CC BY
14
УДК 669.715:621.771.23
РАЗВИТИЕ ИДЕЙ СТРУКТУРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОБШИВОЧНЫМ ЛИСТАМ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.И. Елагин, докт. техн. наук, В.В. Захаров, докт. техн. наук, Т.Д. Ростова, канд. техн. наук, Е.И. Швечков, докт. техн. наук, И.А. Фисенко, Л.П. Кириллова (ОАО ВИЛС, e-mail:[email protected])
Разработан высокопрочный высокоресурсный сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, которому присвоена марка 1977. Из него выпущена опытная партия листов, которые благодаря выбранным составу и технологическим параметрам производства сохраняют после закалки нерекристаллизованную полигонизованную структуру (явление структурного упрочнения). Структурно упрочненные листы из сплава 1977 обладают явными преимуществами по сравнению с рекристаллизованными листами из стандартных сплавов В95оч (Россия) и АА7475 (США): более высокими прочностными свойствами и характеристиками статической и особенно циклической трещиностойкости. Сплав рекомендуется для использования в качестве обшивочных листов фюзеляжа планера гражданских самолетов.
Ключевые слова: сплав Al-Zn-Mg-Cu, обшивочные листы, нерекристаллизо-ванная структура, структурное упрочнение, механические свойства, характеристики трещиностойкости.
Development of Structural Strengthening Ideas in Conformity with Aluminium Alloy Skin Sheets. V.I. Yelagin, V.V. Zakharov, T.D. Rostova, Ye.I. Shvechkov, I.A. Fisenko, L.P. Kirillova.
A high-strength high service life Al-Zn-Mg-Cu-based alloy named 1977 has been developed. This alloy was used for manufacture of a pilot lot of sheets. Owing to the chosen composition and process variables the sheets retain a non-recrystallized polygonized structure after quenching (structural strengthening phenomenon). The structurally strengthened 1977 alloy sheets have an advantage over recrystallized sheets in standard V95och alloy (Russia) and AA7475 alloy (the USA), namely they offer higher strength properties, higher static, and especially cyclic, crack resistance characteristics. It is recommended to use the alloy as skin sheets for fuselages of civil aircraft airframes.
Key words: Al-Zn-Mg-Cu alloy, skin sheets, non-recrystallized structure, structural strengthening, mechanical properties, crack resistance characteristics.
Введение
Листы из алюминиевых сплавов, применяемые в качестве обшивки фюзеляжа планера пассажирских самолетов, подвергаются при эксплуатации различным нагрузкам. Это могут быть как растягивающие, так и сжимающие механические воздействия с наложением циклических нагрузок различной частоты. Соответственно к материалу обшивочных листов предъявляют жесткие требования в части прочностных, пластических и ресурсных свойств. В качестве обшивочных листов фюзеляжа планера используют в основном сплавы типа В95оч (сжатые зоны) и сплавы типа
1163 (растянутые зоны). Главным достоинством сплава В95пч является высокая прочность, а сплава 1163 - высокие характеристики пластичности и трещиностойкости. Наряду со сплавом 1163 в растянутых зонах могут использовать листы из коррозионно-стойкого сплава АА6013 (отечественный аналог -сплав 1370).
Обшивочные листы из алюминиевых сплавов имеют после закалки, как правило, рекри-сталлизованную структуру, которая обеспечивает повышенные пластические свойства и пониженные прочностные. В работах В.И. До-баткина [1-2], В.И. Елагина [3], было показа-
но, что сохранение в закаленных алюминиевых полуфабрикатах нерекристаллизован-ной полигонизованной структуры дает возможность повысить не только прочностные, но и многие ресурсные свойства. Явление сохранения в закаленных полуфабрикатах из алюминиевых сплавов нерекристаллизо-ванной структуры было названо В.И. Добат-киным структурным эффектом (структурным упрочнением). Структурно упрочненные полуфабрикаты обладают повышенными значениями характеристик трещиностойкости: ударной вязкости, вязкости разрушения, более высоким сопротивлением циклическим нагрузкам и более низкой скоростью развития усталостной трещины. Если бы удалось получить структурно упрочненные листы, т. е. листы с нерекристаллизованной после закалки структурой, то это бы дало возможность значительно повысит их служебные свойства. Однако обшивочные листы, получаемые прокаткой на современных скоростных станах, подвергаются сильной холодной деформации. Поэтому при нагреве под закалку холоднокатаных листов с высоким уровнем накопленной энергии, полученной при прокатке, происходит рекристаллизация и, как правило, закаленные обшивочные листы имеют рекристаллизованную мелкозернистую структуру. Задача сохранения в закаленных обшивочных листах нерекрис-таллизованной структуры представляла собой до недавнего времени неразрешимую проблему.
Вместе с тем, основываясь на последних достижениях в области металловедения и технологии алюминиевых сплавов, можно путем целенаправленного выбора химического состава и жесткой регламентации тем-пературно-временных технологических параметров повысить температуру рекристаллизации холоднокатаных обшивочных листов выше температуры нагрева под закалку. Это позволяет получать нерекристаллизованные, структурно упрочненные листы. Так, например, были получены холоднокатаные листы из сплава 1970 [4] с нерекристаллизованной после закалки структурой. Листы обладают явными преимуществами по комплексу служебных свойств по сравнению с рекристалли-
зованными листами из известных серийных сплавов типа В95пч и 1163.
В ОАО ВИЛС разработан высокопрочный высокоресурсный сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с температурой рекристаллизации, превышающей температуру нагрева под закалку. Сплаву присвоена марка 1977. Из сплава 1977 была изготовлена опытная партия листов с нерекристаллизованной структурой. В настоящей статье представлены результаты исследования механических и ресурсных свойств листов из сплава 1977 после закалки и искусственного старения.
Материалы и методика исследования
Методом полунепрерывного литья отлиты слитки сечением 165x550 мм, которые были отгомогенизированы и прокатаны вгорячую и затем вхолодную на листы толщиной 9, 3 и 1,6 мм. После закалки и искусственного старения листы служили исходным материалом для исследования.
Структуру листов исследовали после травления в реактиве Келлера (МР ВИЛС 21-31-85). Определение механических свойств (ств, а02, 5) проводили согласно ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
Вязкость разрушения и скорость усталостной трещины определяли на образцах шириной 160 мм по ОСТ 1 90356-84 «Метод определения статической трещиностойкости (вязкости разрушения) обшивочных материалов при плосконапряженном состоянии» и ОСТ 1 92127-90 «Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной амплитудой нагрузки» соответственно.
Испытания на усталость в условиях малоциклового нагружения (МЦУ) проводили по ГОСТ 25.502-79 при пульсирующем растяжении образцов с концентратором напряжений (ап=2,5) с фиксированной амплитудой по напряжению с а =160 МПа.
^ max
При проведении коррозионных испытаний определяли чувствительность листов к расслаивающей коррозии по ГОСТ 9.904-82.
Результаты исследования и их обсуждение
Горячекатаные листы толщиной 9 мм и холоднокатаные листы толщиной 3 и 1,6 мм
Рис. 1. Структура закаленных и искусственно состаренных листов из сплава 1977 толщиной 9 мм (горячекатаный, а), 3 мм (холоднокатаный, б) и 1,6 мм (холоднокатаный, в), х500. Световая микроскопия
после нагрева под закалку, несмотря на сильную деформацию, сохранили нерекрис-таллизованную структуру. Рентгенографический анализ структуры листов показал полное отсутствие признаков рекристаллизации. Во время выдержки при температуре нагрева под закалку прошла полигонизация, в результате которой сформировалась субзеренная структура (рис. 1). С уменьшением толщины листа (с увеличением степени деформации при прокатке) величина субзерен уменьшается. Субзеренная структура хорошо выявляется с помощью просвечивающей электронной микроскопии (рис. 2). В результате полигони-зации сформировались «правильные» субзерна с почти прямолинейными дислокационными границами. Дислокации внутри субзерен
Рис. 2. Структура закаленного и искусственно состаренного листа из сплава 1977 толщиной 1,6 мм, Х48000. Просвечивающая электронная микроскопия (О. Г. Уколова)
отсутствуют. Наличие субзеренной структуры в закаленных и искусственно состаренных листах обеспечивает, как будет показано ниже, серьезные преимущества в части прочностных свойств, характеристик циклической трещиностойкости и сопротивления усталостным нагрузкам.
В табл. 1 представлены механические свойства листов из сплава 1977 в состоянии Т2 толщиной 9, 3 и 1,6 мм в сравнении со свойствами листов из серийного сплава В95очТ2. Листы толщиной 9 мм из нового сплава имеют небольшое преимущество в прочностных характеристиках по сравнению с серийным сплавом В95оч. С уменьшением толщины листов прочностные характеристики сплава В95оч снижаются, а сплава 1977 возрастают. Листы толщиной 1,6 мм из сплава 1977 имеют предел прочности и предел текучести на 70 МПа (на ~15 %) выше, чем предел прочности и предел текучести аналогичных листов из сплава В95оч. Рост прочностных характеристик сплава 1977 с уменьшением толщины листа обусловлен измельчением субзеренной структуры (эффект Холла-Петча) при сохранении одного типа зеренной структуры (нерекристаллизованной).
Листы из сплава 1977Т2 обладают немного более высокими значениями вязкости разрушения КС и остаточной прочности атртто (табл. 2) по сравнению с листами из сплава В95Т2.
Скорость роста усталостной трещины в листах из нового сплава 1977 заметно ниже, чем в листах из сплава В95оч (табл. 3), в особенности для высоких значений размаха коэффициента интенсивности напряжений.
Таблица 1
Механические свойства листов разных толщин из нового сплава 1977
после закалки и искусственного старения
Толщина листа, мм Продольные Поперечные
Сплав о , МПа в' а0,2, МПа 8, % о , МПа в а0,2, МПа 8, %
9,0 В95очТ2 520 450 13 520 450 11
1977Т2 536 484 10 547 488 11
3,0 В95очТ2 517 446 13 504 440 11
1977Т2 570 490 10 553 493 15
1,6 В95очТ2 504 440 12 494 430 11
1977Т2 580 510 12 564 505 10,6
Таблица 2
Характеристики статической
трещиностоикости листов
толщиной 1,6 мм после закалки
и искусственного старения (W =160 мм)
Направление Сплав Ку, МПаТм анетто, МПа тр '
Продольное В95очТ2 1977T2 79,0 82,0 380 394
Поперечное В95очТ2 1977T2 78,0 84,3 380 406
Таблица 3 Скорость роста усталостной трещины в листе толщиной 1,6 мм из сплава 1977Т2 после закалки и искусственного старения для разных значений размаха коэффициента интенсивности напряжений ДК
Направление Сплав ДК, МПа^м
15 20 25 30
Поперечное В95очТ2 1977T2 0,45 0,52 1,0 0,83 2,5 1,3 5,5 2,2
Продольное В95очТ2 1977T2 0,49 0,55 0,98 0,82 1,98 1,4 3,9 2,4
При ДК=30 МПал/м скорость роста усталостной трещины в листах из сплава 1977Т2 примерно в 2 раза ниже, чем эта характеристика в листах из сплава В95очТ2.
Предварительные испытания на малоцикловую усталость дают основания полагать, что листы из сплава 1977 благодаря нерекри-сталлизованной структуре обладают высоким сопротивлением повторным нагрузкам, значительно превышающим аналогичную характеристику рекристаллизованных обшивочных листов (табл. 4).
Листы из сплава 1977 обладают природной сверхпластичностью (табл. 5). Без специальной подготовки, после получения по обычно принятой технологической схеме листы характеризуются высокой пластичностью. Рост скорости деформации при испытании на сверхпластичность до сравнительно высоких значений (8-10-3) не снижает пластичности, которая остается на достаточно высоком уровне.
Таблица 5 Сверхпластические свойства листов из сплава 1977Т2 (Гисп=450 °С, продольное направление)*
Скорость деформации, х10-3, с-1 Напряжение течения, МПа Относительное удлинение, %
2 5 8 3 * Данные МИСиСа цветных металлов. 14 18 22 37 , кафедра ме 424 420 414 198 талловедения
Одно из требований, предъявляемых к алюминиевым сплавам, используемым в авиастроении, является стабильность механических свойств в процессе эксплуатации самолета, отсутствие охрупчивания, приводящего к деградации материала. Образцы на растяжение из сплава 1977 в состоянии Т2 и Т3 были выдержаны при температуре 85 °С в течение длительного времени (до 2000 ч) и затем испытаны. Результаты испытаний этих образцов свидетельствуют (табл. 6) о том, что
Таблица 4
Результаты испытаний на усталость образцов с а =2,5 при ст =160 МПа, f=30 Гц, R=0,1
ст ' ^ max ' '
из листов 1,6 мм из сплава 1977Т2
Номер образца Число циклов до разрушения
1 160100
2 >500000
3 412000
4 >850000
Среднее >480000
Таблица 6
Влияние длительного низкотемпературного нагрева при 85 °С на механические свойства листов из сплава 1977 в состояниях Т2 и Т3
Состояние Длительность нагрева при 85 °С, ч о , МПа в' а0,2, МПа S, %
0 582 516 16,1
Т2 650 592 533 16,7
1300 595 537 14,8
2000 596 538 16,8
0 520 415 14,7
Т3 650 534 431 14,5
1300 533 432 15,1
2000 527 427 14,7
в процессе выдержки происходит небольшое повышение прочностных характеристик, но относительное удлинение остается неизменным. Охрупчивания сплава не происходит. В состоянии Т3 механические свойства более стабильны: относительное удлинение также не меняется и наблюдается тенденция к росту характеристик прочности.
Листы из сплава 1977 обладают, как мы уже говорили, волокнистой нерекристаллизо-ванной структурой, которая должна усиливать их склонность к расслаивающей коррозии. Испытания на расслаивающую коррозию показали, что листы из сплава 1977 в состоянии Т2 и тем более в состоянии Т3 обладают достаточно высоким сопротивлением расслаивающей коррозии, но уступают в этом отношении листам из сплава В95оч в состояниях Т2 и Т3 (табл. 7).
Таблица 7
Склонность к расслаивающей коррозии (РСК)
листов из сплава 1977 после закалки
и искусственного старения. (Испытания
проведены под руководством
В.С. Синявского)
Сплав Режим старения РСК, балл
Т1 8-10
В95оч Т2 3-4
Т3 2-3
1977 Т2 4-5
Т3 3-4
С целью повышения сопротивления расслаивающей коррозии были уточнены параметры прокатки и режимы старения Т2 и Т3, что мало изменило механические свойства листов в этих состояниях, но повысило их сопротивление расслаивающей коррозии до уровня сплава В95очТ2 и Т3.
В табл. 8 и 9 представлены механические и ресурсные свойства листов толщиной 3 мм из сплава 1977 в состояниях Т2 и Т3 после уточнения этих режимов.
В заключении в табл. 10 представлены все полученные в настоящем исследовании свойства листов из нового сплава 1977 в состоянии Т2 в сравнении со свойствами обшивочных листов из лучших сплавов этого же класса системы А!-7п-М^-Си - сплав В95очТ2 (Россия) и АА7475Т76 (США). Данные табл. 10 показывают, что сплав 1977 превосходит серийные сплавы по многим показателям. Прежде всего он легче: плотность сплава 1977 составляет 2,72 г/см3, что на 4,2 % меньше, чем плотность сплавов В95оч и АА7475. Новый сплав прочнее на ~15 % и самое главное скорость развития усталостной трещины значительно меньше (при ДК=31 МПал/м скорость меньше в 2 раза, чем соответствующая скорость для листов из сплава В95оч).
Сплав обладает высоким сопротивлением повторным нагрузкам. Вязкость разрушения Ку и остаточная прочность а^р™ листов
Таблица 8
Механические свойства листов толщиной 1,6 мм из сплава 1977,
термически обработанные на состояния Т2 и Т3 по уточненным режимам
Состояние Продольное направление Поперечное направление РСК, балл
а , МПа в' о02, МПа 8, % а , МПа в о02, МПа 8, %
Т2 602 526 11,2 582 518 11,8 3-4
Т3 555 452 11,9 543 448 12,1 2-3
Таблица 9 Характеристики трещиностойкости листов из сплава 1977, термически обработанных на состояния Т2 и Т3 по уточненным режимам
Продольное направление Поперечное направление
Состояние Ку, МПал/м онетто, МПа тр СРТУ, мм/кцикл, ДК=30 МПаУм Ку, МПаТм онетто, МПа тр СРТУ, мм/кцикл, ДК=30 МПа^м
сч го ТТ 85,3 76,9 415 374 2,6 2,6 89,8 79,7 436 388 2,2 2,6
Таблица 10
Типичные механические, ресурсные и технологические свойства листов из нового сплава 1977Т2 в сравнении с лучшими мировыми образцами
Свойство В95очТ2 АА7475Т76 1977Т2 Квота преимуществ, %
Плотность, г/см3 2,84 2,84 2,72 4,2
а , МПа в' 520 510 590 14
а02, МПа 440 430 520 15
8, % 12 12 12 -
СРТУ, мм/кцикл, при ДК=30 МПа^м 5,5 5,2 2,2 60
Сопротивление усталости (МЦУ), кцикл, при а =2,5, R=0,1, а =160 МПа ~ а ' ' ' ' max 250 230 480 100
Ку, МПа^м (1Л/=160 мм) 75 78 87 10
фНетто, МПа тр 380 - 420 10
Свариваемость Нет Нет Да -
Сверхпластичность Нет Нет Да -
из нового сплава не уступают соответствующим характеристикам листов из сплава В95оч. Листы обладают природной сверхпрочностью и свариваются аргонно-дуговой сваркой.
На состав сплава и способ его получения подана заявка на выдачу патента [5].
Выводы
1. Разработан новый высокопрочный высокоресурсный сплав на основе системы А!-7п-М^-Си, которому присвоена марка 1977. Сплав предлагается использовать в качестве обшивочных листов.
2. Состав сплава и технология производства листов выбраны такими, что позволяют сохранить в закаленных листах нерекристал-лизованную (полигонизованную) структуру и получить эффект структурного упрочнения.
3. Благодаря структурному упрочнению листы из нового сплава обладают ощутимым преимуществом перед листами из лучших отечественных и зарубежных сплавов-аналогов. Листы характеризуются более высокими прочностными характеристиками и значительно более высокими характеристиками статической и в особенности циклической трещи-ностойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В.И. О структурном упрочнении алюминиевых сплавов//В с б.: Металловедение легких сплавов. - М.: Наука, 1965. С.116.
2. Добаткин В.И. Свойства конструкционных алюминиевых сплавов в рекристаллизованном и полигонизованном состояниях//Известия АН СССР. Металлы. 1982. № 2. С. 76-81.
3. Елагин В.И. Структурное упрочнение алюминиевых сплавов: идея В.И. Добаткина и ее разви-
тие в работах ВИЛСа//Технология легких сплавов. 2005. № 1-4. С. 32-39.
4. Захаров В.В., Ростова Т.Д. Высокопрочный свариваемый сплав 1970 на основе системы А!-7п-1У^//МиТОМ. 2005. № 4. С. 10-17.
5. Заявка на патент. Рег. № 2011115467 от 20.04.2011. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия с пониженной плотностью и способ его получения.
