CC BY
20обработка металлов УДК 621.77.07:539.389:539.43
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95 В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ*
1 2
A.Ю. ЛАРИЧКИН , канд. физ.-мат. наук, науч. сотр., ассистент
К.В. ЗАХАРЧЕНКО1 3, аспирант, м.н.с., ассистент Б.В. ГОРЕВ1, доктор техн. наук, вед. науч. сотр.
B.И. КАПУСТИН \ канд. тех. наук, доцент
(1Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск, 2НГУ, г. Новосибирск, 3НГТУ, г. Новосибирск)
Поступила 9 ноября 2015 Рецензирование 11 января 2016 Принята к печати 11 февраля 2016
Ларичкин А.Ю. - 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, e-mail: larichking@gmail.com
Выполнено моделирование технологического процесса формообразования панели заданной геометрии из сплава В95очТ2, включающего 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 соответствии 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.
DOI: 10.17212/1994-6309-2016-1-6-15
Введение
К прочностным и весовым характеристикам элементов конструкций современных летательных аппаратов предъявляют высокие требования, которые достигаются внедрением новых алюминиевых сплавов и технологий их обработки при создании готового изделия [1, 2, 3]. Одним из широко используемых деформируемых, высокопрочных алюминиевых сплавов является
В95 [4, 5], из которого изготавливают несущие элементы фюзеляжа, центроплана и крыльев ряда самолетов, в том числе и для континентального лайнера Сухой БирегМ 100.
В связи с усовершенствованием форм летательных аппаратов стали востребованными методы формовки поверхностей сложной геометрии из прямоугольных монолитных плит при повышенных температурах. По сравнению с изготовлением элементов сборных конструкций
* Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ: № 13-01-0048, 14-08-31352, 15-01-07631, 16-08-00483.
такие методы 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, в том числе НАЗ им. В .П. Чкалова [6].
В большинстве случаев технология изготовления элементов авиационных конструкций включает в себя операции формообразования в ненагретом состоянии, при которых материал испытывает воздействие ударных нагрузок, что способствует появлению в изделии недопустимо больших остаточных напряжений и трещин, которые приводят к ухудшению усталостных характеристик и снижению ресурса конструкции в целом.
В работе [7] исследовано влияние на механические свойства алюминиевого сплава 7075 (Л1-2п-М§-Си) высоких скоростей деформирования (от 1,3 103 до 3,1103 с-1) в диапазоне температур от 25 до 300 °С. Сплав 7075 является зарубежным аналогом В95. Авторами проводилось сравнение свойств состаренных образцов и образцов в состоянии поставки. Показано, что скорость деформации и температура существенно влияют на эволюцию микроструктуры и морфологию зерна. Средний размер зерна после ударной деформации может быть выражен отношением Холла-Петча.
В статье [8] рассмотрено изменение динамического размягчения сплава 7075 в зависимости от температуры (250, 300, 350, 400 и 450 °С) и скоростей деформирования (0,01; 0,1; 1 и 10 с-1) при сжатии. Показано, что изменение температуры существенно влияет на скорость динамического размягчения. Получена зависимость напряжения от значений деформации, скорости деформации и температуры.
В работе [9] показано, что механизмом деформации для одноосных испытаний образцов из сплава 7075 при 300 и 350 °С являются скольжения по границам зерен, а также, что оптимальной скоростью сверхпластической деформации является 3 10 .. .10 с . Граничная разориента-ция зерен и постоянность температуры являются двумя основными факторами, которые вносят вклад в высокие удлинения на разрыв.
Работа [10] посвящена экспериментальному исследованию образцов из сплава 7075 в состоянии поставки и в кованом состоянии при температурах (от 250 до 450 °С) и скоростях деформации (от 0,002 до 2 с-1). Измерялась анизотропия материала при комнатной температуре для кованых образцов. Однородность и структуру материала оценивали с помощью измерения твердости по Виккерсу и оптической микроскопии. Одним из результатов работы стал факт слабой выраженности деформационной анизотропии материала во время испытаний при повышенных температурах по сравнению с существенным ее проявлением при холодной деформации.
В основе технологии формообразования конструкций лежит решение обратной задачи неупругого деформирования тела в условиях ползучести с последующим упругим распружи-ниванием. Суть задачи заключается в определении такого усилия и формы оснастки для формования заготовки, которое обеспечит заданную кривизну изделия после снятия нагрузки. Математический аппарат для решения подобных задач приведен в работе [11]. Сложность решения этих задач связана как с существенной анизотропией свойств ползучести материала заготовки, так и с учетом разносопротивляемости материала растяжению и сжатию. Современные подходы к решению ряда задач ползучести изложены в работах [12, 13].
В статье [14] показано численное решение задачи формования элемента конструкции двойной кривизны в условиях ползучести с учетом разносопротивляемости материала растяжению и сжатию. В противном случае это может привести к различию между расчетными прогибами конструкции и прогибами, наблюдаемыми в эксперименте. В работе [15] дано решение задачи кручения пластины постоянным моментом с учетом анизотропии свойств материала, в которой отмечено, что наименее сопротивляющимся ползучести в анизотропной плите является направление под углом 45° к ее нормали.
Ответ на вопрос о влиянии характеристик технологического процесса: скорости и температуры формообразования заготовки на усталостную долговечность отформованных конструкций являются актуальными для современной авиастроительной отрасли производства. Выбор параметров формообразования связан с требова-
ниями к конечным физико-механическим свойствам материала. В настоящей работе авторами установлены зависимости влияния скорости и температуры предварительного деформирования на усталостную долговечность сплава В95, который является базовым конструкционным материалом для силовых деталей планера современных самолетов и вертолетов.
Физическое моделирование заключалось в воссоздании на лабораторных образцах из сплава В95 условий технологического процесса формообразования, который реализуется при изготовлении панелей сложной геометрии из изначально прямой плиты на установке УФП -1М [6]. Параметры процесса, при которых проводилась предварительная деформация образцов: в каждой области температур Т = 20, 165, 420 °С изменялась скорость деформирования от 10-5 до 10-2 с-1. Обработанные таким способом плоские образцы были испытаны на циклическую долговечность.
1. Методика экспериментального исследования
1.1. Определение параметров материала и подготовка образцов
Было подготовлено три серии образцов. Образцы вырезались из сплава В95очТ2, плита толщиной к = 15 мм. Целевая толщина заготовки 4 мм достигалась ее фрезерованием путем поочередного снятия слоев с двух сторон. Чистота поверхности полученных образцов составляла Яа 0,32 (среднеквадратическое отклонение микронеровностей определялось по ГОСТ 2789-73). Образцы вырезались из плиты в двух ортогональных направлениях - вдоль и поперек проката. Образцы имеют прямоугольное поперечное сечение, значение которых приведено в табл. 1.
Образцы подвергались одноосному растяжению при различных скоростях деформирования в изотермических условиях. Испытания прово-
Таблица 1
Размеры образцов из сплава В95очТ2 и параметры их предварительного деформирования
при температурах Т = 20, 165, 420 °С
Направление
Номер относительно a0, мм b0, мм . -1 8 , С E, ГПа c0 2 МПа c2 МПа
проката
Серия I(T = 20 °C)
1 Вдоль 3,66 9,61 0,01 107,0 510 535,9
8 Вдоль 3,97 9,92 0,01 107,0 458 495,2
2 Поперек 3,93 9,61 0,01 107,0 499 534
Серия II (T = 165 °C)
1* Вдоль 3,86 9,92 0,01 107,0 403 399,8
2* Вдоль 3,93 9,89 0,0001 103,0 382 381,4
3* Вдоль 3,97 9,93 0,001 106,0 414 412,7
3 Вдоль 4,04 9,97 0,0001 94,9 375 373,3
7 Вдоль 3,97 9,92 0,01 71,6 440 440,9
13 Вдоль 4,03 10,00 0,0001 63,0 374 373,5
14 Вдоль 4,03 10,24 0,001 65,7 391 389,5
15 Вдоль 4,03 9,96 0,000002 51,7 293 268,4
4 Поперек 4,03 9,69 0,0001 92,2 373 371,1
6 Поперек 3,98 9,96 0,01 74,0 246 349,9
9 Поперек 3,95 9,95 0,01 68,0 318 324,2
11 Поперек 4,08 10,00 0,0001 66,2 440 385,6
12 Поперек 3,81 9,96 0,001 71,4 398 393,6
Серия III (T = 420 °C)
1 Вдоль 3,99 9,87 0,01 25,6 53,95 51,35
2 Вдоль 4,00 9,94 0,0001 15,4 17,97 17,13
3 Вдоль 3,98 9,94 0,00001 9,7 11,48 10,75
Окончание табл. 1
Направление
Номер относительно a0, мм b0, мм • -1 в , c E, ГПа V МПа с2 МПа
проката
4 Вдоль 3,99 9,93 0,01 23,0 42,84 38,56
5 Вдоль 4,00 9,95 0,0001 13,5 15,74 16,33
6 Вдоль 3,99 9,94 0,00001 10,4 11,28 10,90
7 Вдоль 3,97 9,93 0,01 18,6 45,17 40,34
8 Вдоль 3,99 9,93 0,0001 12,0 16,81 16,75
9 Вдоль 3,97 9,91 0,00001 10,7 11,76 11,14
В таблице: а0, Ь0 - толщина и ширина рабочей части образцов соответственно; в - скорость деформирования; Е - модуль упругости; ст02 - значение напряжения при деформации 0,2 %; ст2 - значение напряжения при
деформации 2 %.
дились на установке 2,мск/Кое11 2100 (максимальное усилие 100 кН, чувствительность датчика усилия 0,01 Н) с использованием круглой трехзонной высокотемпературной печи Муес (до 1100 °С). Нагрев до целевой температуры осуществлялся в течение 30 мин. Измерение деформаций выполнялось штатным экстензоме-тром на базе 50 мм.
Образец помещали в печь, закрепляли в захватах установки и нагревали до целевой температуры. В программе установки задавалась скорость движения траверсы для каждого образца. Окончанием испытания было условие достижения деформации растяжения 2 %. В табл. 1 даны геометрические размеры образцов, скорости их деформирования и значения механических параметров материала для каждого из них:
1) серия I - образцы, подвергнутые предварительной полной деформации в = 2 % при Т = 20 °С;
2) серия II - образцы, подвергнутые предварительной полной деформации в = 2 % при Т= 165 °С;
3) серияШ-образцы, подвергнутые предварительной полной деформации в = 2 % при Т= 420 °С.
После предварительного деформирования образцы проходили термообработку: выдержка при Т = 470 °С, закалка в воду и искусственное старение по режиму Т2 в соответствии с ПИ 1.2.699-2007.
T = 20 °C на сервогидравлической машине Instron 8801. Для измерения приращения компонентов тензора полных деформаций использовались экстензометры: № W-E-404-f «Transverse/ Diametral Extensome-ter» - в продольном и № 2620-601 «Dynamic Extensometer» - в поперечном направлениях.
Образцы испытывали при регулярном нагру-жении с частотой циклов 10 Гц. Цикл напряжений отнулевой. Максимальное напряжение цикла для каждого образца составляло 250 МПа. Напряжения для усталостных испытаний определяли при помощи параметрической диаграммы деформирования (рис. 1), описанной в работе [16].
Диаграмма деформирования, представленная на рис. 1, получена при отнулевом цикле нагружения и построена в координатах ву max от °х max, где max - максимальные поперечные деформации, соответствующие ох max - максимальному напряжению в цикле.
, МПа
—1x10 '
-2x10 '
1.2. Испытания на усталость
Испытания на циклическую долговечность подготовленных вышеописанным
-3x10 '
Сплав В95 / / Режим испытаний у
Область упругого (равновесного) цефариирошкния / \ Область неупругого, (церавЕЮвесшго) деформирования X
250 1 S
МПа
Рис. 1. Диаграмма периодического деформирования
способом образцов осуществлялись при образца сплава В95 при ступенчатом увеличении нагрузки
№ 1 (70)2016 9
Диаграмма позволяет найти область перехода от упругого к неупругому (неравновесному) деформированию и определить характеристики цикла напряжений при усталостных испытаниях. Из рис. 1 видно, что максимальные напряжения цикла 250 МПа соответствуют первой ступени, при которой в материале активизируются диссипативные процессы при периодическом нагружении. Современные результаты исследований по образованию микро- и макротрещин в конструкциях из алюминиевых сплавов при усталостных режимах нагружения приведены в работе [17].
Рис. 2. Зависимость о0 2 от скорости деформирования и направления проката заготовок:
1 - серия I - образцы, вырезанные вдоль и поперек проката; 2 - серия II - поперек проката; 3 - серия II -вдоль проката; 4 - серия III - вдоль проката
2. Результаты экспериментов
На рис. 2 показана зависимость о0,2 от логарифма скорости деформаций для каждой серии испытаний. Из графиков видно, что в случае повышенных температур имеется тенденция к росту значения о0,2 для образцов, вырезанных вдоль проката при увеличении скорости деформаций, а также наблюдается тенденция к уменьшению значения о02 для поперечных образцов при увеличении скорости деформации.
В сериях испытаний I и II после достижения целевого значения деформации образец разгружался полностью. В серии испытаний III после достижения целевого значения деформации фиксировалось положение траверс машины
и происходил процесс релаксации до момента времени, который указан в регламенте формообразования элементов конструкций из сплава В95очТ2 в отчете Научно-технического центра «Ползучесть» на базе НАЗ им. В.П. Чкалова, г. Новосибирск.
На рис. 3 изображены о-8 диаграммы образцов серии III. Числами обозначены номера образцов этой серии (см. табл. 1, серия III).
Стоит отметить, что после остановки движения траверс машины по достижении в = 2 % до определенного момента времени шел рост деформации при спаде усилия (см. рис. 3). По достижении этого момента деформация начинала уменьшаться. Такое запаздывание можно связать с тем, что в момент начала стадии релаксации фиксировалась деформация всего образца, а не базы измерений. Так может проявляться эффект последействия или эффект обратной ползучести материала. Важно отметить, что для элементов конструкций из данного материала, отформованных указанным образом, возможны отклонения от целевых размеров с погрешностью 0,03.. .0,05 %.
В табл. 2 представлены значения числа циклов до разрушения трех серий образцов.
На рис. 4 представлены зависимости числа циклов до разрушения от скорости предварительной деформации, полученные по данным табл. 2, сгруппированные по сериям испытаний.
На рис. 4 показано, что с уменьшением скорости предварительного деформирования материала при температуре 420 °С (серия III) сопротив-
60
50
40
30
20
10
а, МПа
7 : /
4
2 X !
X Т
/ !
1,95
2,05
2,1
Рис. 3. Рост и уменьшение деформации на базе замеров продольной деформации после останова траверс машины
Таблица 2
Результаты усталостных испытаний трех партий образцов из сплава В95очТ2
Номер образца а, мм Ь, мм • -1 в , с ^ , Н тах' N Направление
Образцы серии I
8 3,80 9,70 0,01 9216 50821 Вдоль
4 3,919 9,796 0,001 9597 76236 -
9 3,95 10,0 0,001 9875 105680 -
5 3,916 9,887 0,0001 9679 73935 -
*8 3,70 9,70 0,0001 8972 124578 -
Образцы серии II
1 3,70 9,75 0,01 9020 95792 Вдоль
2 3,80 9,70 0,01 9216 113727 Вдоль
*7 3,928 9,86 0,01 9681 67414 Вдоль
3 3,70 9,65 0,001 8928 119182 Вдоль
*5 3,85 9,80 0,0001 9432 95538 Вдоль
8 3,9 9,79 0,01 9546 115423 -
7 3,89 9,82 0,01 9550 107777 -
5 3,91 9,79 0,001 9560 37202 -
6 3,877 9,86 0,01 9554 82215 Поперек
9 3,907 9,85 0,01 9624 72884 Поперек
Образцы серии III
4 3,91 9,89 0,01 9654 86675 Вдоль
7 3,90 9,84 0,01 9594 96655 Вдоль
5 3,90 9,89 0,0001 9643 71982 Вдоль
8 3,91 9,89 0,0001 9667 45854 Вдоль
3 3,90 9,92 0,00001 - 57580 Вдоль
6 3,90 9,90 0,00001 9651 73766 Вдоль
9 3,90 9,87 0,00001 9623 49403 Вдоль
Здесь а и Ь значения поперечных размеров образца после термической обработки; в - скорость деформации, при которой проходило растяжение образца в состоянии поставки; ^тах - максимальное усилие в цикле; N - число циклов до разрушения.
Рис. 4. Зависимость числа циклов до разрушения от скорости предварительной деформации для различных серий испытаний (см. табл. 2):
1 - серия I; 2 - серия II; 3 - серия III
ление усталостному разрушению снижается в 1,5 раза. Отмечено, что циклическая долговечность образцов серии III не уменьшилась по сравнению с образцами серии I для скоростей
1 л-2 -1
порядка 10 с .
3. Обсуждение
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
№ 1 (70) 2016 11
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 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 различных типов алюминиевых сплавов.
Выводы
В работе отражены экспериментальные данные по моделированию технологического процесса получения поверхности двойной кривизны из плиты сплава В95очТ2. Моделирование заключалось в проведении всех ступеней процесса на лабораторных образцах: предварительное деформирование при различных температурах и скоростях деформации (см. табл. 1, рис. 2), а также представлены результаты испытаний готовых образцов на усталостную долговечность (см. табл. 2, рис.4) после закалки и термической обработки по режиму Т2.
Основные выводы
1. Установлена тенденция роста значения а материала с увеличением скорости деформирования в случае повышенных температур для образцов, вырезанных вдоль проката плиты.
2. Отмечено, что при релаксации образцов из серии III наблюдался эффект последействия (см. рис. 3). Уровень наблюдаемых деформаций показывает необходимость учета этого эффекта в проектировании формообразования крупногабаритных конструкций при повышенных температурах.
3. Показано, 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 (см. рис. 4).
4. Экспериментально показано, что при увеличении скорости деформирования в серии III есть тенденция к увеличению числа циклов до разрушения. В серии I имеется тенденция к уменьшению числа циклов до разрушения, что коррелирует с результатами применения метода формования, предложенного в работе [18].
5. Предварительное деформирование образцов из сплава В95очТ2 при температуре отжига (420 °С) и скоростью деформирования 10 с с последующей термообработкой по режиму Т2 не уменьшает сопротивление усталостному разрушению (в два раза) по сравнению с образцами, деформируемыми при температуре 20 °С.
Данные выводы позволяют определить оптимальные значения температуры и скорости деформирования для технологического процесса формообразования деталей сложной геометрии, производимых за один технологический цикл. Критерием оптимальности выступает значение высокой усталостной долговечности изделия. Процесс формообразования осуществляется в режиме ползучести, когда совмещены процессы деформирования и термообработки.
Список литературы
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. Aluminum-lithium alloys: processing, properties, and applications / eds.: N.E. Prasad, A. Gokhale, R.J.H. Wanhil. - 1st ed. - [S. l.]: Elsevier Publ.: ButterworthHeinemann, 2013. - 608 p. - ISBN 978-0-12-401698-9.
3. Fundamentals of aluminium metallurgy: production, processing and applications / ed. by R. Lumley. -1st ed. - Oxford: Woodhead Publ., 2011. - 864 p. -ISBN 978-184569-654-2.
4. 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 (дата обращения: 15.02.2016).
5. ОСТ 1 90026-80. Сплавы алюминиевые деформируемые повышенной чистоты. Марки. - М.: ВИАМ, 1980. - 13 с.
6. Патент 2056197 Российская Федерация, МПК B 21 D 11/20. Способ формообразования деталей и устройство для его осуществления / П.В. Миодушев-
ский, ГА. Раевская, О.В. Соснин. - N° 5037750/08; заявл. 15.04.92; опубл. 20.03.96. - 6 с.
7. Effect of aging on high strain rate and high temperature properties of 7075 aluminium alloy / W.S. Lee, W.C. Sue, C.F. Lin, C.J. Wu // Materials Science and Technology. - 1999. - Vol. 15, iss. 12. - P. 1379-1386. -doi: 10.1179/026708399101505509.
8. Dynamic softening behaviors of 7075 aluminum alloy / G. Quan, K. Liu, J. Zhou, B. Chen // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - 2009. -N 19. - P. 537-541.
9. Evolution of the microstructure, texture and creep properties of the 7075 aluminium alloy during hot accumulative roll bonding / P. Hidalgo-Manrique, C.M. Cepeda-Jiménez1, A. Orozco-Caballero, O.A. Ruano, F. Carreño // Materials Science and Engineering: A. - 2014. - Vol. 606. - P. 434-442. - doi: 10.1016/ j.msea.2014.03.105.
10. Naser T.S.B., Krallics G. Mechanical behavior of multiple-forged Al 7075 aluminum alloy // Acta Poly-technica Hungarica. - 2014. - Vol. 11, N 7. - P. 103117. - doi: 10.12700/APH.11.07.2014.07.7.
11. Цвелодуб И.Ю. Постулат устойчивости и его приложения в теории ползучести металлических материалов. - Новосибирск: Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1991. - 201 с.
12. Altenbach H., Naumenko K. Modeling of creep for structural analysis. - Berlin; Heidelberg: Springer, 2007. - 230 p. - ISBN-13 978-3-540-70834-6. - doi: 10.1007/978-3-540-70839-1.
13. From creep damage mechanics to homogeniza-tion methods: a Liber Amicorum to celebrate the birthday of Nobutada Ohno / H. Altenbach, T. Matsuda, D. Oku-mura, eds. - Cham: Springer International Publ., 2015. -
601 p. - ISBN 978-3-319-19439-4. - doi: 10.1007/9783-319-19440-0.
14. Математическое моделирование процессов ползучести металлических изделий из материалов, имеющих разные свойства при растяжении и сжатии / С.Н. Коробейников, А.И. Олейников, Б.В. Го -рев, К.С. Бормотин // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2008. - Т. 9, № 1. - С. 346-365.
15. БанщиковаИ.А., ЦвелодубИ.Ю., ПетровД.М. Деформирование элементов конструкций из сплавов с пониженной сопротивляемостью деформациям ползучести в сдвиговом направлении // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. - 2015. - Т. 157, № 3. - С. 34-41.
16. Захарченко К.В., Капустин В.И. Влияние поверхностных слоев образцов на деформационные характеристики сплава Д16АТ // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81, № 7. - С. 51-56.
17. George C. Sih multiscale fatigue crack initiation and propagation of engineering materials: structural integrity and micro structural worthiness. - Dordrecht: Springer Netherlands Publ., 2008. - 371 p. - ISBN-13 978-1-4020-8519-2. - doi: 10.1007/978-1-40208520-8.
18. Патент 2396367 Российская Федерация, МПК C 22 F 1/053 (2006.01). Способ получения изделия из высокопрочного алюминиевого сплава / О.Г. Се-наторова, Е.А. Ткаченко, В.В. Сидельников, В.В. Ан-типов, Н.Е. Блинова, В.В. Шестов, Е.В. Красова. -№ 2008141034/02; заявл. 16.10.08; опубл. 10.08.10, Бюл. № 22. - 7 с.
OBRABOTKA METALLOV
(METAL WORKING AND MATERIAL SCIENCE) N 1 (70), January - March 2016, Pages 6-15
Experimental modeling of technological process of pure aluminum alloy (Al-Zn-Mg-Cu) structural elements forming under creep
1 2
Larichkin A.Yu. ' , Ph.D. (Physics and Mathematics), Scientific associate, Assistant, e-mail: larichking@gmail. com
1 3
Zakharchenko K.V. ' , Ph.D. student, Junior researcher, Assistant, e-mail: zaharchenkok@mail.ru
Gorev B.V.1, D.Sc. (Engineering), Leading researcher, e-mail: gorevbv@yandex.ru
3
Kapustin V.I. , Ph.D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: macler06@mail.ru
xLavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS, 15 Ac. Lavrentieva ave., Novosibirsk,
630090, Russian Federation Novosibirsk State University, 2 Pirogova Str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation ^Novosibirsk State Technical University, 20 Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation
обработка металлов
Abstract
технология
Due to the improvement of the forms of aircraft, methods of complex surfaces forming using rectangular solid plates and elevated temperatures have become popular. Compared with the production of prefabricated elements, such molding techniques allow saving resources, reducing weight, getting rid of assembly and fitting work on the stage of manufacturing. How different will the fatigue life of pre-deformed at different temperatures and deformation rates products be? The answer to this question is relevant to aerospace industry. A pilot study of the issue is conducted. Fatigue life of pure aluminum alloy (Al-Zn-Mg-Cu), depending on temperature of pre-deformation and strain rate is set.
Experimental modeling of fatigue life of pure aluminum alloy samples is made. Three series of samples previously plastically deformed at different strain rates (1 - at room temperature, 2 - artificial aging temperature and 3 - at the annealing temperature) were used. Plastically deformed samples were heat-treated using the mode T2 in accordance with the production instruction 1.2.699-2007 PI. The effect of the reverse creep at relaxation is shown. This effect should be considered when designing the formation of large structural components at elevated temperatures. The number of cycles to failure at regular loading depends on temperature and deformation rate. Pure aluminum alloy (Al-Zn-Mg-Cu) fatigue resistance does not decrease after a pre-deformation at the annealing temperature.
1. Kolobnev N.I., Khokhlatova L.B., Antipov V.V. Perspektivnye alyuminievye splavy dlya samoletnykh kon-struktsii [Advanced aluminium-lithium alloys for aircraft structures]. Tekhnologiya legkikh splavov - Technology of light alloys, 2007, no. 2, pp. 35-38.
2. Prasad N.E., Gokhale A., Wanhil R.J.H., eds. Aluminum-lithium alloys: processing, properties, and applications. 1st ed. Elsevier Publ., Butterworth-Heinemann, 2013. 608 p. ISBN 978-0-12-401698-9
3. Lumley R., ed. Fundamentals of aluminium metallurgy: production, processing and applications. 1st ed. Oxford, Woodhead Publ., 2011. 864 p. ISBN 978-184569-654-2
4. Fridlyander I.N. Sovremennye alyuminievye, magnievye splavy i kompozitsionnye materialy na ikh osnove [Modern aluminum, magnesium alloys, and composites developed on their base]. VIAM/2002-203509. Available at: http://viam.ru/public/files/2002/2002-203509.pdf (accessed 15.02.2016)
5. OST 1 90026-80. Splavy alyuminievye deformiruemye povyshennoi chistoty. Marki [Industry standard 1 90026-80. Premium aluminium wrought alloys. Grades]. Moscow, VIAM Publ., 1980. 13 p. (In Russian)
6. Miodushevskii P.V., Raevskaya G.A., Sosnin O.V. Sposob formoobrazovaniya detalei i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [A method of forming parts and device for its realization]. Patent RF, no. 2056197, 1996.
7. Lee W.S., Sue W.C., Lin C.F., Wu C.J. Effect of aging on high strain rate and high temperature properties of 7075 aluminium alloy. Materials Science and Technology, 1999, vol. 15, iss. 12, pp. 1379-1386. doi: 10.1179/026708399101505509
8. Quan G., Liu K., Zhou J., Chen B. Dynamic softening behaviors of 7075 aluminum alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, no. 19, pp. 537-541.
9. Hidalgo-Manrique P., Cepeda-Jiménez C.M., Orozco-Caballero A., Ruano O.A., Carreño F. Evolution of the microstructure, texture and creep properties of the 7075 aluminium alloy during hot accumulative roll bonding. Materials Science and Engineering: A, 2014, vol. 606, pp. 434-442. doi: 10.1016/j.msea.2014.03.105
10. Naser T.S.B., Krallics G. Mechanical behavior of multiple-forged Al 7075 aluminum alloy. Acta Polytechnica Hungarica, 2014, vol. 11, no. 7, pp. 103-117. doi: 10.12700/APH.11.07.2014.07.7
11. Tsvelodub I.Yu. Postulat ustoichivosti i egoprilozheniya v teoriipolzuchesti metallicheskikh materialov [The postulate of sustainability and its application to the creep theory of metallic materials]. Novosibirsk, Lavrentyev Institute of Hydrodynamics Publ., 1991. 201 p.
12. Naumenko K., Altenbach H. Modeling of creep for structural analysis. Berlin, Heidelberg, Springer Publ., 2007. 230 p. ISBN 978-3-540-70834-6. doi: 10.1007/978-3-540-70839-1
13. Altenbach H., Matsuda T., Okumura D., eds. From creep damage mechanics to homogenization methods: a Liber Amicorum to celebrate the birthday of Nobutada Ohno. Cham, Springer International Publ., 2015. 601 p. ISBN 978-3-319-19439-4. doi: 10.1007/978-3-319-19440-0
Keywords:
processing technique, forming, strain rate, experiment, durability, aluminum alloy, creep, fatigue. DOI: 10.17212/1994-6309-2016-1-6-15
References
14. Korobeinikov S.N., Oleinikov A.I., Gorev B.V., Bormotin K.S. Matematicheskoe modelirovanie protsessov polzuchesti metallicheskikh izdelii iz materialov, imeyushchikh raznye svoistva pri rastyazhenii i szhatii [Mathematical simulation of creep processes in metal patterns made of materials with different extension compression properties]. Vychislitel'nye metody i programmirovanie: novye vychislitel'nye tekhnologii - Numerical Methods and Programming, 2008, vol. 9, no. 1, pp. 346-365.
15. Banshchikova I.A., Tsvelodub I.Yu., Petrov D.M. Deformirovanie elementov konstruktsii iz splavov s pon-izhennoi soprotivlyaemost'yu deformatsiyam polzuchesti v sdvigovom napravlenii. [Deformation of structural elements made of alloys with reduced resistance to creep in shear direction]. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie nauki - Proceedings of Kazan University. Physics and Mathematics Series, 2015, vol. 157, no. 3, pp. 34-41.
16. Zakharchenko K.V., Kapustin V.I. Vliyanie poverkhnostnykh sloev obraztsov na deformatsionnye kharakter-istiki splava D16AT [Comparative analysis of the surface layer effect on the stress-strain characteristics of D16AT Alloy]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov - Industrial laboratory. Materials diagnostics, 2015, vol. 81, no. 7, pp. 51-56.
17. Sih G.C., ed. Multiscale fatigue crack initiation and propagation of engineering materials: structural integrity and microstructural worthiness. Dordrecht, Springer Netherlands Publ., 2008. 371 p. ISBN-13 978-1-40208519-2. doi: 10.1007/978-1-4020-8520-8
18. Senatorova O.G., Tkachenko E.A., Sidel'nikov V.V., Antipov V.V., Blinova N.E., Shestov V.V., Krasova E.V. Sposob polucheniya izdeliya iz vysokoprochnogo alyuminievogo splava [Procedure for production of item out of high-strength aluminium alloy]. Patent RF, no. 2396367, 2010.
The reported study was partially supported by RFBR, research projects No. 13-01-0048, 14-08-31352, 15-0107631,16-08-00483.
Article history:
Received 9 November 2015 Revised 11 January 2016 Accepted 11 February 2016
Funding
