.
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
ной частично рекристаллизованной структурой системы Д!-Мд-И-8с-7г. Холоднокатаные листы толщиной 1,6 и 3,7 мм имели явно выраженные места локализованной деформации (полосы сдвига), изученные в [20] и отличающиеся интенсивностью, углом наклона к плоскости прокатки, изогнутостью и другими морфологическими признаками. На горячекатаных листах толщиной 7,8 мм и листах из сплава 1424Т1 с частично рекристаллизованной структурой полосы сдвига не обнаружены.
Для того, чтобы наглядно оттенить некоторые связи между степенями анизотропии
свойств при различных видах испытаний, данные табл. 1-3 и 5 свели в одну табл. 6. Здесь степень анизотропии определена как отношение результата в поперечном к продольному направлению. Условно присвоено обозначение степени анизотропии (слабая, средняя, сильная) с учетом различия в рассеянии, которое характерно для различных свойств. В большинстве случаев степень анизотропии представлена интервалом между минимальным и максимальным значениями для нескольких сплавов (в системах Д!-Си-Мд, Д!-7п-Мд-Си) или нескольких
-Ф
Таблица 6 Обобщённые данные о степени анизотропии механических свойств и характеристик трещиностойкости листов из сплавов систем А1-Си-Мд, А!-Еп-Мд-Си, Л!-Мп, А!-Мд-Бс и А!-Мд-Б1-Си
Система сплава Толщина листа, мм Степень и характеристика анизотропии
^0,2 ¿8 \у <4) л "срту
ДК = 10 МПаТм ДК = 30 МПаУм
Д!-Си-Мд 1,2-2,8 Средняя 0,94-0,99 Сильная 0,87-0,95 Слабая 1,00-1,07 Средняя 0,93-0,99 - Средняя 1,04-1,85
Д!-2п-Мд-Си 1,9-2,5 Средняя 0,95-0,98 Слабая 0,99-1,00 Средняя 0,85-0,97 Сильная 0,79-0,92 - Сильная 1,43-2,60
Д!-Мп 2,0 Средняя 0,95 Средняя 0,96 Слабая 0,97 Сильная 0,85 - Сильная 2,20
Д!-Мд-Бс 1,6 4,0 7,0 Слабая 0,98-1,04 Слабая 0,97-0,98 Слабая 0,95-1,00 Средняя 1,00-1,06 0,98-1,01 Слабая 0,95-1,00 Сильная 1,36-2,04 Сильная 1,52-1,68 Сильная 1,39-1,67 Средняя 1,01-1,09 Слабая 0,96-0,99 Слабая 0,67-1,07 Слабая 0,89-1,24 Отсутствует 0,77-1,14 Слабая 1,03-1,47 Средняя 1,33-1,62
Д!-Мд-Б1-Си 1,6 Отсутствует 0,99-1,00 Слабая 0,93-1,01 Отсутствует 0,931,01 Слабая 0,94-1,00 Отсутствует 0,93-1,05 Слабая 0,93-1,32
Д!-Мд-и-Бс-2п *Нерекристал **Полигонизо 1,6* 3,7* 7,8* 4,6** лизованн ванная ча Средняя 1,01-1,06 Средняя 1.03 Средняя 1.04 Средняя 1,04 ая структура. стично рекри Средняя 0,96-0,97 Сильная 0,91 Сильная 0,92 Средняя 1,07 сталлизова Сильная 2,19-3,08 Сильная 2,44 Сильная 1,93 Сильная 1,31 нная структ Отсутствует 1,00-1,02 ура. Слабая 0,80-0,91 Слабая 0,77 Слабая 0,82 Отсутствует 1,00 Отсутствует ~ 1,0 Отсутствует 1,08 Сильная 1,66 Отсутствует 1,00
Ф-
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
вариантов химического состава (в системах А!-Мд-Бс, А!-Мд-Б1-Си).
Вначале рассмотрим данные по анизотропии в листах первой группы сплавов.
Из табл. 6 видна связь между степенями анизотропии прочностных свойств (СТБ, СТ02),
статической трещиностойкости (Ку и Кс) и
скоростью роста усталостной трещины V —
V ёЫ
при больших значениях амплитуды коэффициента интенсивности напряжений. Прямой анизотропии (А < 1) прочностных свойств (ств и СТ02) соответствует прямая анизотропия
КС или Кс и обратная анизотропия СРТУ при
АК = 30 МПаУм. Эта связь особенно заметна для листов из сплавов типа Д16, В95 и сплава 1201. Чем меньше А_ и А , тем ниже А у и
° кс
больше СРТУ. Для листов из сплавов систем А!-Мд-Бс и А!-Мд-Б1-Си отмеченная зависимость выражена в меньшей мере, но она также присутствует. Характерно, что для тонких (1,6 мм) листов из сплава системы А!-Мд-Бс, где значения А„ и А„ близки или больше 1,
пв °0,2
А у также больше единицы (обратная анизо-
Кс
тропия), и отсутствует анизотропия СРТУ. С увеличением толщины листа до 4,0 мм наблюдается тенденция к выравниванию значений ств, СТ0 2, КС между продольным и поперечным направлениями и появлению слабой обратной анизотропии СРТУ.
Наличие связи между А„ , А„ , А у и А
™ °в ' °0,2 ' КС
срту
может быть использовано в процессе исследования сплавов для оценки К^ и СРТУ при сокращенном объеме испытаний.
Следует отметить, что при испытании на СРТУ и КС образцы как продольного, так и поперечного направлений, разрушались в сечении, совпадающем с направлением надреза, т. е. их разрушение прогнозируемо. Наряду с относительно высокими статическими и ресурсными характеристиками указанные факты (малая степень анизотропии и прогнози-
руемость разрушения) обусловили широкое применение лучших вариантов сплавов первой группы в ответственных элементах авиационных конструкций.
В листах из алюминиево-литиевого сплава 1424Т1 зависимости (при сравнении образцов продольной и поперечной ориента-ций) между степенями анизотропии статических и конструктивных свойств не выявлено (см. табл.6). Причина анизотропии здесь иная, чем в листах из традиционных сплавов. Она связана с наличием мест локализации деформаций (полос сдвига), сформировавшихся в процессе изготовления (холоднокатаные листы толщиной 1,6 и 3,7 мм с нерекрис-таллизованной структурой) или испытания (листы 7,8 мм с частично рекристаллизован-ной и нерекристаллизованной структурой), а также ослабленностью границ зерен. Это подтвердил характер разрушения образцов. Их изломы выявляли участки, где наиболее неблагоприятно сочетались условия нагру-жения и структурные особенности сплава. Так, при испытании на растяжение тонких (1,6 мм) образцов угловых ориентаций (ф = 45 и 60°) наблюдался поворот сечения в направлении полос сдвига, а при испытании образцов толщиной 7,8 мм зафиксированы случаи разрушения в плоскости прокатки (вдоль границ зерен). О негативном влиянии полос сдвига на свойства листов из сплава 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой указывает также различие в степени анизотропии относительного удлинения образцов толщиной 1,6 и 3,7 мм, а также образцов из листов, изготовленных по технологическим схемам 1 и 2 (см. табл. 2).
Характерные особенности, связанные с наличием полос сдвига и ослабленных границ зерен наблюдали при определении скорости роста усталостных трещин. Вид усталостного излома, отражающий характер взаимодействия поля напряжений от приложенной нагрузки со структурными неоднородностями сплава, на образцах разных ориентаций был различен. Усталостная трещина, встречая на пути своего продвижения деформационные неоднородности, либо разрушала, либо огибала их, формируя сложный вид излома с фрагментами в виде гребней, впадин, рас-
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
слоений. Факт наличия расслоений, как и при испытании на растяжение, связан с ослаб-ленностью границ зерен в сплаве 1424Т1 по сравнению с традиционными сплавами, поскольку у последних их нет. Расслоения более резко выражены на более толстых (7,8 мм) образцах. Они возникали под действием нормальных напряжений, возрастающих с увеличением толщины листа.
Рельеф излома особо сильно зависел от ориентации образца на участке, прилегающем к надрезу. На образцах продольного и поперечного направлений по сравнению с образцами угловых ориентаций он более сложен. Это указывает на меньшую энергоемкость разрушения и большую скорость развития трещин на образцах угловых ориентаций при низких значениях ДК, реализуемых вблизи надреза. По мере удаления от него, т. е. при более высоких ДК, характер разрушения разноориенти-рованных образцов становился более похожим. Именно этим можно объяснить вид графиков изменения степени анизотропии СРТУ от ф, приведенных на рис. 2.
Полосы сдвига оказали существенное влияние на статическую трещиностой-
(втом числе, сильно выраженной степени анизотропии статических и конструктивных свойств) сплава 1424Т1 с нерекристаллизо-ванной структурой было принято решение о разработке листов из сплава этой же марки с частично рекристаллизованной структурой и сравнении полученных экспериментальных данных с аналогичными данными для сплава системы А1-Си-Мд [14].
Из табл. 2 видно,что степень анизотропии механических свойств (в особенности относительного удлинения), характеристик ста-
тической (КС
и циклической
трещино-
стойкости нового сплава существенно уменьшилась. Характерный момент - практически одинаковая скорость роста усталостных трещин на образцах продольного (Д-П) и поперечного (П-Д) направлений, а также большая
ёа/ёА', мм/цикл
10;
-1
1098
кость листов, снижая значе-
ния
К
в
продольном направлении и увеличивая степень анизотропии, особенно на широких образцах (В 1 400 мм), наиболее показательных при сравнении ресурсных характеристик различных сплавов.
Из табл. 2 видно, что наиболее резкое ухудшение свойств (снижение ств и сто,2 и увеличение СРТУ при низких значениях ДК) в листах из сплава 1424Т1 с нерекрис-таллизованной структурой получено в угловых (45, 60°) направлениях.
Исходя из анализа преимуществ и недостатков
10
10
-4
V
/
(у
к V
Г
I 4 1 Г 1
-л н м № г
г5 Ц 1 ш №
п
.4 А* < <
к 9 * 1
7 9 ' 11 13 15 17 19 22 26 30 3 4 38 42 46 50 54 ДК, МПа^м
Сплав 1424Т1 Относительно гладкий участок, преимущественно перпендикулярный поверхности образца Участок со сложным характером разрушения с многочисленными разноориентированными поверхностями Участок разрушения срезом Отклонение трещины от магистрального направления
Сплав 2024Т351 То же Разрушение срезом
Рис. 3. Диаграммы циклической трещиностойкости листов из сплава 1424Т1 с полигонизованной частично рекристаллизованной структурой и2024Т351 и их связь с характером разрушения:
• , О - сплав 2024Т351; ▲, А - сплав 1424Т1; направление П-Д, ^ = 8,0 Гц, Я = 0,1
2
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
величина КС в направлении Д-П по сравнению с направлением П-Д. При этом значения СРТУ нового сплава стали заметно меньшими, а КС более высокими.
В новом сплаве не выявлены места локализации деформаций. Тем не менее, изломы образцов по-прежнему оставались контрастными с наличием многочисленных фрагментов разрушения, специфичных для листов с полосами сдвига. Сделано предположение, что полосы сдвига в листах из сплава 1424Т1 с частично рекристаллизованной структурой могли формироваться в зоне пластической деформации, возникающей в вершине трещины в процессе испытаний.
На рис. 3 приведены диаграммы циклической трещиностойкости листов из сплава 1424Т1 с полигонизованной частично рек-ристаллизованной структурой и для сравнения листов из сплава система Д!-Мд-Си. Видно значительное замедление СРТУ на участке со сложным разноориентерованным характером разрушения. Отмечен также участок с отклонением усталостной трещины от магистрального направления. В широком диапазоне изменения ДК (с - 16 МПал/м до разрушения) алюминиево-литиевый сплав имеет преимущество.
Таким образом, листы из алюминиево-ли-тиевого сплава 1424Т1 имеют свои специфические особенности структуры, оказывающие существенное влияние на характер разрушения и анизотропию статических и ресурсных характеристик, особенно для угловых направлений.
Выводы
1. Систематизированы и обобщены данные о степенях анизотропии механических свойств (ств, Ст0,2, 8), статической трещиностойкости (КС) и скорости роста усталостных трещин (СРТУ) в листах из серийных и опытных алюминиевых сплавов нескольких систем легирования: Д!-Си-Мд, Д!-7п-Мд-Си, Д!-Мп, Д!-Мд-Ы-8с-7г, Д!-Мд-8с, Д!-Мд-81-Си. Степень анизотропии (А) определена как отношение значения характеристики в попе-
речном или угловом направлении к значению в продольном направлении.
2. В серийных листах из сплавов типа Д16Т (система Д!-Си-Мд) имеет место прямая анизотропия (А < 1) для ств, в большей мере для ст0,2, КС, и обратная анизотропия (А > 1) для 8.
В серийных листах из сплавов типа В95Т2 (система Д!-7п-Мд-Си) и сплава 1201Т1 (система Д!-Мп) все четыре характеристики
(ств, СТ0 2, Ку, 8) в поперечном направлении по
сравнению с продольным ниже. Из их сопоставления с данными предыдущей группы сплавов можно констатировать существенное
изменение анизотропии для КСу .
В семи вариантах химического состава тонких (1,6 мм) листов из сплава типа 01570 системы Д!-Мд-8с наблюдается преимущественно обратная анизотропия для ств, Ст0,2, КС и особенно 8. С повышением толщины листа до 4,0 и 7,0 мм отмечена тенденция к сближению значений ств, Ст0,2 и КС на образцах поперечной и продольной ориентаций. При этом анизотропия 8 по-прежнему остается обратной и большой по величине (1,39-1,76).
В листах из сплава АД37 (система Д!-Мд-81-Си) исходного состояния и четырех вариантах варьирования его химического состава степень анизотропии для ств, Ст0,2, КС , 8 изменяется в интервале 0,93-1,02 в основном со значениями,близкими к единице.
3. Алюминиево-литиевый сплав 1424Т1 с нерекристаллизованной структурой имеет резко выраженную степень анизотропии механических свойств (особенно 8) и СРТУ в угловых (45 и 60°) направлениях, обусловленную наличием полос сдвига, формирующихся в процессе прокатки листов. Анизотропия в этом же сплаве с полигонизованной частично рекристаллизованной структурой существенно меньше.
4. Для большинства исследованных сплавов (кроме алюминиево-литиевого сплава 1424Т1) отмечена преимущественно повторяющаяся зависимость между степенью анизотропии механических свойств (ств, СТ02) и ресурсных
характеристик (КС, СРТУ). Если в поперечном направлении прочностные свойства меньше,
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
чем в продольном, то при этом также ниже жений (ДК = 30 МП^Тм). Отмеченный факт
значения КСу и выше скорость роста усталостных трещин при больших значениях амплитуды коэффициента интенсивности напря-
может быть использован в процессе исследования сплавов для оценки КС и СРТУ при сокращенном объеме испытаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Телешов В.В., Кудряшов В.Г. Структура и анизотропия вязкости разрушения алюминиевых сплавов // Физико-химическая механика материалов. 1976. № 6. С. 7-12.
2. Телешов В.В., Нешпор Г.С., Армягов А.А., Петров А.Д., Попов Б.Е. Влияние структуры на анизотропию вязкости разрушения тонких плит из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1987. Вып. 12. С. 21-26.
3. Телешов В.В., Головлева А.П. Анизотропия механических свойств плит из сплава 1973Т2 в разных зонах по толщине // Технология легких сплавов. 1989. Вып. 1. С. 17-21.
4. Швечков Е.И., Ростова Т.Д., Захаров В.В. Исследование анизотропии механических свойств листов сплава 1424 // Цветные металлы. 2000. № 4. С.121-126.
5. Швечков Е.И., Ростова Т.Д., Захаров В.В. Механические свойства листов из сплава 1424 на основе системы Д!-Мд-Ы-8с-2г // Технология легких сплавов. 1999. № 3. С. 13-19.
6. Телешов В.В, Нешпор Г.С., Армягов А.А. Влияние структуры на анизотропию вязкости разрушения листов из сплавов типа Д16 и В95 // Физико-химическая механика материалов. 1984. № 5. С. 40-45.
7. Захаров В.В., Ростова Т.Д. К вопросу об анизотропии листов из алюминиевых сплавов, легированных скандием // Технология легких сплавов. 1993. № 4. С. 15-23.
8. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разрушения. - М.: Металлургия, 1979. -279 с.
9. ОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. - М.: Изд-во стандартов, 1984. -35 с.
10. ГОСТ 1 90356-84. Металлы. Метод определения статической трещиностойкости (вязкости разрушения) обшивочных материалов при плосконапряженном состоянии. - М.: ВИЛС, 1984. -32 с.
11. ОСТ 1 92127-90. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной амплитудой нагрузки. - М.: ВИЛС, 1980. -66 с.
12. Жуков В.Д., Нешпор Г.С., Кудрявцева Г.Д.
Влияние упрочняющей обработки на характеристики конструктивной прочности листов из сплава 1201 // Технология легких сплавов. 1987. № 2. С. 13-18.
13. Елагин В.И., Ростова Т.Д., Захаров В.В. Получение листов с регламентированной структурой из алюминиево-литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1997. № 1. С. 44-47.
14. Фридляндер И.Н., Хохлатова Л.Б., Колоб-нев Н.И., Рендикс К., Темпус Г. Развитие термически стабильного алюминиево-литиевого сплава 1424 для применения в сварном фюзеляже // Цветные сплавы. 2002. № 1. С. 3-7.
15. Елагин В.И., Швечков Е.И., Филатов Ю.А., Захаров В.В. Трещиностойкость листов из сплавов Д!-Мд-8с // Технология легких сплавов. 2005. № 1-4. С. 40-44.
16. Швечков Е.И. Особенности диаграмм циклической трещиностойкости листов из сплава 1424Т1 и их связь с характером разрушения // Технология легких сплавов. 2002. № 2. С. 14-20.
17. Филатов Ю.А. Алюминиевые сплавы системы Д!-Мд-8с для космической техники // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 61-65.
18. Давыдов В.Г., Синявский В.С., Бер Л.Б., Вальков В.Д., Швечков Е.И. Разработка способов устранения межкристаллитной коррозии и улучшения комплекса свойств листов из сплава АД37 // В кн.: Металловедение и технология легких сплавов. - М.: ВИЛС, 2001. С. 89-103.
19. Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1981. -280 с.
20. Захаров В.В., Ростова Т.Д. Роль полос сдвига в листах из алюминиево-литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1996. № 5. С. 35-39.
