CC BY
18
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В. С. Синявский
УДК 669.715:620.193:621.779
КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Д16ч И 1933 ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
ВСинявский, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:info@oaovils.ru)
Исследовано сопротивление коррозии в условиях статического и циклического нагружения сплава Д16ч в состояниях Т и Т2 и сплава 1933 в состояниях Т2 и Т3. Установлено, что сплав Д16чТ уступает сплаву 1933Т3 по сопротивлению межкри-сталлитной, расслаивающей коррозии и коррозионному растрескиванию, но превосходит его по сопротивлению коррозионной усталости, особенно по скорости распространения трещин.
Искусственное старение по режиму Т2 позволяет уравнять сопротивление коррозии сплава Д16чТ со сплавом 1933Т3 при статическом нагружении, сохраняя преимущество его по коррозионной усталости.
Ключевые слова: коррозионная усталость, усталость, скорость распространения трещины, межкристаллитная коррозия, расслаивающая коррозия, коррозионное растрескивание.
Corrosion Properties of Extruded D16ch and 1933 Aluminium Alloy Semiproducts in the Case of Static and Cyclical Loading. V.S. Sinyavskiy.
Corrosion resistance of D16ch (T and T2 temper) and 1933 (T2 and T3 temper) alloys under conditions of static and cyclical loading has been investigated. It has been found that D16chT alloy is at a disadvantage in relation to 1933T3 alloy in terms of resistance to intercrystalline and exfoliation corrosion and corrosion cracking, but is superior to it in fatigue corrosion resistance, especially in crack growth rate.
Artificial ageing according to T2 conditions allows one to equalize corrosion resistance of D16chT alloy with that of 1933T3 alloy in the case of static loading, while retains its advantage in terms of corrosion fatigue.
Key words: corrosion fatigue, fatigue, crack growth rate, intercrystalline corrosion, exfoliation corrosion, corrosion cracking.
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Большинство элементов авиационных конструкций, работающих в условиях циклического приложения нагрузки, разрушаются вследствие зарождения и развития трещины в зонах концентрации напряжений. Эта ситуация моделируется самыми разнообразными способами, и нарабатывается огромный банк экспериментальных данных, на основе которых осуществляется подбор конструкционных материалов.
Гораздо меньший объем информации накоплен о совместном влиянии циклической
нагрузки и коррозионной среды. В то же время отсутствие именно этих данных может привести к грубейшим ошибкам в выборе материала, комплекс механических характеристик которого должен удовлетворять разумному компромиссу.
В этом направлении проведена работа на примере двух широко применяемых сплавов Д16ч и 1933.
В качестве материала для исследования были выбраны сплавы среднего химического состава (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав (% мас.) исследованных сплавов
Сплав Си МЕ 7п 7г И Мп Ге Б1
Д16ч 1933 4,2 1,0 1,6 1,8 6,8 0,12 0,04 0,5 0,2 0,10 0,15 0,08
Испытания проводили на образцах, вырезанных из прессованных прутков 0 50 мм. Образцы были закалены и состарены по следующим режимам: Д16ч - Т и Т2 (190 °С, 16 ч); 1933 - Т2 (140 °С, 18 ч+170 °С, 6 ч) и Т3 (110 °С, 8 ч+170 °С, 12 ч).
Значения механических свойств и электропроводимости прутков приведены в табл. 2.
Сопротивление коррозионному растрескиванию изучали на кольцевых образцах по ГОСТ 9.019-74, сопротивление межкристал-литной коррозии - по ГОСТ 9.021-74, расслаивающей - по ГОСТ 9.904-82 [1].
На усталость испытывали плоские образцы с отверстием толщиной й=6 мм, а=2,6, широко используемые в авиационной промышленности для оценки циклической прочности полуфабрикатов из легких сплавов.
При сопоставлении материалов в режиме циклического приложения нагрузки важно избегать влияния побочных факторов, способных замаскировать истинное поведение материалов. Так как конструкция образца обеспечивает привязку зарождения и распространения усталостной трещины в локальных зонах, примыкающих к отверстию, то к технологии изготовления отверстия в образце предъявляются определенные требования. Во избежание наклепа царапин на стенках отверстия, последнее высверливается в
два захода сверлами малого (4 мм) и большого (5,8 мм) диаметров, при окончательной проходке отверстия - разверткой диаметром 6 мм.
Зарождение усталостной трещины регистрировалось с помощью внутреннего проходного вихретокового преобразователя, который представляет собой многослойную цилиндрическую обмотку, сердечником которой служит изоляционный материал (эбонит, текстолит и т.п.).
Вихретоковый дефектоскоп позволяет следить за ростом несквозных трещин площадью от Бтр=0,05 мм2 до Бтр=20 мм2.
Автоматическая регистрация зарождения и развития усталостной трещины позволяет использовать эту методику для измерения скорости роста трещины (СРТ). С этой целью проводят тарировку прибора, на основе которой устанавливают зависимость изменения сигнала на диаграммной ленте от площади усталостной трещины [2].
Как показали результаты испытаний, оба сплава в состояниях Т2,Т3 обладают достаточно высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию.
При испытании методом заданной деформации (а=0,75 а02) в условиях переменного погружения в раствор 3 % №0! на образцах сплава Д16ч в состоянии Т обнаружены трещины через 20-80 суток. Все образцы из сплавов Д16чТ2 и 1933Т2, Т3 не разрушились за 90 суток испытаний.
Испытаниями выявили межкристаллитную коррозию в виде отдельных очагов глубиной до 0,15 мм на сплаве Д16чТ. На сплавах Д16чТ2 и 1933Т2, Т3 межкристаллитная коррозия отсутствовала.
Сплав 1933 в состояниях Т2 и Т3 обладает высоким сопротивлением расслаивающей коррозии (РСК) в отличие от сплава Д16чТ, который имеет низкое сопротивление РСК
Таблица 2
Механические свойства и электропроводимость прутков
Сплав о , МПа в' а0,2, МПа 8, % Электропроводимость, МСм/м
Д16чТ 400 320 12,0 18,5
Д16чТ2 440 352 10,3 22,4
1933Т2 602 583 10,0 22,0
1933Т3 551 530 13,3 23,4
(табл. 3). Старение по режиму Т2 сплава Д16ч увеличивает сопротивление расслаивающей коррозии, хотя и несколько в меньшей степени, чем сплава 1933.
Таблица 3
Результаты испытаний на РСК в баллах
Сплав Раствор № 2 Раствор № 4
Д16чТ 7 8
Д16чТ2 4-5 6
1993Т2 2 2
1933Т3 2 2
Применительно к эксплуатации в атмосферных условиях более достоверными можно считать испытания в растворе № 2. Балл 4-5 означает в этом случае практически полное отсутствие чувствительности к РСК [3, 4].
При испытаниях на усталость общая долговечность сплава Д16чТ (Nр) приблизительно в 1,3 раза больше, чем долговечность сплава Д16чТ2 (табл. 4). Это обусловлено различием в продолжительности стадий до зарождения усталостной трещины
Под одновременным воздействием коррозионной среды (3 % №0!) и циклических напряжений продолжительность первой стадии сокращается в 5 раз, а общая долговечность в 3,5 раза. На стадии распространения усталостной трещины (^р) среда оказывает значительно меньшее влияние. Как правило, это снижение составляет ~30 %.
Скорость роста трещины при испытаниях на воздухе у Д16чТ и Д16чТ2 одинакова. В растворе 3 % №01 СРТ у сплава Д16чТ в 1,5 раза выше, чем на воздухе, а у сплава Д16чТ2 - в 2 раза.
Общая долговечность сплава 1933 в состоянии Т3 выше на 25 %, чем в состоянии Т2. При этом отношение N0/Np у них одинаково и равно 0,78.
В состоянии Т2 среда снижает общую долговечность в 1,7 раза, по No это снижение составляет 1,5 раза.
В состоянии Т3 влияние среды заметнее -снижение по Np составляет 1,97 раза, по No 1,8 раза (табл. 5).
Как в состоянии Т2, так и в состоянии Т3, имеет место сокращение периода распространения трещины примерно втрое.
Таблица 4 Характеристики циклической прочности сплава Д16ч
Характеристики Состояние
Т Т2
Среда N0, кцикл N , кцикл da/dN, мм/цикл (А^20 кг/мм3/2) da/dN, мм/цикл (А^30 кг/мм3/2) Воздух 106,9 139,5 0,23-10-3 0,32-10-3 3 % Иэ0! 21,6 41,2 0,37-10-3 0,44-10-3 Воздух 73,3 104,5 0,21-10-3 0,86-10-3 3 % Иэ0! 23,4 42,3 0,52-10-3 0,63-10-3
Таблица 5 Характеристики циклической прочности сплава 1933
Характеристики Состояние
Т2 Т3
Среда N0, кцикл N , кцикл da/dN, мм/цикл (А^20 кг/мм3/2) da/dN, мм/цикл (А^30 кг/мм3/2) Воздух 56,6 72,8 0,57-10-3 0,86-10-3 3 % Иэ0! 36,4 42,6 1,85-10-3 2,7-10-3 Воздух 71,7 91,7 0,39-10-3 0,67-10-3 3 % Иэ0! 40,0 46,5 3.0-10-3 6.1-10-3
Величина СРТ при испытаниях на воздухе сплава 1933 в состоянии Т2 в 2,5-2,7 раза выше, чем у сплава Д16чТ, а в состоянии Т3 - в 1,7-2 раза. В коррозионной среде СРТ у сплава 1933 по сравнению со сплавом Д16чТ резко возрастает: в состоянии Т2 в 5-6 раз, в состоянии Т3 в 8-9,7 раз (см. табл. 3, 4, рисунок).
Таким образом, сплав 1933Т3 превосходит сплав Д16чТ по механическим свойствам и коррозионной стойкости в условиях действия статической нагрузки, но существенно уступает ему по сопротивлению усталости и коррозионной усталости (см. рисунок).
Циклическая прочность сплавов Д16чТ (1, 2) и 1933Т3 (3, 4) на воздухе (1,3) и в растворе 3 % ЫаС1 (2, 4)
При воздействии циклических напряжений на стенках отверстия зарождается большое количество трещин, которые вследствие неблагоприятной кристаллографической ориентировки зерен не распространяются. При-
сутствие коррозионной среды увеличивает движущую силу и активизирует рост потенциально нераспространяющихся трещин.
В свете современных представлений о коррозионной усталости [3] одновременное воздействие среды и циклических напряжений ускоряет возникновение и развитие микро- и субмикродеформации, вследствие чего увеличивается количество трещин.
В этой связи повышение СРТ при коррозионной усталости сплава 1933Т3 по сравнению с 1933Т2 можно объяснить образованием более пластичной матрицы при искусственном старении.
Выводы
1. Сплав Д16чТ уступает сплаву 1933Т3 по сопротивлению коррозии без приложения нагрузки и под статической нагрузкой. При циклическом нагружении сплав Д16чТ значительно превосходит сплав 1933Т3 по сопротивлению усталости и коррозионной усталости .
2. Искусственное старение по режиму Т2 уравнивает сплав Д16ч со сплавом 1933Т3 по сопротивлению межкристаллитной, расслаивающей коррозии и коррозионному растрескиванию. Сопротивление коррозионной усталости сплава Д16чТ2 значительно выше, чем сплава 1933Т3, особенно по скорости распространения трещин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Синявский В.С. Методы контроля и исследования легких сплавов. Справ./Под ред. Вайнбла-та Ю.М. - М. : Металлургия, 1985. С. 350-429.
2. Кузгинов В.И., Кудряшов В.Г., Микляев П.Г. //Проблемы прочности, 1975, № 4. С. 95-97.
3. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д.
Коррозия и защита алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1986. - 368 с.
4. Синявский В.С.//Технология легких сплавов. 2011. № 3. С. 79-84.
