CC BY
9
ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 669.715:669.884
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-71-76
РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ЛИСТАХ ИЗ СПЛАВОВ 1424Т1 И 2024Т351 В 3,5 %-м РАСТВОРЕ NaCl
Евгений Иванович Швечков, докт. техн. наук, Валерий Владимирович Захаров, докт. техн. наук, Даниил Владимирович Батяев, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. При проведении испытаний на циклическую трещиностойкость с заменой воздушной среды на 3,5 %-й раствор NaCl в листах из сплава 1424Т1 меняется характер развития усталостной трещины: скорость ее возрастает, в особенности, при малых частотах испытаний; на диаграмме циклической трещиностойкости исчезает участок ее замедленного роста при небольших значениях амплитуды коэффициента интенсивности напряжений AK (трещина развивается строго по магистральному направлению); характер разрушения становится макрохрупким. Эти изменения связаны с выделением фазы 5' (Al3Li) по границам субзерен и их охрупчиванием. Полигонизо-ванная структура является нежелательной для полуфабрикатов из сплавов Al—Mg—Li. Изменение среды испытаний листов из сплава 2024Т351 с воздушной на 3,5 %-й раствор NaCl мало отразилось на развитии усталостной трещины.
Ключевые слова: сплавы Al—Mg—Li, циклическая трещиностойкость, 3,5 %-й раствор NaCl, субзеренное охрупчивание
Fatigue Crack Development in Sheets of 1424T1 and 2024T351 Alloys in 3.5 % NaCl Solution. Dr. of Sci. (Eng.) Evgeny I. Shvechkov, Dr. of Sci. (Eng.) Valery V. Zakharov, Cand. of Sci. (Eng.) Daniil V. Batyaev
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. When testing the cyclic cracking resistance in 1424T1 alloy sheets with the replacement of the air environment with a 3.5 % NaCl solution, the mode of the fatigue crack development changes: its rate increases, especially at low test frequencies; the section of its decelerated growth disappears in the diagram of cyclic crack resistance at low values of the amplitude of the stress intensity factor AK (the crack develops strictly along the main direction); the mode of fracture becomes macrobrittle. These changes are associated with the precipitation of 5' phase (Al3Li) along the subgrain boundaries and their embrittlement. The polygonized structure is undesirable for semi-finished products made from Al-Mg-Li alloys. Changing the test environment to tests 2024T351 alloy sheets from air to 3.5 % NaCl solution had a low effect on the fatigue crack development.
Key words: Al-Mg-Li alloys, cyclic crack resistance, 3.5 % NaCl solution, subgrain embrittlement
Введение
В процессе эксплуатации конструкция самолета подвержена воздействию широкого спектра нагрузок в различных климатических условиях. Поэтому наряду с оценкой качества материалов
в нормальных условиях (воздушная среда, комнатная температура, ограниченная влажность) проводят испытания в условиях, близких к эксплуатационным. Результаты таких испытаний расширяют представление о работоспособно-
Таблица 1
Фактический химический состав листов из сплава 1424Т1, % вес.
Al Mg Li Zn Mn Sc Zr H2, см3/100 г Ме
Основа 4,9 1,6 0,7 0,22 0,07 0,07 0,55
сти материалов и позволяют более обоснованно подходить к их выбору для использования в конструкции планера. Одним из таких испытаний является определение скорости развития усталостной трещины в 3,5 %-м растворе NaCl. В статье представлены результаты испытаний листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 (Aluminium Association) на циклическую трещиностойкость. Эта статья является продолжением [1].
Исследуемые материалы
Технология и история получения листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 приведены в [1]. Химический состав сплава 1424Т1 указан в табл. 1.
Листы из сплава 2024Т351 имели средний химический состав по Aluminium Association. Они были выбраны для сравнения как серийный материал, который уже в течение многих лет используется в виде обшивочных листов. В настоящей работе листы из сплава 2024Т351 имели полностью рекристаллизованную структуру, тогда как листы из сплава 1424Т1 - нере-кристаллизованную полигонизованную [1].
Методика испытания
Испытания проводили на образцах с центральным надрезом (тип ЦНР) шириной 160 мм, изготовленных в продольном (Д-П) и поперечном (П-Д) направлениях. Подготовка образцов к испытаниям состояла в полировке зоны предполагаемого развития трещины, очистке поверхностей и надреза от продуктов полировки с помощью спирта и дальнейшей двухсторонней разметке поверхностей через интервалы 0,5 (первые восемь делений), 1,0 и 2,0 мм с использованием специального приспособления, обеспечивающего высокую точность нанесения меток. Затем на образец устанавливали камеру, которая по сути была индивидуальна для каждого образца. К обеим его плоскостям в зоне надреза специальным герметиком, не реагирующим с 3,5 %-м раствором NaCl, крепили переходной элемент в виде U-образного профиля, к которому тем же герметиком присоединяли прозрач-
ную пластину, не препятствующую визуальному наблюдению за продвижением трещины. Для обеспечения приемлемой точности измерения длины трещины в процессе ее роста использовали катетометр.
Подготовленный таким образом образец устанавливали в захваты испытательной машины, заливали в камеру 3,5 %-й раствор №С! и перед приложением циклических нагрузок выдерживали в течение 1-2 ч. В процессе испытаний с частотой 0,03 Гц раствор заменяли через 8-10 ч.
Образцы нагружали по синусоидальному циклу с коэффициентом асимметрии Я = 0,1 при частотах 0,03; 2,0; 8,0 Гц. Низкая частота f = 0,03 Гц в большей степени характерна для нагружения обшивки фюзеляжа в реальных условиях эксплуатации. Обработка первичных экспериментальных данных была стандартной.
Результаты испытаний
Данные о циклической трещиностойкости листов из сплава 1424Т1 и 2024Т351, полученные при испытании в 3,5 %-м растворе №С!, представлены на рис. 1, 2 и в табл. 2.
Из приведенных данных следует:
- коррозионная среда в виде 3,5 %-го раствора ЫаС! увеличивает скорость развития усталостных трещин в листах исследуемых сплавов: сильно для сплава 1424Т1 (см. рис. 1, табл. 2) и значительно слабее для сплава 2024Т351 (см. рис. 2, табл. 2);
- эффект увеличения СРТУ в 3,5 %-м растворе ЫаС! для листов из сплава 1424Т1 существенно зависит от частоты испытаний, особенно при f = 0,03 Гц, а также от значений амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК. На СРТУ листов из сплава 2024Т351, испытанных в коррозионной среде, частота испытаний влияет значительно меньше (см. рис. 2);
- по сравнению с испытанием на воздухе изменился вид диаграмм циклической трещи-ностойкости для листов из сплава 1424Т1 [1].
Таблица 2 Циклическая трещиностойкость листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 в 3,5 %-м растворе NaCl
Сплав Направление вырезки образцов Частота испытаний, Гц | — 1 в 3,5 % - м растворе ЫаО! ---—, ^ \-при разных ДК, МПа • л/м 1 -^а]на воздухе
15,0 20,0 25,0 30,0
1424Т1 П-Д 8,0 3,0 4,5 4,6 3,5
Д-п 3,3 4,7 5,2 4,9
П-Д 0,03 3,9 6,0 12,3 13,4
2024Т351 П-Д 8,0 1,3 1,3 1,4 1,5
д-п 1,3 1,1 1,1 1,3
4
2
I ю-2
Я 8
я 6 5 4
2
ю-3
Ю-1 8 6
4
2
ю-2 8 6
4
2
ю-3
12 14 16 18 20 24 28 32 36 40
я ДК, МПа ■ л/м
п
О
о
О о > о ¿9
• л "-1
о
о лв
< л1
О о Л 1 А • •
А • д
13 15 17 19 22 26 30 34 38 40 б ДК, МПа • л/м
Рис. 1. Зависимость скорости роста усталостной трещины в листах из сплава 1424Т1 поперечного (а) и продольного (б) направлений
в 3,5 %-м растворе NaCl от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК при разных частотах испытаний: О; •; А - частота испытаний 0,03; 2,0; 8,0 Гц соответственно
ю-2 8 6
4
2
10"3 8 6
4
2 10^
ю-2 8 6
4
2
10"3 8 6
4
2 10^
и
Г
п
-г
к Г
12 14 16 18 20 24 а
28 32 36 40 ДК, МПа • л/м
А
с о
О А •а
о
о Л 1
¿т "С
12 14 16 18 20
б
24 28 32 36 40 ДК, МПа • л/м
Рис. 2. Зависимость скорости роста усталостной трещины в листах из сплава 2024Т351 поперечного (а) и продольного (б) направлений
в 3,5 %-м растворе NaCl от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ДК при разных частотах испытаний: О; •; А - частота испытаний 0,03; 2,0; 8,0 Гц соответственно
Х5000
Рис. 3. Субзеренное разрушение образцов из листов сплава 1424Т1, испытанных на циклическую трещиностойкость в 3,5 % -м растворе NaCl при частоте f = 0,03 Гц, АК = 22 МПа* л/м и разном увеличении. Сканирующий электронный микроскоп
На них отсутствует участок замедления, связанный с ветвлением усталостной трещины. Это хорошо видно на диаграмме циклической трещиностойкости образцов, испытанных при f = 0,03 Гц, экспериментальные данные которой можно аппроксимировать одной прямой;
- иным стал характер разрушения, особенно, на образцах из сплава 1424Т1 при частоте на-гружения 0,03 Гц. Здесь излом преимуществен-
но прямой с небольшими боковыми скосами, немного увеличивающимися по мере удаления от надреза. Такой вид разрушения характерен для образцов, испытанных в условиях плоской деформации. Участок со сложным разноориенти-рованным рельефом на изломе отсутствует. Не отмечены также случаи отклонения усталостной трещины от магистрального направления, излом расположен строго в плоскости надреза.
Поверхность излома такого образца исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа. С излома предварительно удаляли продукты коррозии. Структуру излома исследовали в областях изменения амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК = 12; 22 и 30 МПа • Тм . На рис. 3 представлены фракто-граммы, снятые с поверхности излома образца с направлением Д-П сплава 1424Т1 после испытаний на СРТУ в 3,5 %-м растворе №С1. При небольших увеличениях (х200) хорошо видна слоистая нерекристаллизованная зеренная структура на протяжении всей длины магистральной трещины. При больших увеличениях (*1000) и (*5000) виден характер разрушения: независимо от АК в усталостном изломе имеет место субграничное разрушение. Очевидно коррозионная среда взаимодействует с границами субзерен и дает возможность трещине продвигаться по охрупченным субграницам. Надо полагать, что воздействие коррозионной среды уменьшает зону пластической деформации, в пределах
ю
8 I
Е
10"
/V о
7«
9
3
а ? 8
л £ 5
■ л-
12 14 16 18 20
24 28 32 36 40 АК, МПа • т/м
которой субграницы остаются слабейшим элементом. Эти факты свидетельствуют о меньшей энергоемкости разрушения и согласуются с данными о существенном увеличении СРТУ при f = 0,03 Гц в 3,5 %-м растворе №С1 по сравнению с данными при испытании на воздухе, а также с результатами испытания в 3,5 %-м растворе №С1 при частотах f = 2,0 и 8,0 Гц, где субграничные разрушения образцов также имеют место быть.
Представляет интерес оценить роль предварительных нагревов на изменение циклической трещиностойкости исследуемых листов в 3,5 %-м растворе №С1. Результаты испытаний при f = 0,03 и 8,0 Гц листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 в исходном состоянии и после нагрева при 85 °С в течение 1000 и 4000 ч приведены на рис. 4, 5. Представленные гра-
Ю"2 8 6
8 I
г
Ю-3 8
10"
X'
4
—А 4 О & 1 •
4> •
с£
(Т Я гЬ ' в
• т *
12 14 16 18 20
24
28 32 36 40 АК, МПа • л/м
ю-1 8 6
10 "2 8 6
10"
А
Й"
с
л 1 О
д' • г1
1 • 1 0 • О ) О
Л д • л—о1
• о
Г
о о
13 15 17 19
22 б
26
30 34 38 АК, МПа • т/м
Рис. 4. Зависимость скорости роста усталостной трещины от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК в листах из сплава 1424Т1 продольного направления в 3,5 %-м растворе NaCl после различной продолжительности нагрева при 85 °С: О; •; А - 0, 1000, 4000 ч соответственно; а - частота испытаний 8,0 Гц; б - 0,03 Гц
8 I
г
Ю"2 8 6
ю-3 8
10"
о Д •
п * •
о; о Д Д • •
г>< О г
г
о
и
• •
12 14 16 18 20
24
б
28 32 36 40 АК, МПа • л/м
Рис. 5. Зависимость скорости роста усталостной трещины от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК в листах из сплава 2024Т351 продольного направления в 3,5 %-м растворе NaCl после различной продолжительности нагрева при 85 С: О; •; А - 0, 1000, 4000 ч соответственно; а - частота испытаний 8,0 Гц; б - 0,03 Гц
фики не дают основания считать, что низкотемпературные нагревы отрицательно сказываются на СРТУ листов из обоих сплавов - кривые находятся в пределах рассеяния, возможного при испытании однотипных образцов.
Таким образом, изменение среды испытания на СРТУ с воздуха на 3,5 %-й раствор №С! по-разному влияет на листы из сплавов 2024Т351 и 1424Т1. Диаграмма циклической трещиностойкости листов из сплава 2024Т351 мало изменилась, тогда как СРТУ листов из сплава 1424Т1 при низких частотах испытаний заметно возросла. Помимо принципиальных отличий по химическому составу (система А1-Си-Мд и система А!-Мд^1) листы отличаются зеренной структурой. Листы из сплава 2024Т351 имеют рекристаллизованную структуру, а листы из сплава 1424Т1 полигонизо-ванную с хорошо развитой субзеренной структурой. Границы субзерен являются местами предпочтительного выделения фазы 5' (А^1), которая охрупчивает субграницы. Отметим, что при формировании в полуфабрикатах 100 %-й полигонизованной структуры вязкость разрушения плит и листов из сплавов 1450Т1, 1460Т1 может уменьшиться в несколько раз по сравнению с полуфабрикатами с деформированной или рекристаллизованной структурой [2, 3]. На наш взгляд, увеличение СРТУ листов из сплава 1424Т1 при испытании в 3,5 %-м растворе ЫаС! обусловлено наличием полигонизованной структуры. При получении листов с рекристаллизованной структурой такого сильного роста СРТУ не произошло бы. Поэтому добавка скандия в сплаве 1424, повышающая температуру рекристаллизации и
способствующая формированию полигонизо-ванной структуры в деформированных полуфабрикатах, является нежелательной.
Заключение
Проведены испытания на циклическую тре-щиностойкость листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 в 3,5 %-м растворе ЫаС!. Скорость развития усталостной трещины в листах из сплава 1424Т1 заметно увеличилась по сравнению с СРТУ, определенной на воздухе, в то время как СРТУ листов из сплава 2024Т351 изменилась незначительно. Под влиянием 3,5 %-го раствора ЫаС! изменяется вид диаграммы циклической трещиностойкости - исчезает участок замедления СРТУ, связанный с ветвлением усталостной трещины, которая не отклоняется от магистрального направления. Макроизлом прямой, строго в плоскости надреза по границам субзерен.
Сильное влияние коррозионной среды на СРТУ листов из сплава 1424Т1 авторы объясняют их полигонизованной (субзеренной) структурой с выделенной на субграницах фазой 5' (А^1), способствующей их охрупчи-ванию, в особенности, при взаимодействии с 3,5 %-м раствором ЫаС!.
Учитывая результаты настоящего исследования и принимая во внимание работы [2, 3], для избежания охрупчивания полуфабрикаты из алюминиево-литиевых сплавов целесообразно получать с полностью рекристаллизо-ванной структурой.
Добавка скандия к алюминиево-литиевым сплавам является нежелательной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Швечков Е.И., Захаров В.В. Влияние длительных низкотемпературных нагревов на механические свойства и характеристики трещиностойкости листов из сплавов 1424Т1 и 2024Т351 // Технология легких сплавов. 2021. № 4. С. 22-30.
2. Ростова Т.Д. Некоторые особенности разрушения катаных полуфабрикатов из алюминиево-
литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1997. № 1. С. 40-43.
3. Елагин В.И., Ростова Т.Д., Захаров В.В. Получение листов с регламентированной структурой из алюминиево-литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1997. № 1. С. 44-47.
REFERENCES
1. Shvechkov Ye.I., Zakharov V.V. Vliyaniye dlitel'nykh nizkotemperaturnykh nagrevov na mekhanicheskiye svoystva i kharakteristiki treshchinostoykosti listov iz splavov 1424T1 i 2024T351 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 4. S. 22-30.
2. Rostova T.D. Nekotoryye osobennosti razrusheniya katanykh polufabrikatov iz alyuminiyevo-litiyevykh
splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 1. S. 40-43.
3. Yelagin V.I., Rostova T.D., Zakharov V.V. Polu-cheniye listov s reglamentirovannoy strukturoy iz alyuminiyevo-litiyevykh splavov // Tekhnologiya lyog-kikh splavov. 1997. № 1. S. 44-47.
