CC BY
30
УДК 539.42:539.43
В.В. Коновалов1, C.B. Дубинский1, АД. Макаров1,
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
МЕЖДУ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-40-46
Исследуется корреляция между механическими свойствами авиационных материалов. Представлены экспериментальные данные прочностных характеристик полуфабрикатов из следующих сплавов: В93, В95 (7075), Д16, 1163 (2024), 30ХГСА, АК4-Т2. Проведен анализ соотношений между пределами прочности и выносливости, условным пределом текучести, относительным удлинением и относительной пластичностью материалов, поучаемых в процессе серийного производства. Исследования показали слабую корреляцию за исключением трех пар. Полученные результаты открывают возможность совершенствования авиационных сплавов путем одновременного повышения нескольких несвязанных между собой механических свойств материалов.
Ключевые слова: металлические сплавы, предельная прочность, предельная выносливость, условный предел текучести, корреляция, статистический анализ.
V.V. Konovalov1, S.V. Dubinskiy1, A.D. Makarov1,
RESEARCH OF CORRELATION DEPENDENCIES BETWEEN MECHANICAL PROPERTIES OF AVIATION MATERIALS
A.M. Доценко1
A.M. Dotsenko1
The correlation between structural properties of alloys V93, V95 (7075), D16, 1163 (2024), 30HGSA, AK4-T2 has been studied. The ratio analysis between ultimate stress, endurance limit, yield stress, relative elongation and relative plasticity of materials made in batch production has been determined. It is shown that correlation is very weak excepting three pairs. The obtained results give the possibility for improvement of aviation alloys by simultaneously increasing mechanical properties of materials.
Keywords: metal alloy, ultimate stress, endurance limit, yield stress, correlation, statistical analysis.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «Central Aerohydrodynamic Institute named after N.E. Zhukovsky» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: info@tsagi.ru
Введение
Одной из важных задач, решаемых при разработке новых образцов авиационной техники, является повышение характеристик материалов, используемых для изготовления элементов планера и шасси. Такие металлические сплавы, как В93, В95 (7075), 1163 (2024), 30ХГСА, широко применялись ранее и продолжают успешно применяться в конструкциях современных образцов авиационной техники: стойках шасси, силовом наборе, панелях крыла и фюзеляжа самолетов SSJ-100, Ил-ШВ, МС-21, Boeing 767-300, Boeing 777. Одновременно c этим указанные материалы продолжают совершенствовать. Новейшие достижения в области материаловедения и развития технологий металлургии позволяют существенно улучшить металлические сплавы по целому ряду характеристик, включая предельные прочность и выносливость, условный предел текучести и т. д. Установление корреляции ме^ду этими характеристиками, определяющими различные аспекты эксплуатации изделий и конструкций, важно как с практической, так и с научной точки зрения.
Во-первых, такая корреляция позволила бы быстро оценивать одни характеристики, зная другие, а, во-вторых, это дало бы возможность исследовать общие факторы влияния, обусловленные состоянием особенностей микроструктуры материала.
Данная работа посвящена поиску корреляции между служебными свойствами авиационных материалов. В ней обобщены данные, полученные на ранних этапах внедрения исследуемых материалов и полуфабрикатов, и современные сведения, полученные в рамках реализации работ, выполненных в последние годы. Приведены данные экспериментальных исследований характеристик различных металлических сплавов.
Исследование корреляционных зависимостей
С целью обнаружения корреляции между механическими свойствами использованы данные экспериментальных исследований полуфабрикатов больших групп алюминиевых и титановых сплавов и сталей [1-8]: В93п.ч.-Т1 (штамповка), В95п.ч.-Т1 (плита), В95п.ч.-Т2 (7075, плита),
Средние значения механических свойств исследованных авиационных материалов
Материал 00,2 ö-1 S, Kc МИаЛ Область
(полуфабрикат) МПа % применения
В93п.ч.-Т1 (штамповка) 505 480 160 6,5 900 Шпангоуты, фитинги, кронштейны, рамы, балки для самолета Ту-160
В95п.ч.-Т1 (плита толщиной 11-40 мм) 552 489 150 12 1360 Верхняя обшивка крыла,
В95п.ч.-Т2 (7075, плита толщиной 11-40 мм) 547 489 160 12 1150 фюзеляж, стойки, детали внутреннего набора для самолетов Ил-112В и SSJ-100
В95п.ч.-Т3 (плита) 515 440 150 11 1270
В95п.ч.-Т1 (лист толщиной 6-10 мм) 523 454 140 13 1370 Верхняя обшивка для самолета Ту-154
В95-Т1 (лист) 551 - 150 - - Верхняя обшивка для самолетов Ту-114, Ту-95, М3, М4
АК4-Т2 (плита) 443 395 160 7 700 Обшивка крыла для самолета Ту-144
1163-Т (2024, лист толщиной до 4 мм) 468 348 160 22 - Обшивка фюзеляжа, крыло для самолетов Ил-112В, SSJ-100, Boeing, MC-21
1201-Т1 (плита) 470 370 160 10,6 - Стрингеры силового набора для вертолета Ми-6
30ХГСА 1308 1120 160 14 - Шасси, узлы крепления для самолетов Ил-112В, SSJ-100, MC-21
Д16ч.-Т (прессованная панель) 470 364 160 19 - Обшивка нижней панели крыла, киль для самолетов Ил-112В, SSJ-100, Boeing
Д16ч.-Т (плита) 435 - 160 - - Нижняя обшивка для самолетов Ил-96 и Ил-86
1163-Т (Д16о.ч.-Т, плита толщиной 26-40 мм) 486 374 160 16 <2750 Элементы конструкций, работающие на растяжение, для самолетов Ил-112В, Boeing
В95п.ч.-Т3 (плита), Д16ч.-Т (прессованная панель), 1163-Т (плита), 1163-Т (2024, лист), 30ХГСА, АК4-Т2 (плита) и др. Данные экспериментальных исследований, приведенные в таблице, получены на серийных полуфабрикатах, изготовление которых проводилось в период от одного месяца до двух лет на одном и том же оборудовании. Все выборки не цензу-рированные, т. е. учтены все результаты испытаний.
Для всех представленных материалов и полуфабрикатов рассмотрены следующие соотношения прочностных характеристик:
- предел прочности св-условный предел текучести с0>2;
- предел прочности св-относительное удлинение 5;
- предел прочности св-критический коэффициент интенсивности напряжений К1с,
- относительное удлинение 5-К1С;
- условный предел текучести о0,2-К1с;
- предел выносливости с^-предел прочности св;
- предел выносливости с^-условный предел текучести с0>2;
- относительная пластичность (св-с02)/ов-отно-сительное удлинение 5.
Примеры полученных корреляционных зависимостей и соответствующие коэффициенты корреляции (г2) приведены на рис. 1-5.
0,0 J 0,10 ни 0,20 0JJ
ОТК££ИТЫ1ЬЬШ jmaCrjCHHüiTbtCi.-OiJl'O,
Рис. 1. Соотношения ав-а0д (а; коэффициент корреляции r=0,54), ав-5 (б; r=0,0038) и [(ав-а0д)/ов]-5 , r=0,0035) для плиты из сплава В95п.ч.-Т2 (7075)
Рис. 2. Соотношения ав-о0д (а; коэффициент корреляции г=0,91), ав-5 (б, в; г=0,00027 и г=0,004 соответственно), 5-Г1с (г; г=0,0003) и [(ав-а0>2)/ав]-5 (Э; г=0,16) для стали 30ХГСА
16 - • • •
х<= ••» • • •
ЬО О н * • \ * •
г
= •Л ••
— 12 -
• «♦ \ •
и о * •• • \
я _й
□
!-
= о с 8- • * .
=
с: •
•
4
1000 1000 1100 1200 Предел прочности иЕ. МПа
1300
Рис. 3. Соотношение ав-5 (коэффициент корреляции г=0,2879) для сплава ВТ20
в) 6)
л м 1 - 1№
£ =
Н I»
I |М —
г.
| "П
I
П
* ** к . V ■ « »
№
^14
.1 1Ш
£ ш
1 1М1
3 Я
■3
1 * V * 1 !■ ,
— ■
*
1» :и
1Ю «1 да] 55* «Ч
Предл-' прс^1нкти п. _\]М1
ДО ЛИ НЫ] и*
Условный преаел ге»учеста МПа
Рис. 4. Зависимости предела выносливости а.1 на базе 105 циклов от предела прочности ав (а; коэффициент корреляции г=0,83) и условного предела текучести а0д (б; г=0,68) для полуфабрикатов из алюминиевых сплавов
Рис. 5. Соотношения предела выносливости а.1 от предела прочности ав (а) и условного предела текучести а0д (б) для сталей при симметричном цикле нагружения (точками разной формы показаны результаты, полученные разными исследователями [10])
Соотношения «предел выносливости ©^-предел прочности св» и «предел выносливости с-1 -условный предел текучести с02» изучали на основе накопленных результатов испытаний на усталость при симметричном цикле нагружения (К=-1) для определения предела выносливости с-1 [9-12].
Зависимости предела ограниченной выносливости на базе 105 циклов нагружения (коэффициент асимметрии 0 и 0,1; частота 2-3 Гц) плоских образцов с отверстием, изготовленных из панелей, листов, прессованных профилей, штамповок и отливок из алюминиевых сплавов Д16ч.-АТ, Д16ч.-ТПП, 1163-АТВ, 1163-РДГВ,
1163-ТПП, В95П.Ч.-Т2, В95о.ч.-Т2, 1420-Т1, 1933-Т3, АК6-Т1, МЛ5п.ч.-Т4, построенных на основе данных справочника «Расчетные значения характеристик авиационных металлических конструкционных материалов» [7], представлены на рис. 4.
Установлено, что для сталей средняя величина предела выносливости с-1 гладких образцов составляет 0,5 от предела прочности св, а пределы выносливости всех сталей попадают в полосу разброса о-1=±70 МПа, т. е. С-1=0,5ов±70 МПа. Кроме того, наблюдалась тенденция роста значений с-1 при увеличении значений св, т. е. сталь с большим пределом прочности св имеет больший предел выносливости с-1. Зависимость с-1 от св практически линейная до уровня св~1200 МПа. При св>1200 МПа величина предела выносливости с-1 растет очень слабо и даже возможны случаи ее снижения (рис. 5, а).
Влияние условного предела текучести с0,2 на предел выносливости с-1 имеет такую же тенденцию, как и предел прочности. Зависимость с-1 от с0,2 для сталей имеет также линейный характер и может быть аппроксимирована до с0,2~1200 МПа уравнением с-1=10,5+0,43с02 с полосой разброса ±70 МПа (рис. 5, б).
Для алюминиевых сплавов тенденции зависимости между механическими свойствами качественно аналогичны, но выражаются более слабо, чем у сталей. Например, зависимость предела выносливости с-1 от предела прочности св, в отличие от сталей, имеет нелинейный характер и при изменении св с 250 до 600 МПа предел выносливости на базе 107 циклов изменяется со 100-120 только до 150-180 МПа. Следует отметить, что все гладкие образцы для алюминиевых сплавов изготавливались из прессованных и катаных полуфабрикатов и не было ни одного образца из листовых алюминиевых сплавов.
Для гладких образцов относительные величины с-1/св и с0,2/ов до определенных пределов св
*»э
0 430 800 1200 1600 2000 2400 Предел прочности о» МШ
Рис. 6. Соотношение предела прочности ав и условного предела текучести а0>2 для сталей
либо остаются постоянными - для сталей, либо слабо снижаются - для алюминиевых сплавов.
Для чугунов, литых сталей, магниевых, медных и титановых сплавов наблюдаемая тенденция сохраняется, но со значительным увеличением разброса с ростом св.
Анализ соотношений выявил устойчивую корреляционную зависимость между тремя парами прочностных характеристик: предел прочности-условный предел текучести; предел прочности-предел выносливости; условный предел текучести-предел выносливости. При этом связь ме^ду условным пределом текучести и пределом прочности имеет линейную корреляцию. Полученный результат подтверждается современными зарубежными работами по исследованию корреляции между прочностными характеристиками сталей с Со,2 - до 2000 МПа и св - до 2400 МПа [13]. На рис. 6 представлено сопоставление полученных данных. Точками черного цвета обозначены результаты зарубежных исследований сталей указанного ранее диапазона характеристик, а синего -результаты данной работы для стали 30ХГСА.
В остальных исследованных в данной работе случаях сколь либо существенных корреляционных зависимостей не наблюдается.
Из этого следует, что возможно совершенствование сплавов при одновременном изменении нескольких значимых и независимых друг от друга характеристик.
Подобный метод исследовался как в зарубежных, так и отечественных работах в отношении металлических сплавов с целью увеличения характеристик трещиностойкости при сохранении и даже некотором увеличении характеристик прочности [14]. Так, на рис. 7 представлена диаграмма соотношений характеристики трещиностойкости (К1с) и условного предела текучести (о0,2) с указанием областей допустимых изменений этих характеристик для различных алюминиевых сплавов.
Ллошмкше сшиш
п та)
С
н I
О » НО Ж ж»
Условный презех текучестж 0| V МГЦ
Рис. 7. Диаграмма соотношения характеристик прочности алюминиевых сплавов
Рис. 8. Тенденция изменения служебных характеристик алюминиевых сплавов, применяемых в самолетах фирмы Boeing
Впоследствии этот метод нашел практическое применение для усовершенствования алюминиевых сплавов, применяемых в самолетах Boeing (рис. 8).
Заключения
В результате проведенных исследований установлено, что в диапазонах изменения прочностных свойств материалов, характерных для условий серийного производства, для всех исследованных в работе металлических сплавов обнаружена корреляционная зависимость между парами: предел прочно-сти-условный предел текучести, предел прочности-предел выносливости, условный предел текучести-предел выносливости. В остальных исследованных в данной работе случаях наблюдаются лишь незначительные тенденции к изменению одних свойств по отношению к другим.
На основании вышеизложенного сделан вывод о возможности совершенствования сплавов при
одновременном изменении нескольких значимых и независимых друг от друга характеристик, т. е. возможно увеличение, например, характеристик трещиностойкости при сохранении и даже некотором увеличении характеристик прочности.
Нахождение и анализ корреляционных зависимостей между прочностными характеристиками авиационных материалов, не представленных в данной работе, являются предметом будущих исследований и будут рассмотрены в последующих работах.
Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при нахождении других связей между параметрами, определяемыми в процессе серийного изготовления продукции, и характеристиками усталости, трещиностойкости, тепловыми характеристиками и другими экспериментальными данными, определяющими зависимости долговечности до образования и длительности роста трещин ряда полуфабрикатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вовнянко А.Г., Бенгус Г.Ю., Воронцов И.С. Статическая прочность и усталостная долговечность крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из сплавов Д16ч.-Т, В95п.ч.-Т1 и В95п.ч.-Т2 // Физико-химическая механика материалов. 1982. №1. С. 20-24.
2. Доценко A.M., Поляков А.Н., Мишин В.И., Горячев В.И. Расчетно-экспериментальное исследование влияния технологии на долговечность образца с отверстием и расчетные размеры начальных дефектов // Авиационная промышленность. 1990. №7. С. 75-78.
3. Серебренникова Н.Ю., Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Иванов А.Л., Попов В.И. Комплекс свойств и структура массивных плит из алюминиевых сплавов В95п.ч.-Т2, АК4-1ч.-Т1 и 1163-Т // Металловедение и современные разработки в области технологии литья, деформации и термической обработки легких сплавов: сб. док. науч.-тех. конф. М., 2016. 10 с.
4. Сенаторова О.Г., Серебренникова Н.Ю., Антипов В.В., Иванов А.Л., Попов В.И. Исследование структуры и свойств плиты толщиной 80 мм из сплава В95п.ч.-Т2 // Технология легких сплавов. 2016. №2. С. 37-42.
5. Гриневич А.В., Румянцев Ю.С., Морозова Л.В., Терехин А.Л. Исследование усталостной долговечности алюминиевых сплавов 1163-Т и В95о.ч.-Т2 после поверхностного упрочнения. ISSN: 2071-9140 // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. С. 93-102. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-S4-93-102.
6. Ерасов B.C., Гриневич А.В., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2 (23). С. 14-16.
7. Расчетные значения характеристик авиационных металлических конструкционных материалов // Авиационный справочник А.С. 1.1.М.001-2012. М.: OAK, ЦАГИ, 2013. 302 с.
8. Воробьев А.З., Богданов Б.Ф., Олькин Б.И. Влияние высокой температуры на выносливость элементов конструкции // Труды ЦАГИ. 1972. Вып. 1417. С. 53-72.
9. Богданов Б.Ф., Колганова З.Н. Влияние длительных выдержек при высокой температуре на выносливость алюминиевых и титановых сплавов. Труды ЦАГИ. 1970. Вып.1239. С. 3-10.
10. Хэйвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. М.: Машиностроение, 1969. 37 с.
11. Gordon D.E., Chuang S.Y. Correlation between modulus and yield strength in Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo (a/o) // Journal of materials science letters. 1994. Vol. 13. P. 1397-1399.
12. Басов B.H., Нестеренко Г.И. Прочность и усталость материалов обшивки конструкций гражданских самолетов // Научный Вестник МГТУГА. 2010. №153. C. 15-23.
13. Pavlina E.J., Van Tyne C.J. Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness for Steels // Journal of Materials Engineering and Performance. 2008. Vol. 17 (6). P. 893.
14. Гольдштейн М.И., Грачев C.B., Векслер ЮГ. Специальные стали, 2-е изд. М.: МИСИС, 1999. C. 215-216.
