CC BY
7
-Ф-
_ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В. С. Синявский
УДК 621.357.77
ДЕГРАДАЦИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1-Си-Мд ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНЫХ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ В МОРСКИХ СУБТРОПИКАХ
В.В. Семенычев, канд. техн. наук (Ульяновский научно-технологический центр Всероссийского института авиационных материалов, г. Ульяновск, e-mail: [email protected])
В условиях теплого влажного климата побережья г. Батуми проведены длительные испытания плакированных листов из сплава Д16ч в состояниях Т и Т1, а также образцов, вырезанных из поковки в состоянии Т. Исследована коррозионная стойкость плакированных (Т2) и неплакированных (Т1 и Т2) листов и профилей (Т1 и Т2) из сплава АК4-1, а также плакированных листов из сплава Д19Т. Определен характер коррозионных поражений образцов в зависимости от вида полуфабриката, режимов старения и наличия плакирующего слоя. Исследована кинетика изменения механических характеристик образцов после коррозионных испытаний длительностью до десяти лет, дана оценка снижения усталостной долговечности образцов после различной длительности экспозиции в морских субтропиках. Наибольшим коррозионным поражениям подвержены образцы из поковок, на которых отмечена расслаивающая коррозия интенсивностью до 8 балла. Показано, что плакировка надежно защищает листы из испытанных сплавов от коррозии, глубина питтингов не превышает толщину плакирующего слоя.
Ключевые слова: морской климат, длительные коррозионные испытания, характер коррозионных поражений, механические характеристики, усталость, плакировка.
Degradation of Strength and Fatigue Characteristics of Al-Cu-Mg Alloys After Long-Term Corrosion Tests in Marine Subtropics. V.V. Semenychev.
Long-term tests of D16ch alloy clad sheets (T & T1 temper) and samples cut from a forging (T temper) were conducted in warm humid Batumi's coastal climate. Corrosion resistance of the AK4-1 alloy clad (T2) and unclad (T1 & T2) sheets and profiles (T1 & T2) and D19T alloy clad sheets was investigated. Character of corrosion damage in the samples was identified depending on the type of the semi-finished products, modes of ageing and availability of a cladding layer. Kinetics of changes in mechanical characteristics of the samples after corrosion tests for up to ten years was investigated. Assessment of a reduction in fatigue life of the samples after different durations of exposure in the marine subtropical climate was described. It was found that the most susceptible to corrosion damage are the forging samples which have exfoliation corrosion intensity up to 8 points. It is shown that cladding protects the sheets of the tested alloys against corrosion; pitting depth does not exceed the cladding layer thickness.
Key words: marine climate, long-term corrosion tests, character of corrosion damages, mechanical characteristics, fatigue, cladding.
-Ф-
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Введение
В стратегические направления развития материалов и технологий включено и такое направление, как «Климатические испытания для обеспечения безопасности и защиты от коррозии старения и биоповреждений материалов, конструкций сложных технических систем в природных средах» [1, 2]. Такое положение основывается на том, что без длительных натурных испытаний невозможно установить коэффициенты корреляции с теми процессами, которые происходят в реальных условиях [3].
Алюминиевые сплавы и в настоящее время являются наиболее «летающими» [4], они остаются базовыми конструкционными материалами современной и перспективной авиационной техники благодаря легкости, удачному комплексу необходимых эксплуатационных характеристик, хорошей технологичности и освоенности в металлургическом и авиационном производствах [5, 6]. Несмотря на большие перспективы по применению в планере самолетов полимерных композиционных материалов, доля металлических материалов остается на уровне 60 % [7].
Все материалы на стадии разработки подвергаются стандартным или вновь предложенным ускоренным методам оценки их склонности к тем или иным видам коррозии [8-10]. При этом, как правило, исследуют влияние среды на механические или усталостные характеристики алюминиевых сплавов [11-13], а так же исследуют влияние структуры, режимов старения и неоднородности полуфабриката по толщине на их коррозионную стойкость [14-16].
Но , тем не менее , самые надежные и до -стоверные сведения о коррозионной стойкости материала могут быть получены только при его длительных испытаниях в естественных условиях, которые должны быть не менее жесткими, чем условия, в которых эксплуатируется материал [17, 18].
Исследования коррозионной стойкости образцов полуфабрикатов из алюминиевых сплавов различных систем позволяют правильно назначить режимы старения [19, 20], обосновать необходимость применения плакировки
на листах [21, 22] и применять нетрадиционные легирующие элементы [23].
Исходя из этого, образцы алюминиевых сплавов Д16ч, АК4-1 и Д19 (система А1-Си-Мд) были выставлены на длительные испытания в условиях теплого влажного климата (район г. Батуми). Химический состав сплавов стандартный.
Целью проведенных исследований являлась оценка влияния коррозионных поражений на деградацию механических и усталостных свойств, оценка влияния наличия плакировки, режимов термообработки и видов полуфабрикатов на коррозионную стойкость образцов при многолетних климатических испытаниях.
Методика эксперимента
Экспозицию образцов проводили на открытых стендах, отстоящих от моря на 150 м, ориентированных на юг, угол наклона образцов к горизонту составлял 45°. Общий срок коррозионных испытаний 10 лет (для профилей АК4-1 5 лет) с промежуточными съемами.
Каждый срок экспозиции предусматривал съем 5 образцов, на которых визуально оценивали интенсивность и характер коррозионных поражений. Далее из них изготавливали образцы для определения остаточных механических свойств (ГОСТ 1497-73), после чего на поперечных шлифах с помощью металлографического микроскопа «Неофот-2» оценивали глубину и уточняли характер коррозионных поражений. Исходные и остаточные механические характеристики образцов определяли при скорости перемещения активного захвата 10 мм/мин с помощью разрывной машины ЦД-10, при этом определяли относительное удлинение (8, %) и временное сопротивление (ств, МПа). Усталостные характеристики оценивали путем испытания плоских образцов на установке йУЦ за критерий долговечности принимали число циклов до разрушения. В табл. 1 указаны виды полуфабрикатов и режимы старения образцов.
Коррозионную стойкость листов определяли на образцах в виде карточек размером 100 х 50 х 2 мм, вырезанных в продольном направлении. Образцы поковок и профилей представляли собой карточки размером
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Таблица 1
Материалы, использованные в работе
Сплав, режим старения Полуфабрикат
Д16чТ Лист плакированный
Д16чТ1 Лист плакированный
Д16чТ Поковка
АК4-1Т2 Лист плакированный
АК4-1Т2 Лист неплакированный
АК4-1Т1 Лист неплакированный
АК4-1Т1 Профиль
АК4-1Т2 Профиль
Д19Т Лист плакированный
100 х 50 х 3 мм, вырезанные в том же направлении.
Коррозионные потери образцов прошедших испытания определяли путем взвешивания образцов на аналитических весах ВЛА-200 с точностью до четвертого знака после запятой, продукты коррозии с образцов удаляли согласно ГОСТ 9.907-83.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Сплавы системы А1-Си-Мд (дуралюмины) представляют собой наиболее важную по
своему значению группу сплавов, нашедших наиболее широкое применение в различных отраслях машиностроения и, особенно, в авиации [24, 25].
Коррозионную стойкость сплава Д16ч в условиях морского климата определяли на образцах двух видов полуфабрикатов: плакированных листах толщиной 2 мм в состоянии Т и Т1 (искусственное и естественное старение) и поковках в естественно состаренном состоянии (Т). Испытания проводили в условиях открытой атмосферной площадки.
Десятилетняя экспозиция образцов плакированных листов в условиях атмосферной площадки позволила установить, что коррозионные поражения образцов носят питтинговый характер, максимальная глубина которых составляет 0,07-0,08 мм как для образцов в состоянии Т, так и для образцов в состоянии Т1. Важнейшим результатом этих испытаний является отсутствие на испытанных образцах расслаивающей и межкристаллитной коррозии, то есть десятилетние коррозионные испытания позволяют сделать вывод о том, что плакировка надежно защищает сплав Д16ч от этих видов коррозии независимо от режима старения (Т или Т1). Случаев сквозного поражения плакирующего слоя также не отмечено. В табл. 2 показаны характерные коррозион-
Таблица 2 Характер коррозионных поражений плакированных листов из сплава Д16ч после 10 лет экспозиции в морском климате
Режим старения Глубина коррозионных поражений, мм Характер коррозионных поражений, х 100
Т 0,07-0,08
Т1 0,07-0,08 111111
"Ф
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
ств, МПа 500
400
5, % 40
30
20
10
Годы
Рис. 1. Изменение предела прочности и относительного удлинения образцов плакированных листов из сплавов Д16чТ (о) иД16чТ1 (*)
ные поражения образцов сплава Д16ч после коррозионных испытаний в течение 10 лет.
Изменение механических характеристик образцов плакированных листов из сплава Д16ч оценивали путем сравнения исходных характеристик с аналогичными характеристиками, полученными после пяти и десяти лет коррозионных испытаний. На рис. 1 показано изменение предела прочности ств и относительного удлинения 5 этих образцов.
Анализируя ход полученных кривых, следует отметить параллельность графиков изменения прочности для листов с разными режимами старения, а также линий изменения относительного удлинения образцов в естественно и искусственно состаренном состояниях. Объяснение параллельности графиков заключается в том, что изменения прочностных и пластических характеристик происходит только за счет коррозионных поражений плакировки, а она представляет собой чистый алюминий.
Снижения предела прочности через 5 лет коррозионных испытаний практически не происходит, оно наблюдается лишь после десяти лет экспозиции и составляет порядка 10 % от исходных значений для образцов с различными режимами старения. Относительное удлинение образцов, прошедших десятилетние коррозионные испытания снижается на 15 %, более высокие значения относительного удлинения естественно состаренных образцов после 10 лет экспозиции определяются лишь их большими исходными значениями.
Известно, что наиболее чувствительной характеристикой к наличию на материале коррозионных поражений является усталостная прочность [26]. Долговечность образцов из сплава Д16ч определяли при ст = 160 МПа по схеме нагружения «чистый изгиб» на усталостной машине йУЦ за критерий долговечности принимали число циклов до разрушения образца.
На рис. 2 показаны диаграммы долговечности исходных образцов и образцов, прошедших коррозионные испытания в течение 5 и 10 лет.
Из диаграммы следует, что 5 лет коррозионных испытаний не привели к снижению долговечности образцов как Д16чТ, так и Д 16чТ1. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что коррозионные поражения плакирующего слоя после пятилетней экспозиции имеют вид пятен, а сами коррозионные поражения равномерно распределены по поверхности образцов. После десятилетней экспозиции коррозионные поражения имеют характер питтингов, которые являясь концентраторами напряжений, оказывают значительное влияние на усталостную долговечность образцов.
Образцы, вырезанные из поковки сплава Д16чТ, после 10 лет коррозионных испытаний на лицевой стороне имеют толстый слой продуктов коррозии, а на оборотной стороне отмечена расслаивающая коррозия интенсивностью до 8 балла. Из рис. 3 следует, что потери массы в первые 5 лет испытаний зна -чительно ниже, чем в последующие 5 лет, что связано с интенсификацией расслаивающей коррозии в этот период испытаний.
10'
106
И 105
104
Исходные 10 лет Исходные
5 лет 5 лет 10 лет ||
Т1
Т
Рис. 2. Усталостная долговечность образцов плакированнх листов из сплава Д 16ч
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
10 Годы
Рис. 3. Потери массы образцов, вырезанных из поковки сплава Д16чТ
10'
106
§ Ю5
я и
* 104 103
Рис. 4. Усталостная долговечность образцов поковок из сплава Д16чТ
Усталостные испытания, проведенные при сттах = 160 МПа, показали, что значительное снижение долговечности произошло через 2,5 года коррозионных испытаний, результаты этих испытаний представлены на рис. 4.
Проведенные металлографические исследования позволили установить, что наряду с расслаивающей коррозией причиной резкого снижения усталостной долговечности после 2,5 лет коррозионных испытаний является и межкристаллитная коррозия.
Сплав АК4-1 экспонировали в условияхоткрытой атмосферной площадки в виде образцов плакированных (Т2) и неплакированных (Т1 и Т2) листов. После десятилетней экспозиции на лицевой поверхности плакированных листов наблюдали неравномерную коррозию в виде пятен, на неплакированных листах по всей поверхности отмечен плотный налет продуктов коррозии. В табл. 3 показаны характерные коррозионные поражения образцов сплава АК4-1, прошедших коррозионные испытания в течение 10 лет.
Из табл. 3 видно, что коррозионные поражения образцов плакированныхлистов носят питтинговый характер, а неплакированных -межкристаллитный.
На рис. 5 показано изменение предела прочности и относительного удлинения плакированных и неплакированных листов из сплава АК4-1. Здесь видно, что плакированные листы и по остаточной прочности, и по остаточному относительному удлинению имеют преимущество перед неплакированными листами. Так, если исходная прочность плакиро-
Таблица 3 Глубина и характер коррозионных поражений образцов плакированных и неплакированных листов из сплава АК4-1Т2
Вид полуфабриката Глубина коррозионных поражений , мм Характер коррозионных поражений, *200
Лист плакированный 0,07
Лист неплакированный 0,16
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
ванных образцов АК4-1Т2 была ниже, чем не-плакированных, то остаточная прочность через 5 лет и тем более через 10 лет экспозиции становится выше, чем у неплакированных. Падение прочности через 10 лет коррозионных испытаний неплакированных образцов составляет 20-22 %, плакированных 10-11 %.
Коррозионные испытания образцов, вырезанных из профилей сплава АК4-1 в состоянии Т1 и Т2 проводили в условиях атмосферной площадки в течение 5 лет. На рис. 6 показано изменение потери массы этих образцов в зависимости от времени экспозиции.
Приведенные на рис. 6 результаты свидетельствуют о том, что образцы профилей, состаренные по режиму Т2, показали меньшие коррозионные потери по сравнению с образцами, состаренными по режиму Т1, то есть коррозионная стойкость образцов, состаренных по режиму Т2, несколько выше. Характер коррозионных поражений образцов профилей (Т1 и Т2) одинаков, поражения представляют собой сочетание мелких и достаточно крупных питтингов. Одинаковое получилось и
ств, МПа 460
430 400 370
340
5, % 16
5 a
10 Годы
14 12 10 8 6 4 2
0 1
5 a
8 9 10 Годы
Рис. 5. Изменение предела прочности (а) и относительного удлинения (б) образцов плакированных и неплакированных листов из сплава АК4-1 в зависимости от времени экспозиции:
о - плакированные, Т2; • - неплакированные, Т2; х -неплакированные, Т1
снижение усталостной долговечности образцов в состояниях Т1 и Т2, испытанных при сттах = 130 МПа (рис. 7).
Снижение усталостной долговечности на 3 порядка за первые 2,5 г коррозионных испытаний связано с образованием значительных локальных коррозионных поражений, которые являются интенсивными концентраторами напряжения. Дальнейшее увеличение срока экспозиции образцов не привело к изменению характера коррозионных поражений, увеличилось лишь количество питтингов, что не привело к дальнейшему снижению числа циклов до разрушения. Режимы старения Т1 и Т2 на исходные и остаточные значения усталостной долговечности влияния не оказали.
Плакированные листы из сплава Д19Т экспонировали в условиях открытой атмосферной площадки в течение 10 лет с промежуточными съемами после 2,5 и 5 лет. И лицевая, и оборотная стороны образцов через 10 лет испыта-
Годы
Рис. 6. Потери массы образцов профилей из сплава АК4-1 в состоянии Т1 (*) и Т2 (о)
107
106
U 105
я и
^ 104
103
о о
К ч о К ч о
и о S и о S
а д а д 5 лет а д а д 5 лет
к ,5 к ,5 к ,5 к ,5
2, 3, 2, 3,
Т1
Т2
Рис. 7. Усталостная долговечность образцов профиля из сплава АК4-1 (Т1 и Т2), прошедших экспозицию в условиях морских субтропиков
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
ств, МПа 500
400
300
\
7
5, % 20
19 18 17 16 15
0 1
8 9 10 Годы
Рис. 8. Изменение предела прочности (о) и относительного удлинения (*) образцов плакированных листов из сплава Д19Т
ний полностью покрылись продуктами коррозии. Металлографические исследования показали, что коррозионные поражения носят питтинговый характер, глубина питтингов не превышает толщину плакирующего слоя.
На рис. 8 показано изменение предела прочности и относительного удлинения образцов плакированных листов сплава Д19Т после различной длительности коррозионных испытаний .
Снижение предела прочности образцов после 1 0 лет коррозионных испытаний со -ставило 4-5 %, а относительного удлинения 15-17 %. что свидетельствует о высокой чувствительности этой характеристики пластич-
ности к коррозионным поражениям. Небольшое снижение прочности после длительной экспозиции образцов в морском субтропическом климате обеспечено плакировкой, которая надежно защищает сплав от коррозии.
Выводы
Плакировка надежно защищает все испытанные листы из сплавов Д16ч (Т и Т1), АК4-1Т2 и Д19Т от коррозии, через 10 лет экспозиции образцов в морском субтропическом климате глубина питтингов в плакирующим слое не превысила его толщину. Прочность плакированных листов после 5 лет коррозионных испытаний сохраняется практически на исходном уровне и лишь через 10 лет экспозиции проявляется тенденция снижения прочности. Прочность неплакированных листов заметно снижается уже через 5 лет коррозионных испытаний, а через 10 лет падение прочности достигает 22 %.
Деградация усталостной долговечности образцов из поковки Д16чТ и профиля АК4-1 (Т1, Т2) заметна уже через 2,5 г коррозионных испытаний, когда число циклов до разрушения образцов падает на 2,5-3 порядка, что нельзя сказать о плакированных листах из сплава Д16ч (Т, Т1), где снижение усталостной долговечности на порядок происходит только через 10 лет экспозиции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С. 7-17.
2. История авиационного материаловедения. ВИАМ -80 лет: годы и люди / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. -М.: ВИАМ, 2012. С. 505-510.
3. Каблов Е.Н. Коррозия или жизнь // Наука и жизнь. 2012. № 11. С. 16-21.
4. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С.157-166.
5. История авиационного материаловедения: ВИАМ -75 лет поиска, творчества, открытий / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. - М.: Наука, 2007. С. 77-86.
6. Каблов Е.Н. К 80-летию ВИАМа // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 5. С. 79-82.
7. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С. 167-182.
8. Синявский В.С., Калинин В.Д., Александрова Т.В. Новый метод ускоренных коррозионных испытаний алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 2. С. 89-93.
9. Каримова С.А., Жиликов В.П., Михайлов А.А., Чесноков Д.В., Игонин Т.Н., Карпов В.А. Натурно-ускоренные испытания алюминиевых сплавов в условиях воздействия морской атмосферы // Коррозия: материалы, защита. 2012. № 10. С. 1-3.
10. Жиликов В.П., Каримова С.А., Лешко С.С., Чесноков Д.В. Исследование динамики коррозии алюминиевых сплавов при испытании в камере солевого тумана (КСТ) // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 4. С. 18-22.
11. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Антипов В.В., Каримова С.А., Рудаков А.Г., Оглодков М.С.
"Ф
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Влияние коррозионной среды на скорость роста трещины усталости в алюминиевых сплавах // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 1. С.16-20.
12. Синявский В.С. Влияние начальных стадий атмосферной коррозии на циклическую прочность алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 93-97.
13. Синявский В.С. Коррозионные свойства прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов Д16ч и 1933 при статическом и циклическом нагружении // Технология легких сплавов. 2011. № 4. С. 101-104.
14. Колобнев Н.И., МахсидовВ.В., Самохвалов С.В., Сбитнева С.В., Попов В.И., Курс М.Г. Влияние деформации после закалки и режимов старения на механические и коррозионные свойства сплава системы Д!-Мд-Б1-Си-2п // Авиационные материалы и технологии. 2011.№ 1. С. 12-15.
15. Махсидов В.В., Колобнев Н.И., Каримова С.А., Сбитнева С.В. Взаимосвязь структуры и коррозионной стойкости в сплаве 1370 системы Д!-Мд-Б1-Си-2п // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 1. С. 8-13.
16. Семенычев В.В., Салахова Р.К. Склонность к локальным видам коррозии крупногабаритных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 3. С. 121-125.
17. Берукштис Г.К., Кларк Г.Б. Коррозионная устойчивость металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях. - М.: Наука, 1971. - 160 с.
18. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1988. - 368 с.
19. Семенычев В.В. Коррозионная стойкость высокопрочных алюминиевых сплавов в условиях морского субтропического климата // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 138-142.
20. Синявский В.С. Коррозионная стойкость штампованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов авиационного назначения//Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 107-112.
21. Семенычев В.В. Коррозионная стойкость листов сплава Д 16чТ в морских субтропиках // Труды ВИАМ. 2014. № 7. С. 11-17.
22. Семенычев В.В. Влияние концентрации хлоридов на коррозию листов из сплава Д16чТ в условиях морских субтропиков // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4 (3). С.791-797.
23. Григорьев М.В., Антипов В.В., Вахромов Р.О., Сенаторова О.Г., Овсянников Б.В. Структура и свойства слитков из сплава системы Д!-Си-Мд с микродобавками серебра // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 3. С. 3-6.
24. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.
25. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С.12-16.
26. Жирнов А.Д., Семенычев В.В., Хольшев С.И.
и др. Испытание авиационных материалов в условиях морского субтропического климата. Методическое руководство. - М.: ВИАМ, 1987. - 48 с.
