автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Связь термической обработки, самоорганизации структуры, предельных характеристик и критериев синергетики с поведением сплавов систем АI-LI, Аl- Сu-Mg, Al-Zn-Мg-Сu

/ч

^НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

■ч

На правах рукописи

СОРОКИНА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

СВЯЗЬ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, САМООРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ,

ПРЕДЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И КРИТЕРИЕВ СИНЕРГЕТИКИ С ПОВЕДЕНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМ А1- и, А1 • Си -Ид, А! - 2п - Мд - Си •

05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1997

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В-АСкуднов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Д.И. Шетулов (г. Нижний Новгород); кандидат технических наук Р.Б. Глинер (г. Нижний Новгород), зам. гл. металлурга ОАО ГАЗ.

Ведущая организация - АО 'Гидромаш" (г. Нижний Новгород) Защита диссертации состоится декабря 1997 года в /Я часов на. заседании диссертационного Совета Д 063.85.08 Нижегородского государственного технического университета по адресу: 603600, Н.Новгород, ул. Минина,24, корп.1, ауд.1258. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного ;ехнического университета

Автореферат разослан 'fS' 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совете, кандидат технических науклюцент

В.А. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тема "Алюминиевые деформированные сплавы пониженной плотности ' входит в раздел "Металлические материалы" Государственной научно-технической программы "Перспективные материалы". Различие в составах и структурах материалов на основе алюминия обуславливает различные уровни свойств и характер поведения в конструкции. По прежнему остаются актуальными вопросы обеспечения надежности, , долговечности, выносливости, трещиностойкости деталей машин, прогнозирования работоспособности технических объектов из алюминиевых и прочих материалов. Предметом научного интереса являются сплавы алюминия с литием, обладающие большой прочностью и меньшей удельной массой, чем стандартные широко применяемые сплавы алюминия.

Теоретические свойства конструкционных материалов на практике значительно отличаются от свойств реальной конструкции.. На всем цикле производства материала, от его изготовления ( литья) до механической, обработки может наблюдаться изменение механических свойств, зависящее от многих причин. Работоспособность материала падает. Существует предположение, что определяющим фактором работоспособности изделий является исчерпание запаса его пластичности. Этим обосновывается важность теоретических исследований природы прочности и пластичности материала, физических явлений, протекающих в нем при определенных температурно- временных или температурно-деформационных циклах. Существующие методы исследования материалов недостаточно полно оценивают сопротивляемость материала разрушению в процессе эксплуатации. Поэтому нужны новые методики, позволяющие оценить работоспособность изделий на основе связи характеристик предельного состояния. Перспективным представляется метод построения многопараметрических математических моделей, ' позволяющий обеспечить оперативный прогноз поведения материала при помощи вычислительной машины. Проблемными вопросами являются накопление повреждений в материале, изменение его . плотности в процессе нагружения, способность к релаксации в различных напряженно-деформированных состояниях. Решение этих вопросов должно облегчить понимание процессов, идущих в материале во времени, а значит, создать возможность прогнозирования его поведения в процессе службы, выбора оптимального процесса его изготовления и правильной эксплуатации. Реально оценить работоспособность материала возможно лишь при комплексной программе исследований, охватывающей технологию.. изготовления , механические свойства материала, заданные его химическим составом, уровень дефектности материала, склонность его к релаксации внутренних напряжений и нестабильность структур.

Эти факторы характеризуют состав, структуру и свойства материала, т.е. его состояние. Реакцию материала на внешнее воздействие выявляет приложенное к детали напряженное состояние.

Проблема прогнозирования работоспособности может быть решена с позиций предельного состояния, одной из важнейших характеристик которого является удельная энергия предельной деформации. Эта величина входит а число новых параметров синергетики, есть сложная вероятностная функция, зависящая от структурно-энергетического, напряженно-деформированного состояния, релаксационной способности и дефектности материала. Для решения этой функции необходимо провести целый комплекс испытаний и расчетов.

Стандартные механические характеристики, определяемые при кратковременных статических испытаниях, не всегда отражают сложные изменения, происходящие в материале во времени. Для того, чтобы учесть этот фактор, требуется новый подход, развиваемый синергетикой. Суть его состоит в представлении материала как открытой термодинамической системы, находящейся а состоянии далеком от равновесия; постоянно самоподстраивающейся и эволюционирующей во взаимоотношениях с окружающей средой. Системный подход, составляющий основу современного научного направления - синергетики занимается изучением систем, состоящих из подсистем самой различной природы. Такие подсистемы приводят к возникновению пространственных, временных или пространственно-временных структур в макроскопических масштабах ( явление самоорганизации).

Синергетика вводит общий принцип подчинения, дающий возможность в сложных системах исключить большое количество переменных и свести задачу к решению небольшого количества переменных, играющих роль параметров порядка.. К числу таких параметров можно отнести перечисленные выше дефектность, прочность, релаксацию напряжений, напряженно-деформированное состояние. В металловедении, физике металлов, теории термической обработки и

■ практика механических испытаний эти параметры, как правило, изучаются раздельно.

Цель работы. Комплексное изучение определяющих поведение параметров у ряда алюминиевых сплавов в закаленном, естественно и искусственно состар* ином состоянии, получение новых соотношений и комплексных величин и

■ прогнозирование на их основе закономерностей изменения параметров разрушения (зарождения и роста трещин), что особенно важно для алюминиевых сплавов пониженной плотности.

Научная новизна диссертации заключается в исследовании:

1) характера поведения предельной пластичности. высокопрочных алюминиевых сплавов в разных структурных состояниях и анализ соотношений углов наклона кривой предельной пластичности к оси напряженных состояний и связи с процессами трещинообразования в материалах;

2) влияния жесткости напряженного состояния на поведение одной из важнейших характеристик работоспособности - удельной энергии предельной деформации \Л/с и обоснование важности ее критического значения;

3) влияния химического состава и структуры на способность к релаксации внутренних напряжений, выявление корреляций между изменениями механизмов процесса релаксации и характеристиками долговременной прочности; '

4) использования критериев синергетики для описания сопротивления разрушению алюминиевых сплавов и выбора оптимальных для надежной работы структурных состояний.

Практическая ценность работы заключается: 1) в предложенной методике ускоренного определения предела выносливости для алюминиевых сплавов при помощи математической модели, включающей в себя показатели основных внутренних факторов, определяющих сопротивление разрушению и 2) оценке самоорганизации структуры сплавов для создания эффективных технологических процессов изготовления деталей и выбора оптимального структурного состояния. Синергетический подход в металловедении позволяет по-новому рассмотреть эволюцию структуры сплавов в различных структурных состояниях. Металл под нагрузкой проходит ряд стохастических превращений до порога его неустойчивости. В работе показано, что для описания такого порога может служить критическая величина \Л/с, по достижении которой сплав испытывает самопроизвольный процесс структурной самоорганизации, что важно для прогнозирования эксплуатационных ' характеристик. В работе подтверждено положение о существовании диапазона критического показателя напряженного состояния, общего для сплавов на одной основе. Для алюминиевых сплавов критическое напряженное состояние* реализуется при Пмех от 2 до 3.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Определение местонахождения сплавов систем А1-и, А1-Си-Мд, А!-гп-Мд-Си на диаграмме структурно-энергетического состояния легких сплавов и обоснование

их взаимозаменяемости. /

2. Экспериментально установленные закономерности поведения предельных характеристик сплавов 1420, Д16, Д19, ВЭ5 после различных термообработок а)закалка, б) закалка + естественное старение, в) закалка +■ искусственное старение, обеспечивающих формирование разных структур.

3. Результаты расчетов предельных характеристик алюминиевых сплавов пониженной плотности как наиболее перспективных для авиастроения.

4. Экспериментально установленные зависимости релаксационной способности как характеристики скорости самоорганизации структуры сплавов 1420, Д16, Д19,

. В95

в различных структурных состояниях, описание протекания микропластической деформации в этих сплавах.

5. Результаты расчетов новых критериев синергетики и их применение для оптимального выбора структурного состояния сплавов.

6. Расчетная математическая модель для прогнозирования предела выносливости алюминиевых сплавов.

7. Теоретически установленная связь между скоростью нагружения материала и его способностью к релаксации, позволяющая прогнозировать предел выносливости.

Апробация работы. Основные теоретические положения и материалы диссертации обсуждались на международной научно-технической российско- -германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных материалов" (г. Санкт-Петербург, май 1995 г.), международном научно-техническом семинаре "Совремееное металловедение для машиностроения* (г. Нижний Новгород, май 1996 г.) на научно-технической конференции "Проблемы машиноведения" (г. Нижний Новгород, январь 1997 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и списка литературы из № источников. Работа состоит из ¿¥0 страниц текста, рисунков, таблиц. Общий объем составляет

страниц, приложение.'

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '• '

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована ' цель исследования и приведен краткий обзор темы.

В первой главе приводится обзор литературных данных по состоянию изучаемой проблемы, дан анализ различных подходов к описанию поведения материалов и факторов, влияющих на него. Проведенный литературный • озор показал, что:

1. Алюминиевые сплавы остаются перспективными материалами ( см. Государственную программу), из них сплавы с пониженной плотностью представляют большой интерес для создания экономичной и надежной техники.

2. Для оценки работоспособности алюминиевых сплавов после различных видов термической обработки используется целый ряд механических характеристик и множество разрозненных. показателей состояния и поведения сплавов: конструктивной прочности (при разовой нагрузке), длительной прочности

6

(во времени), поврежденное™ до критической величины и т.д.

3. Анализ работ многих авторов показал, что для оценки состояния,

следовательно, работоспособности пригоден комплекс УУс + или НВ,_____

однако многообразие материалов ( часто имеющих одинаковую твердость ) и недостаточность и дороговизна проведения экспериментальных исследований

не .

дают пока однозначного ответа на вопрос о связи параметров состояния с трещиностойкостью и живучестью.

4. Между тем для оценки работоспособности алюминиевых сплавов требуется системный подход, который позволял бы учитывать состав, структурно-энергетическое состояние , релаксационную способность, дефектность и напряженно-деформируемое состояние в конкретных изделиях с помощью небольшого числа комплексных показателей.

5. В литературе встречается много описаний стадий зарождения и роста трещин и попыток оценки их соотношений, но роль структурных факторов Например, размера зерна), термической обработки, напряженно-деформируемого состояния , дефектности оценена недостаточно.

- 6. Отмечена важная роль величины предельной удельной энергии деформации УУс, в частности ■ в уравнении , Пэриса-Эрдогана, ■ описывающего скорость распространения трещин, однако для алюминиевых сплавов ее роль не изучена ни при линейной схеме деформации, ни при сложном напряженном состоянии, которое типично для изделий техники. Неизвестна ее связь со структурой и видами термической обработки.

7. Из приведенных литературных данных следует, что для оценки состояния и поведения высокоресурсных алюминиевых сплавов используется множество разрозненных показателей физико-механических свойств. Анализ работ многих авторов показал, что для оценки состояния, в том числе трещиносгойкости и безопасной повреждаемости, пригодно определение энергетического критерия

и силового критерия К| - коэффициента интенсивности напряжений. Однако связь работоспособности и надежности материала в конструкции с его структурно-энергетическим и напряженным состоянием разработана недостаточно.

8. Среди множества внутренних факторов состояния и механических характеристик сплавов можно выделить три: 1) энергетический - структурно-энергетическое состояние, определяющее твердость ( прочность ) сплавов, зависящее от морфологии структур ( количества и распределения структурных составляющих ); 2) геометрический - степень разрыхления материала ( количество, форма, распределение включений, пор, загрязнений, являющихся микро-, субмикро-, макродефектами ); 3) временной - релаксация внутренних напряжений. Внешним фактором, активизирующим резкцию структуры, является приложенное (созданное) напряженно-деформируемое состояние - силовой фактор.

9. Модели связи параметров состояния с параметрами разрушения автору неизвестны.

Исходя из анализа литературных работ по данному направлению была определена цель иследования и составлена программа работ.

Целью настоящей работы является:

1. Получить комплекс стандартных и специальных физико-механических характеристик, позволяющих оценить структурно-энергетическое состояние высокоресурсных алюминиевых сплавов Д16, Д19, В95, 1420 различных систем легирования,. занимающих на диаграмме структурно-энергетического состояния, основных алюминиевых сплавов соседние энергетические области.

2. Дать представление о соотношении стадий зарождения и развития трещины с точки зрения синергетики и влиянии различных структурных факторов, в том числе т, на их величину.

4. Оценить состояние исследуемых материалов в конкретных деталях и-конструкциях при различных нагрузках, длительности работы, физических й химических параметров напряженного состояния.

3. Создать комплексную методику прогнозирования работоспособности изделий из алюминиевых сплавов, учитывающую силовые, деформационные, временные и энергетические факторы, - основанную на построении многопараметрических математических моделей. 1

Для достижения указанной цели выполнена следующая программа работ.

1). Выбраны сплавы, виды термической обработки, типы испытаний и образцы.

2). Выбраны способы оценки релаксации напряжений для сплавов.

3). Выбран способ оценки дефектности материалов.

4). Выбраны методы оценки структуры сплавов.

: 5). Построены диаграммы предельного состояния, проанализированы новые уравнения для поведения предельных характеристик: удельной энергии предельной деформации, предельной пластичности, показателя чувствительности к надрезу, показателя структурно-энергетического состояния.

7). Рассчитаны новые критерии синергетики, характеризующие поведение материала на стадиях образования и роста трещин.

8). Применены указанные методы и показатели для анализа детая, й и конструкций из сплавов различной плотности и структуры и прогнозирования поведения и сопротивления разрушению

Во второй главе дается описание исследуемых материалов, методов их испытания и средств измерения, методов построения зависимостей и диаграмм, получаемые показатели состояния сплавов, математическая обработка результатов и расчет погрешности эксперимента. 8 :

Для решения поставленной задачи были изготовлены образцы круглого сечения гладкие и с кольцевыми выточками для моделирования напряженного состояния при показателях от 1 до 5,86 и миниатюрные цилиндрические образцы 03,5 мм длиной 7 мм для релаксационных испытаний из сплавов трех систем • легирования: 1420 - АМ-1, Д16 (высокопрочный дуралюмин) и Д19 ( дуралюмин с повышенной жаропрочностью) - АЮи-Мд , В95 ( универсальный высокопрочный сплав) - А1^п-Мд-Си. Был проведен анализ влияния режимов термической обработки на структуру, предельные и непредельные свойства сплавов, сделаны выводы о влиянии температурно-временных факторов на состояние сплавов.

Испытания на статическое растяжение проводились по отработанной методике, по результатам выполнены расчеты стандартных и нестандартных показателей состояния сплавов: <т0|2, ст., у, 8 , е"рзд, УУс, п при помощи компьютерной программы с определением погрешности эксперимента. На основе этих расчетов построены диаграммы предельного состояния также при помощи компьютерных программ. Приведены методики макро- и микроструктурных исследований, измерения исходной плотности и исследования релаксационной способности сплавов.,

В третьей главе приведены экспериментально полученные результаты механических испытаний, исследования релаксационной способности, определение исходной плотности, изучения микроструктуры и изломов сплавов 1420, Д16, Д19, В95 в различных структурных состояниях, а также приведены расчеты предельных характеристик сплавов пониженной плотности по литературным данным. Построены диаграммы поведения предельных характеристик материалов в зависимости от их напряженно-деформированного состояния, смоделированного на образцах для статического растяжения и диаграммы структурно-энергетического состояния сплавов алюминия восьми систем легирования, отражающие их место среди ае • 'ционных конструкционных материалов и области применения относительно друг друга. Рассчитаны новь» критерии синергетики, описывающие процессы диссипации энергии на стадиях зарождения и распространения трещины. . . Проанализирована, возможность прогнозирования поведения сплавов на основе синергетических характеристик. Проанализированы уравнения для изменения плотности материалов в процессе их жизни, взаимосвязь плотности со степенью разрыхления ма териала и другими важнейшими параметрами состояния.

Результаты влияния термической обработки на механические свойства сплавов приведены в табл.1,2.

Показатели механических свойств материала, полученные стандартными испытаниями на растяжение, йе гарантируют надежности и долговечности изделия, отражая лишь его прочность и пластичность при одноосном нагружении; на практике схемы напряже нно-деформированного состояния намного сложнее. Следовательно,

Таблица 1

Влияние термообработки на свойства сплавов 95, Д16Д19

марка режим ' ТО «Jo* ст., 8, «С. Wc,

МПа МПа % % с4*" МДж/м1

Д16Т закалка 505'' С, 96 ч. 250 410 15 30 0,357 117,8

Д16Т1 закалка 495 °С, 400 450 7 13 0,139 59

старение 190° С, 12ч

Д19Т закалка 500° С, 24 ч 280 460 23 42 0,545 201,6

В95Т1 закалка 470 сС, 550 580 8 12 0,128 72,3 '

старение 140 °С, 16ч

В95Т2 закалка 470 °С, 500 550 10 21 0,236 123,9

старение 115 °С, 6 ч,

старение 170 °С,12 ч

BS5T3 закалка 470 °С, 430 480 3 8 0,083 37,8

старение 115 °С,6 ч,

старение 180 °С, 15 ч

Таблица 2.

Влияние термообработки на свойства сплава 1420 (пруток 0 25 мм)

марка °0Л ст«*, ст«> с«, 6,% Wc, Псэс

МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МДж/м1

ТГ1 347 379 440 459 - - 528 520 4,8 1,5 8,5

359 385 4416 460 - 494 490 3,4 0,6 5 44,8

346 373 409 457 - 488 490 3,5 0,2 3,5

ТГ .259 276 304 350 439 505 462 478 12,9 2,8 22,8

257 279 307 355 440 513 477 476 11,1 2,6 19,8 38,3

239 256 279 323 405 479 485 429 10,3 10,7 35,6

Т 236 253. 274 318 406 482 487 445 12,4 9,6 57,6 36,5

237 252 283 324 405 475 490 442 13 10,6 59,4

236 254 277 319 402 488 440 12,3 9,8 58,7

механические испытания недостаточно информативны. Моделируя более сложные напряженные состояния при механических испытаниях , можно получить диаграммы предельного состояния, устанавливающие зависимости между показателем напряженного состояния и характеристиками прочности и пластичности.

ю "

Наиболее информативными являются диаграммы предельной пластичности, определяющие критическое напряженное состояние для данного сплава и характер расходования запаса пластичности в до- и за критических областях напряженного состояния. Левая более крутая ветвь диаграммы предельной пластичности отражает-интенсивное падение пластичности с ростом напряженного состояния, правая, более пологая, показывает, что после критического значения Пмех напряженное состояние не так активно влияет на исчерпание запаса пластичности.

По крутому участку диаграммы оценивается чувствительность сплавов к напряженному состоянию тц, (тангенс угла наклона ветви диаграммы к оси абсцисс).

Эта характеристика для высокопрочных алюминиевых сппгвов очень важна, так как их существенным недостатком является повышенная чувствительность к концентратору напряжений (например, обработанные на максимальную прочность образцы из сплавов 1420 и В95 при испытаниях на растяжение все имеют излом по точке нанесения базы).

Важной характеристикой работоспособности материала является величина а работе показано, что определяющей для прогнозирования долговечности материала является в-особенности значение ее при критическом напряженном состоянии. Впервые рассчитаны новые критерии синергетики для алюминиевых сплавов, описывающие поведение материала на стадиях. зарождения и роста трещин, позволяющие выбирать оптимальные структурные состояния для обеспечения надежности изделий. Измерена исходная плотность и проанализирована возможность ее изменения на основе анализа - уравнений предельных характеристик.

Проведены исследования релаксационной способности алюминиевых сплавов Д16, Д19, В95.1420 в области малых пластических деформаций. Подтверждены данные о многостадийности и нестабильности малых пластических деформаций, получены и проанашзирсззны данные о механизме процесса релаксации, выведены описывающие его уравнения, просчятаны иовые реологические параметры, позволяющие судить о характере поведения сплава 1420 при эксплуатации.

Приведены, структуры, исследованные на микроскопе МЕТАМРВ-23 и фотографии структур, полученных алектронномикроскопическими.. методами, проведен анализ изломов образцов с различным напряженно-деформированным состоянием.

В четвертой главе проанализированы уравнения связи предела текучести и сопротивления разрушению - фундаментальных характеристик 1 и 2-го

предельного состояния металлов - с четырьмя основными факторами состояния____

(Уровнем относительной ' твердости, соотношением скоростей релаксации напряжений и деформации, дефектности и напряженно-деформированным состоянием):

<Тг= Отовхр { ПСаСв^Ерх-Ер/Ея ) ( ЕПР*Я-Ео} (1)

о1С=а1[оехр{Псэс-ваПерх еР/Е«)(£прад-ео) (2)

где Сто, ал - исходные значения предела текучести и сопротивления разрушению соответственно, от которых ведется наблюдение их изменения;

Псэс - функция твердости по Бринеллю в заданном структурно-энергетическом состоянии олава, зависит от предела текучести основы сплава ( для технического алюминия ЗОМПа);

Срх - степень разрыхления при заданной механической схеме и условиях деформации. (температуре, скорости, степени);

П - показатель напряженного состояния;

а - коэффициент, учитывающий роль коэффициентов Лоде vfl, v„ ( вида деформации и напряжений) в очаге деформации и разрушения;

Ер- скорость релаксации внутренних напряжений; '

ей- скорость деформации;

so. ew- упругая и предельная пластические деформации .соответственно.

На основе анализа уравнений (1) и (2) получена аналитическая связь параметров, при которых предел текучести и сопротивление разрушению становятся равными, что обычно соответствует хрупкости.

Ер*ве<П (3)

Для алюминиевых сплавов рассчитано напряженное состояние, при котором а, и о, имеют близкие значения, то есть не гарантирующее эксплуатационной надежности деталей (см. табл.3).

Таблица 3.'

Связь степени разрыхления алюминиевых сплавов с напряженным состоянием

сплав р, г/см5 £рх * 1/ © - оП П

1420 2,43 0,27 1,31 . 2,62

1430 2,57 . 0,13 2,04 4,08

1440 2,56 0.14 1,96 3,92

1450 2.63 0,07 2,66 5,32

1460 2,59 0,11 2,21 4,42

Д16 2,86 0.101 2,29 4,58

Д1Э 2,78 0,08 2,53 5,05

В95 ' 2,95 0,26 3,85 2,7

Сущностью циклического нагружения можно считать конкуренцию скоростей нагружения и релаксации. Описание процессов, идущих в металле под нагрузкой, необходимо связывать с эволюцией дефектов. Пластическая деформация является причиной увеличения степени разрыхления материала. Из-за скопления дислокаций в полосах схольжения или около других структурных барьеров типа границ зерен, именно здесь образуются зародыши микротрещин и именно при развитии пластической деформации. Одновременно пластическая деформация служит очень эффективным средством для остановки развивающейся трещины. Породив трещину и двигая ее, пластическая деформация нейтрализует процесс разрушения путем релаксации напряжений.

Исходя из этого проанализирована связь между скоростями релаксации и деформации. Построены и сравнены зависимости, полученые при релаксационных испытаниях и кинетическая диаграмма усталости. Установлена связь между 'критическими напряжениями релаксации и характеристиками долговременной прочности.

Для оценки способности сплава к самоорганизации впервые для алюминиевых сплавов применены критерии синергетики (см. табл.4), учитывающие в отличие от механических свойств влияние времени на структуру материала под нагрузкой. Критерии позволяют делать оптимальный выбор сплава и его структурных состояний для конкретной конструкции. Так, сплавы Д16Т, Д19Т, 1420Т . имеют близкий предел текучести, на стадии образования трещины лучшими свойствами обладает сплав Д19Т (Пф max), худшими - сплав Д16Т (Пф min).

Таблица 4

Механические и диссипативные свойства алюминиевых . сплавов при зарождении и роста трещины.

Марка сплава вм. МПа we*, МДж/м3 Пф Тф, МПа2 Рхх, МПа3

Д16Т 255 . 61 0,237 15427' 3966525

Д19Т 257 96 0,374 24672 6332920

В95Т1 522 64. 0.123 33408 17438967

В95Т2 470 91 0,194 42770 20101900

1420Т 260 84 ,; 0,323 21840 5678400

1420ТГ1 343 48 0,140 16464 5647152

Для прогнозирования предела выносливости предложены следующие математические модели:

а) для деформируемых алюминиевых сплавов семи систем легирования были получены адекватные математические модели следующего вида: с-1 = ПНВ,У\/с, <р) и = 1 (Псэс,\Л/с,ф) 6} для высокопрочных алюминиевых сплавов, учитывающие временной фактор, исходную плотность и относительную твердость, а также критическое напряженно-деформированное состояние:

а., = -134,85 - 3,01488 № - 15,9579 Псэс + 283,076р + 6,715'105 Ур в) устанавливающая зависимость предела выносливости от критериев синергетики Пф (зарождение) и Тф (рост трещины), имеющая вид: о_, = 177,36 -174,5 Пф + 4,4 ' 10"5 Тф Модели являются адекватными и могут быть использованы для прогнозирования работоспособности высокопрочных алюминиевых сплавов.

В главе 5 приведена технология обработки деталей обшивки самолета из листов алюминиевых сплавов Д16. Одной из проблем технологии изготовления крупногабаритных деталей из листового металла является коробление и повадка после окончания технологического процесса деформации. Решение этой проблемы возможно на основе учета особенностей структурного и напряженно-деформированного состояния и понимания закономерностей самоорганизации структуры под нагрузкой.

Частной задачей, решенной с учетом структурных изменений материала во времени, является корректировка технологического процесса гибки (обтяжки) панелей обшивки, изготавливаемой из листа сплава Д16 толщиной 1,2 мм в. состояниилоставки Т (закалка + естественное старение). Обтяжка производится на штампах без контроля усилия. После снятия нагрузки более 50% деталей не соответствуют требовани ям ОТК из-за образования 'фестонов*, то есть не сохраняют заданную форму. Для выявления причин брака исследована способность сплава к релаксации внутренних напряжений, по результатам исследования разработан метод уточнения технологического процесса, обоснована возможность замены материала на более технологичный.

Формула для расчета времени выдержки при обтяжке Тв имеет следующий вид: Тв"ЕЕ/о,Ср , где (4)

где деформация е « 5 - относительному удлинению.

Следует отметить, что формула для назначения технологической выдержки рассчитана для случая одноосного растяжения гладкого плоского образца. Однако деталь , имеет сложное напряженно-деформированное состояние, поэтому на самом деле деформация должна рассчитываться по формуле, учитывающей и внешнюю 14

приложенную нагрузку, и внутреннее структурно-энергетическое состояние сплава: е = .(1пв,Л*о )/ПсэсевП

тогда формула дли расчета времени выдержки принимает следующий вид:

Та = (!пот/'стоЕ)/(Псзсе°п)ст„% (5)

Очевидно, что с увеличением напряженного состояния П детали время выдержки для релаксации напряжений будет уменьшаться, таким образом, выдержка, рассчитанная по упрощенной формуле (ЭД вполне обеспечит процесс самоподстройки структуры под на гружен не.

Детали, изготовленные с учетом корректировки техпроцесса, имеют высокую точность геометрической формы , метод позволяет эффективно использовать современную оснастку, сникает трудоемкость, устраняя' необходимость ручных доводочных работ.

ВЫВОДЫ. - .

Основные результаты работы следующие.

1.Решена научно-техническая задача установления связи:

- с одной стороны, состояния структуры алюминиевых сплавов систем АШ, А1-2п-Мд-Си, АЮи-Мд после термообработки по режимам 1) закалка, 2) закалка + естественное старение, 3) закалка + искуственное старение с самоорганизацией ео

. времени, завужящей от твердости;

- и с другой стороны, процессов разрушения и пластической деформации с поведением предельных характеристик и критериев синергетики, отражающих эволюцию структуры.

2. Учитывая, что пластическая деформация и разрушение являются сложными процессами, происходящими одновременно от момента приложения нагрузки, с помощью диаграмм предельного состояния в координатах с"5*4 - Пмах, М/с - Пмех показано, что в области напряженно-деформированных состояний от О до Пкр, соответствующего Коб < Оф, пластическая деформация доминирует над процессом разрушения, с момента равенства 1)об и иф (Пкр) доминирует разрушение.

3. На основании анализа диаграмм предельного состояния • определены значения \Мс при Пкр, соответствующем точке бифуркации, обозначенную пропорциональную К*:'. Поэтому критическая УУс* использована для моделирования поведения материала и для определения критериев синергетики.

4. На основании знания механических свойств и предельных характеристик сплавов в работе рассчитаны для алюминиевых сплавов Д16Т, Д1ЭТ, В95Т1, В95Т2, 1420Т, 1420ТГ1 новые двухпзраметрические синергетическиё критерии: при зарождении трещины Пф = f ОЛ'с.а, ) , и при росте трещины Тф =^(УУс*,а, }, позволяющие учесть особенности структуры и сравнивать сплавы.

.5. Составлены модели связи предела выносливости и предельных характеристик с учетом исходной дефектности сплавов и их самоорганизации.

6. Предложена новая технология обтяжки деталей из алюминиевых сплавов с учетом релаксационных параметров, позволившая исключить технологический брак, снизить трудоемкость.

7. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования составит по самолету типа "Гжель" от 1 млрд. 720млн. до 2 млрд. 150 млн. рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Скудное В А, Сорокина С А Влияние термической и пластической обработки на предельные характеристики и работоспособность металлических материалов. Тезисы докладов международной научно-техничесжой российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов", 17-19 мая 1995 г., С- Петербург. С.105-106.

2. Скудное ВА, Сорокина СА Разработка фундаментальных уравнения для характеристик предельного состояния металлов и сплавов и его применение для прогнозирования вязкости разрушения и работоспособности деталей машин и инструментов/ Отчет по гранту 1994-1996 г. по теме "Исследования в области фундаментальных проблем металлургии", НГТУ, 16 с. ГР 94-5.1-44, и на. № 119/95.

3. Скудное В.А., Сорокина СА О связи предельной удельной энергии деформации и предела выносливости деформируемых алюминиевых сплавов// МиТОМ-1996г.,№ 8, с.ЭО-34.

4. Скудное В А, Сорокина СА К вопросу о взаимосвязи дефектности структуры с напряженным состоянием высокотвердых материалов/ Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", 1997 г.,Н.Новгород. С.49.

5. Сорокина СА, Скудное ВА Прогнозирование работоспособности алюминиевых сплавов по характеристикам их предельных состояний/ Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", 1997 г.,Н.Новгород. С.88.

ГТодп. к печ. IU.II.97. Формат 60xS4 Vis. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л.1,0. Уч.-изд. л. 1,0 . Тираж-100 зхз. Заказ í|62.

Бесплатно._• ___._

Типография ШТУ. 603600, Н.Новгород, ул.Минина, 24.