CC BY
5
ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 620.16/17:668
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-2-83-89
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СКЛЕЕННЫХ ЛИСТОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Евгений Иванович Швечков, докт. техн. наук Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Приведены экспериментальные данные о долговечности соединения в виде металлической пластины с концентратором напряжений, усиленной приклеенной накладкой. Варьировали клеи с различными свойствами, металлический материал и толщины склеиваемых листов, режимы испытаний. Показано, что высокие характеристики сопротивления усталости клееных слоистых соединений обусловлены местным подкрепляющим эффектом накладки, приклеенной к пластине. Для количественной оценки влияния клея на долговечность на части образцов между листами создавали искусственный непроклей в области концентратора напряжений. Эффективность клея оценивали отношением долговечностей образцов без непроклея и с непроклеем. Клей характеризовали модулем сдвига. Лучшие усталостные характеристики обеспечили клеи с модулем сдвига G = 100-200 МПа.
Ключевые слова: клеевое соединение, накладка, пластина, непроклей, долговечность, местный подкрепляющий эффект, модуль сдвига клея
Interaction of Adhered Sheets under Cyclic Loading. Dr. of Sci. (Eng.) Evgeny I. Shvechkov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. Experimental data on the durability of a joint in the form of a metal plate with a stress concentrator reinforced with an adhrered lining pad is presented. Adhe-sives with different properties, metal material and thickness of sheets to be bonded, and test conditions were varied. It turned out that the high fatigue resistance characteristics of adhered laminated joints are resulted from the local supporting effect of the lining pad bonded to the plate. In order to quantify the influence of the adhesive on durability, an artificial starved spot was created in some specimens between the metal sheets in the area of the stress concentrator. The effectiveness of the adhesive was evaluated by the ratio of the durability of specimens with and without starved spot. The adhesive was characterized by the shear modulus. Adhesives having the shear modulus G within 100-200 MPa showed the best fatigue properties.
Key words: adhesive joint, lining pad, plate, starved spot, durability, local supporting effect, adhesive shear modulus
Введение
Клеевые соединения нашли применение в различных отраслях машиностроения, в том числе авиационной технике [1]. Это связанно с постоянно возрастающими требованиями к уменьшению веса летательных аппаратов, способствующими использованию тонких металлических обшивок, при соединении которых
процесс склеивания является более предпочтительным по сравнению с традиционными видами механического крепежа - клепкой и сваркой.
Клеевые соединения имеют и другие преимущества, основными из которых являются: - меньшая концентрация напряжений, увеличивающая сопротивление переменным нагрузкам;
Таблица 1 Механические свойства клеев при сдвиге
Марка клея Диапазон изменения модуля сдвига, МПа Разрушающие
напряжение, МПа деформация, %
ВК-25 10 16-28 140-200
ВК-9 + ВК-32-200 100-200 25-40 100-120
ВК-40 400-700 42-45 75-135
РМ-137 240-400 27-33 95-110
К391/1 300-650 30-39 40-90
ВБ1_-312 320-460 31-38 75-140
В81_-408 2000-3500 25-37 1,1-5,5
ВБ1_-403 2000-5000 20-30 2,4-4,7
- гладкая поверхность склеиваемых элементов, улучшающая аэродинамические характеристики несущих поверхностей летательных аппаратов;
- способность соединять самые разные материалы, отличающиеся по свойствам и размерам.
Широко используют клеи в композиционных материалах, нашедших применение в конструкции современных летательных аппаратов, а также в сотовых агрегатах для усиления наружных несущих слоев и крепления к ним сотовых блоков.
Склеивание применяют не только при изготовлении, но и ремонте авиационной техники. Это осуществляется путем присоединения накладок на участки конструкции, содержащие возникающие в процессе эксплуатации усталостные трещины или другие концентраторы напряжения [2, 3].
Методика испытаний
Образцы были выполнены в виде пластины с концентратором напряжений (прорезь или отверстие), усиленной приклеенной накладкой. Варьировали материал и толщину склеиваемых листов, режимы испытаний (уровень напряжений сттах, частота нагружения /), использовали клеи с различными механическими свойствами (табл. 1) [4].
Испытания вели с коэффициентом асимметрии цикла 1 = 0. На части образцов в области
концентратора напряжений создавали искусственный непроклей между пластиной и накладкой. На отдельных образцах проводили тензометрию. Датчики базой 5,0 и 10,0 мм наклеивали на целый лист (накладку) в нескольких сечениях, в том числе непосредственно над концентратором напряжений в пластине. Напряжения измеряли по мере продвижения в ней усталостной трещины. Определяли скорость ее роста.
Как правило, испытывали от 3 до 5 идентичных образцов при одинаковом режиме нагружения. Результаты испытаний статистически обрабатывали по методике [5] с определением средних значений N и средних квадратических отклонений Э|дМ.
Данные о материале образцов, используемых клеях и режимах нагружения содержатся ниже при описании таблиц с результатами испытаний.
Местный подкрепляющий эффект накладки, приклеенной к пластине с концентратором напряжений
Анализ полученных результатов показал, что высокие характеристики сопротивления усталости клееных слоистых соединений обусловлены взаимодействием склеенных листов в процессе циклического нагружения. При наличии в одном из них механического дефекта или усталостной трещины клеевой слой обеспечивает местное перераспределение нагрузки между листами в области повреждения, снижая концентрацию напряжений в поврежденном листе и ограничи-
вая раскрытие трещины, в результате чего замедляется скорость ее роста.
Благоприятное воздействие целого листа на снижение локальных напряжений в листе с концентратором, а также на ограничение раскрытия трещины и уменьшение скорости ее развития назовем местным подкрепляющим эффектом (МПЭ). На наличие МПЭ, в частности, указывают результаты тензометрии. Типовые эпюры распределения на-
пряжений в поперечном сечении накладки толщиной 1,0 мм на образцах из сплава В95Т (табл. 2) до момента образования усталостной трещины и по мере ее развития приведены на рис. 1. Непосредственно над концентратором имеется пик напряжений, который после появления и увеличения длины трещины становится более заметным. В отдельных случаях при наличии больших трещин отмечалось возрастание напряжений по сравне-
Таблица 2 Влияние размеров и материала накладок на долговечность клеевого соединения с композицией клеев ВК-9 + ВК-32-200 (пластина толщиной 4,5 мм изготовлена из сплава В95Т)
Номер п/п Размеры накладки, мм Материал накладки ата)0 МПа Число испытанных образцов N
1 100 6 98930 0,136
2 Без накладки 150 7 13700 0,140
3 200 5 4060 0,089
4 250 6 2000 0,150
5 150 3 28580 0,139
6 200 х 80 х 0,5 - 200 3 11740 0,104
7 250 5 6880 0,118
8 200 х 80 х 0,8 200 4 14660 0,117
9 250 4 7480 0,138
10 100 4 156850 0,049
11 200 х 80 х 1,0 150 4 49780 0,017
12 200 6 20940 0,131
13 250 10 9490 0,112
14 200 х 80 х 1,0 (с непроклеем) Д16АТ 150 5 29741 0,108
15 200 5 12703 0,073
16 250 5 5554 0,053
17 200 х 80 х 1,2 200 2 18500 -
18 250 4 9900 0,046
19 200 х 80 х 0,5 х 2,0 250 4 8170 0,083
20 200 х 80 х 0,5 х 3,0 250 3 11970 0,019
21 200 х 80 х 0,5 ОТ4 250 4 9280 0,047
22 200 х 80 х 0,5 1Х18Н10Т 250 3 8560 0,059
23 140 х 70 х 0,65 АБМ-1 250 4 10820 0,053
24* 200 х 80 х 1,0 Д16АТ 250 6 1183 0,154
25** 250 4 8239 0,105
* Накладка приклепана. ** Накладка приклеена и приклепана.
-в- -1
Рис. 1. Типовые эпюры напряжений в накладке над концентратором напряжений:
1 - без трещины в пластине; 2, 3 - длина трещины в пластине 6 и 30 мм соответственно
нию с первоначальными в 1,5-1,7 раза. Локальное повышение напряжений в накладке свидетельствует о разгрузке пластины. В сечениях накладки, удаленных от трещины на расстояние 10-15 мм, местные пики на эпюре напряжений уже отсутствовали.
Положительная роль МПЭ особенно заметна при сравнении данных о долговечности образцов с искусственным непроклеем и образцов, склеенных по всей площади (остальные параметры идентичны). Непроклей обеспечивали путем прокладывания ленты между пластиной и накладкой. Толщина ленты была равна толщине клеевого шва, а ширина - 30 мм. В соединениях с непроклеем МПЭ отсутствует, так как непосредственного контакта между листами нет, трещина развивается вне клеевой зоны, и ввиду этого ограничения раскрытия ее берегов и местного перераспределения усилий между листами не происходит. Анализ долговечности образцов с накладкой толщиной
МПа
300
200
Рис. 2. Влияние непроклея на циклическую долговечность:
1 - неусиленная пластина из сплава В95Т;
2 - пластина, усиленная накладкой с искусственным непроклеем;
3 - пластина, усиленная накладкой, приклеенной по всей площади
1,0 мм, приведенных в табл. 2, показал следующее. По сравнению с неусиленной пластиной число циклов до разрушения образцов без не-проклея возросло в 3,6-5,2 раза, тогда как при наличии непроклея соответствующее отношение уменьшилось до 2,2-3,1 раза (во втором случае возрастание долговечности образцов произошло только за счет увеличения их площади поперечного сечения).
Таким образом, в образцах, усиленных приклеенными накладками, по сравнению с образцами в виде неусиленной пластины имеют место два фактора, способствующие повышению долговечности, а именно местный подкрепляющий эффект и снижение общего уровня напряжений из-за увеличения площади сечения образца. На рис. 2 приведены графики, позволяющие количественно оценить влияние на долговечность каждого из этих факторов. Кривая 1 соответствует неусиленной пластине, кривые 2 и 3 - образцу с прямоугольной накладкой размером 200х80х1,0 мм, соответственно, с искусственным непроклеем и приклеенной по всей площади. Горизонтальный отрезок между кривой 1 и 2 характеризует возрастание долговечности вследствие общей разгрузки образца, а между кривыми 2 и 3 - за счет влияния местного подкрепляющего эффекта.
Влияние модуля сдвига клея на долговечность пластины, усиленной приклеенной накладкой
В клееных слоистых соединениях одна из основных функций клеевого шва состоит в перераспределении нагрузки между стыкуемыми листами при наличии в одном их них геометрического концентратора или возникшей от него усталостной трещины. Выполнение этой функции зависит от свойств клея, который будем характеризовать его модулем сдвига. Количественную оценку модуля сдвига клеев проводили с помощью коэффициента К = где М и М2 - числа циклов до разрушения образцов без непроклея и с непроклеем соответственно.
Непроклей можно рассматривать как клеевой шов «нулевой» жесткости.
Весь спектр исследованных клеев условно разбивали на четыре группы в зависимости от модуля сдвига:
1 - высокопластичный клей ВК-25 с модулем сдвига G = 10 МПа;
2 - клеи с G = 100-200 МПа (комбинация клеев ВК-9 + ВК-32-200);
3 - клеи с G = 300-700 МПа (ВК-40, BSL-312, FM-137, R-391/1);
4 - высокомодульные клеи с G l 2000 МПа (BSL-403, BSL-408).
Рассмотрим влияние на долговечность каждой группы клеев.
Анализ результатов испытаний образцов с высокопластичным клеем ВК-25 (табл. 3) показал, что при низкочастотном (f = 0,1-0,2 Гц) нагружении и высоком уровне напряжений (а = 250 МПа) использовать такие клеи нецелесообразно. Величина коэффициента К не превышала 1,16 раза. Неэффективность клея ВК-25 для этого режима испытаний объясняется тем, что при нагружении он существенно деформировался и не создавал местного подкрепляющего эффекта. Об этом, в частности, свидетельствовало отсутствие пика напряже-
ний в накладке в сечении концентратора. При более низком режиме нагружения и высокой частоте (а = 160 МПа, f = 40 Гц) коэффициент К возрастал, достигая для тонких (толщиной 0,5 мм) накладок величины 1,56. Таким образом, клеи первой группы могут быть использованы только при соединении тонких листов в тех агрегатах планера самолета, которые подвергаются высокочастотному, например, акустическому нагружению.
Композиция клеев второй группы ВК-9 + ВК-32-200 обеспечивала благоприятные условия для создания местного подкрепляющего эффекта (см. табл. 1). Ее использование приводило к существенному увеличению долговечности клеевого соединения как до момента образования усталостной трещины в пластине, так и на стадии ее развития. Это подтвердилось высокой остаточной долговечностью образцов, усиленных приклеенными накладками после появления трещины в пластине и наличием значительных пиков в эпюре напряжений в накладке в сечении концентратора. Зоны расслоений в клеевом шве этих образцов, как правило, отсутствовали, что дополнительно свидетельствовало об ограничении раскрытия берегов трещины,
Таблица 3 Влияние клея ВК-25 на долговечность клееного слоистого соединения (пластина толщиной 2,0 мм и накладки с толщинами 0,5; 1,0 и 1,5 мм из сплава Д16АТ)
Толщина накладки, мм Тип образца Режим испытаний Число образцов N S|gW
а, МПа f, Гц
0,5 без непроклея 160 40 5 183505 0,180
с непроклеем 5 117265 0,147
1,0 без непроклея 5 231952 0,141
с непроклеем 5 191464 0,050
1,5 без непроклея 5 276749 0,103
с непроклеем 5 241847 0,028
0,5 без непроклея 250 0,1-0,2 3 15976 -
с непроклеем 5 14660 0,094
1,0 без непроклея 2 20252 -
с непроклеем 3 17882 -
1,5 без непроклея 4 28688 0,021
с непроклеем 4 27027 0,074
снижении скорости ее роста и, как следствие, повышении долговечности.
Еще одним преимуществом композиции клеев ВК-9 + ВК-32-200 является то, что ее применение не требует нагрева обшивки конструкции. Здесь клей ВК-32-200 используется в качестве подслоя, наносимого на обшивку и пластину в холодном состоянии. Основным клеем является ВК-9, который также отвер-ждается без нагрева конструкции.
Эффективным средством для обеспечения местного подкрепляющего эффекта также служат клеи с модулем сдвига G = 300-700 МПа. Это следует из анализа результатов образцов, в которых использовались клеи ВК-40, ВБЬ312, РМ-137, К-391/1. Так, в последнем случае величина коэффициента К зависела от условий нагружения и в основном находилась в диапазоне К = 1,35-1,45 (табл. 4).
Применение клеев с модулем сдвига G > > 2000 МПа (ВБЬ-403, ВБ1_-408) не целесообразно, поскольку они разрушались практически первыми циклами нагружения даже при низких уровнях напряжений (отах = 100 МПа),
что ранее отмечалось [6] при испытании образцов, листы которых соединены внахлестку.
Место разрушения листов и состояние клеевого шва зависели от механических свойств клея. На большинстве образцов происходило совместное разрушение образцов в сечении концентратора. На некоторых образцах в основном тех, где использовался клей К-391/1, наблюдались случаи разрушения (расслоения) клеевого шва вокруг трещины в листе, которые способствовали снижению долговечности. Зоны расслоений имели форму эллипса и росли вместе с трещиной. На отдельных образцах разрушалась пластина вдоль кромки, образуемой стыком с накладкой.
Влияние размеров и материала накладки на долговечность слоистых соединений
Сравнение долговечности образцов с накладками равной толщины, состоящими из одного (^ = 1,0 мм) и двух (^ = 0,5 х 2 мм) слоев, показало некоторое (в 1,2 раза) преимущество первых (см. табл. 1), что объясняется недогрузкой внешнего слоя у вторых. Так, согласно данным тензометрии, максимумы эпюр напряжений в двухслойной накладке были значительно меньше, чем в однослойной. В трехслойной накладке они отсутствовали вообще. Таким образом, внешние слои многослойных накладок работают менее эффективно, чем внутренний, непосредственно прилегающий к поврежденному листу.
Существенное влияние на долговечность клееных слоистых соединений оказывает модуль упругости материала целого листа. Замена сплава Д16АТ на более высокомодульные материалы ОТ-4, АБМ-1, 1Х18Н10Т привела к увеличению долговечности в 1,3-1,7 раза, при этом значительно (в 2-3 раза) уменьшилась скорость роста усталостных трещин в листе с концентратором напряжений. В целом листе трещины не развивались.
На основе проведенных испытаний можно судить об эффективности различных способов крепления (клепка, сварка, склеивание) накладок на натурных агрегатах. Площадь поперечного сечения накладки в сравнении с суммарной площадью сечения конструкции в области повреждения, как правило, мала, и вследствие этого заметной общей разгрузки
Таблица 4 Влияние клеев BSL-312, FM-137, R-391/1 на долговечность клееного соединения (пластина толщиной 3,4 мм и накладка толщиной 1,0 мм изготовлена из сплава АК4АТ1)
Марка клея о, МПа 1, Гц Число образцов N
К-391/1 5 9772 0,049
ВБ1_-312 290 5 8246 0,057
РМ-137 0,1-0,2 5 9353 0,058
К-391/1 3 36740 -
ВБ1_-312 4 36278 0,121
РМ-137 200 3 39862 -
К-391/1 4 50783 0,076
ВБ1_-312 5,0 3 51146 -
РМ-137 3 52390 -
С искусственным 290 0,1-0,2 10 6808 0,064
200 2 25252 -
непроклеем 5,0 2 38260 -
агрегата не происходит. Эффективность накладки в конструкции определяется способом ее соединения с обшивкой, и из-за наличия местного подкрепляющего эффекта склеивание имеет несомненное преимущество перед точечным креплением. Кроме того, в заклепочных и сварных соединениях появляются дополнительные концентраторы напряжений, откуда также могут развиваться усталостные трещины. Об этом свидетельствуют результаты испытаний клепаных образцов (см. табл. 2), большая часть которых разрушилась в сечении по отверстиям под крайний ряд заклепок. Долговечность клепаных соединений лишь незначительно (примерно на 10 %) была выше, чем у неусиленных пластин. Числа циклов до разрушения клееклепаных и клееных образцов оказались близкими. Это связано с тем, что в обоих случаях обеспечивалось наличие местного подкрепляющего эффекта накладки и ее полное включение в передачу усилий.
Выводы
1. В работе была использована оригинальная и эффективная методика исследования. На части образцов между пластиной и накладкой создавали искусственный непроклей. Эффективность клея определяли из отношения долго-
вечностей образцов, склеенных по всей поверхности, и образцов с искусственным непроклеем в зоне концентратора напряжений. По остальным параметрам образцы были идентичны. Варьировали клеи с широким спектром свойств.
2. Высокие характеристики сопротивления усталости соединения в виде пластины с концентратором напряжений, усиленной приклеенной накладкой, обусловлены их взаимодействием при циклическом нагружении. Клеевой шов обеспечивает местное перераспределение нагрузки между листами, снижая концентрацию напряжений в пластине и ограничивая скорость развития в ней усталостной трещины.
3. В соединении типа пластины, усиленной приклеенной накладкой, преимущество имеют клеи с модулем сдвига G = 100-200 МПа. Обеспечивая местный подкрепляющий эффект в области повреждения, они создают невысокую концентрацию напряжений вдоль кромки, образуемой стыком листов, которая также является потенциальным местом разрушения.
4. Накладки из высокомодульных сплавов ОТ-4, АБМ-1 и стали 1Х18Н10Т по сравнению с накладками из сплава Д16АТ являются более эффективными. Внешние слои многослойных накладок нагружаются в меньшей степени, чем внутренний слой, непосредственно прилегающий к поврежденному листу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крысин В.Н. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении. М.: Машиностроение. 1980.
2. Михайлов П.И., Швечков Е.И., Лейбов В.Г., Жолковский С.Я. Влияние наклеенных накладок на долговечность авиационных конструкций / В сб.: Выносливость и ресурс авиационных конструкций. М.: ЦАГИ, 1973.
3. Швечков Е.И. Циклическая долговечность клееных слоистых соединений // Авиационная промышленность. 1984. № 9. С. 8-9.
4. Трунин Ю.П., Степнов Е.В. Методика получения диаграмм сдвига клееных композиций / В сб.: Труды научно-технической конференции по выносливости и ресурсу авиационных конструкций. М.: ЦАГИ, 1978.
5. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справ. М.: Машиностроение, 1985. 231 с.
6. Швечков Е.И. Закономерности разрушения и циклическая долговечность клееклепаных соединений // Машиноведение. 1984. № 2. С. 71-76.
REFERENCES
1. Krysin V.N. Sloistyye kleyenyye konstruktsii v samo-letostroyenii. M.: Mashinostroyeniye. 1980.
2. Mikhaylov P.I., Shvechkov Ye.I., Leybov V.G., Zholkovskiy S.Ya. Vliyaniye nakleyennykh nakladok na dolgovechnost' aviatsionnykh konstruktsiy / V sb.: Vynoslivost i resurs aviatsionnykh konstruktsiy. M.: TSAGI, 1973.
3. Shvechkov Ye.I. Tsiklicheskaya dolgovechnost kley-enykh sloistykh soyedineniy // Aviatsionnaya pro-myshlennost. 1984. № 9. S. 8-9.
4. Trunin Yu.P., Stepnov Ye.V. Metodika polucheniya diagramm sdviga kleyenykh kompozitsiy / V sb.: Trudy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii po vynoslivosti i resursu aviatsionnykh konstruktsiy. M.: TSAGI, 1978.
5. Stepnov M.N. Statisticheskiye metody obrabotki rezul'tatov mekhanicheskikh ispytaniy: Sprav. M.: Mashinostroyeniye, 1985. 231 s.
6. Shvechkov Ye.I. Zakonomernosti razrusheniya i tsiklicheskaya dolgovechnost' kleyeklepanykh soye-dineniy // Mashinovedeniye. 1984. № 2. S. 71-76.
