CC BY
78
УДК 539.3
МИКРОМЕХАНИЗМЫ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 2024-Т3 В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
© В.Б. Гуцайлюк1*, С.В. Гладьо2)
^ Военно-техническая академия им. Я. Домбровского, г. Варшава, Польша, e-mail: vhutsaylyuk@wat.edu.pl 2) Тернопольский национальный технический университет им. И. Пулюя, г. Тернополь, Украина,
e-mail: sergiiglado@gmail.com
Ключевые слова: заклепочное соединение; постоянное циклическое нагружение; микромеханизмы разрушения. Проанализированы микромеханизмы зарождения и роста усталостных трещин в алюминиевом сплаве 2024-Т3 в условиях циклического нагружения с постоянной амплитудой при различных коэффициентах асимметрии цикла.
В отрасли авиастроения и эксплуатации летательных аппаратов безопасность является чрезвычайно важным показателем. Элементы конструкции фюзеляжа и крыльев подвержены эксплуатационным нагрузкам, которые приводят к развитию усталостных повреждений. Около 80 % усталостных разрушений обшивки начинаются в местах заклепочных соединений, причем долговечность соединения с потайной головкой на 2040 % ниже, чем соединений с выступающей головкой.
В подавляющем большинстве случаев усталостная трещина инициируется под головкой заклепки, где она недоступна для визуального контроля и может распространяться в толщине листа, не выходя на поверхность. Момент выхода трещины на поверхность ориентировочно соответствует 20-30 % общего эксплуатационного ресурса конструкционного узла. Поэтому определение момента инициации трещины и исследование соответствующих микромеханизмов ее развития - важная научно-практическая задача, решение которой имеет большое значение для прогнозирования безопасного периода эксплуатации.
В последнее время много научных работ посвящено исследованию процессов зарождения и роста усталостных трещин в алюминиевых сплавах. Особое внимание уделяется влиянию заклепочных соединений как концентраторов напряжений [1, 2].
Целью данной работы являлось исследование микромеханизмов разрушения алюминиевого сплава 2024-Т3 на этапе инициации и развития усталостной трещины.
В качестве испытуемого материала использовали алюминиевый сплав 2024-Т3, который широко используется на внешнее покрытие крыльев и фюзеляжа современных самолетов. Образцы для испытаний вырезали из алюминиевых листов в направлении проката. Для испытаний использовали пластины накладки и подкладки размером 80x420 мм, которые соединяли тремя рядами заклепок диаметром 5 мм по три заклепки в
каждом ряду [2]. Пластины отличались тем, что в накладке выполнено отверстие с конусом под головку заклепки. Исследования проводили на испытательной машине ІшЦоп 8802 в условиях циклического нагружения с постоянной амплитудой Аст = 100 МПа, частоте 15 Гц и коэффициентах асимметрии цикла К = = 0,15; 0,3; 0,5. Исследования поверхности разрушения проводили на растровом электронном микроскопе РЭМ-106И.
Разрушение образцов начиналось в материале накладки в связи с конструкционными особенностями отверстия под головку заклепки.
Макроисследования показали, что при асимметрии К = 0,15 фронт усталостной трещины имеет рваную форму, приближенную к четвертьэллиптической, а при асимметрии К = 0,3; 0,5, приближенную к полуэллип-тической (рис. 1, а).
Основным местом инициации усталостной трещины в накладке является переход цилиндрического отверстия в конусную фаску под головку заклепки, где возникает наибольшая концентрация напряжений (рис. 1, а, б). На поверхности излома в области инициации усталостной трещины видны фасетки, на дне которых наблюдаются глубокие вторичные микротрещины (рис. 1, в). На гранях гребней встречаются маленькие рельефные гребни и круглые ямки, которые возникли в местах наличия включений.
На участке инициации трещины действует сложный механизм разрушения, при котором происходит рост трещины по всем направлениям граней фасетки. Можно предположить, что микроразрушение и рост макротрещины происходит за счет целой системы микроструктурно коротких трещин, которые объединяются в единую сеть (рис. 1, в).
На участке стабильного роста усталостной трещины формируются усталостные бороздки. Присутствие массивных включений вызывает локальное вязкое разрушение по механизму ямочного отрыва.
S33
\
Wl)=16.3mm
JO.OUkV х200 200iim
а)
б)
в) г)
Рис. 1. Фрактография алюминиевого сплава 2024-Т3: макрофрактография накладки (а); участок инициации усталостной трещины (б); вторичные микротрещины и ямки в местах наличия включений (в); разориентация усталостных бороздок (г)
Усталостные бороздки размещены на фасетках, размер которых соответствует размеру структурных элементов сплава. При малой скорости роста усталостной трещины шаг бороздок мелкий, при увеличении скорости роста шаг бороздок увеличивается и возрастает количество и глубина вторичных микротрещин.
Вследствие сложного напряженно-деформированного состояния в цикли ческой пластической области перед вершиной трещины направление бороздок может существенно отличаться в соседних структурных элементах, поскольку усталостная трещина распространяется в направлении минимальной энергии разрушения (рис. 1, г).
ЛИТЕРАТУРА
1. Matos P.F.P. de, Moreira P.M.G.P., Nedbal I., Castro P.M.S.T. de Reconstitution of fatigue crack growth in Al-alloy 2024-T3 open-hole specimens using microfractographic techniques // Engineering Fracture Mechanics. 2005. № 72. Р. 2232-2246.
2. Hutsaylyuk V., Sniezek L., Hlado V. Fatigue damage of rivet joints in the condition of stable cyclic load // Fatigue of Aircraft Structures. Monographic series ISSUE 2009. Warsaw, 2009. P. 63-73.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Hutsaylyuk V.B., Gladio S.V. Micromechanisms of fatigue crack initiation and growth in aluminum alloy 2024-T3 in the condition of constant cyclic loading.
Micromechanisms of fatigue crack initiation and growth in aluminum alloy 2024-Т3 in the conditions of permanent amplitude cyclic loading at the different coefficients of cycle asymmetry are analyzed.
Key words: rivet joint; constant cyclic loading; fracture micromechanism.
