автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Влияние чистоты металла и степени холодной деформации на структуру и свойства листов и плит из алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg

На правах рукописи

Берстенев Владимир Владимирович

ВЛИЯНИЕ ЧИСТОТЫ МЕТАЛЛА И СТЕПЕНИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИСТОВ И ПЛИТ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫА-СиМ

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2004

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук, профессор Фридляндер И.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Арышенский В.Ю.

кандидат технических наук, профессор Уваров В.В.

Ведущая организация - Волжский филиал института металлургии и материаловедения имени АА Байкова РАН (ВФ ИМЕТ РАН)

Защита диссертации состоится " 9 " О."/? V 2004 г. на заседании диссертационного совета Д 212.215.03 в Самарском государственном аэрокосмическом университете, имени-СП. Королева по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат диссертации разослан " " -■¿/'¿^/'¿3- 12004г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Каргин В.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обшивка фюзеляжей и нижняя поверхность крыльев всех российских и зарубежных пассажирских и транспортных самолётов изготавливается из листов и плит сплавов типа дуралюмин (системы Al-Cu-Mg). Эти сплавы обладают средней прочностью, но высокой вязкостью разрушения (Кс) и малой скоростью развития усталостных трещин (СРТУ). Эти качества очень важны для фюзеляжей и крыльев самолёта, испытывающих динамические и акустические нагрузки от работы двигателей, повторные нагрузки при полётах в неспокойном воздухе, кроме того, при каждых взлётах и понижении внешнего атмосферного давления фюзеляжи раздуваются и при посадках снова сжимаются, что создаёт дополнительные нагрузки на фюзеляж и его обшивку. Необходимо также учитывать, что ресурс современных пассажирских и транспортных самолётов достигает 60 000 часов. В календарном году 8 760 часов, т.е. суммарное время пребывания самолёта в воздухе равно примерно семи годам. Естественно, что к обшивкам фюзеляжа, растянутым поверхностям крыльев предъявляется комплекс требований, гарантирующих надёжную работу, в том числе обеспечение мелкого зерна. В технических условиях этот пункт-формулируется так - при визуальном наблюдении зерно не должно быть видно, в практике, зерно не обнаруживается при его величине менее 100 - 200 мкм.

Реально в России листы и плиты для обшивки фюзеляжей и нижней поверхности крыльев изготавливаются из сплавов Д16, Д16ч и 1163. Помимо меди- и. магния в этих сплавах присутствует марганец, в качестве

антирекристаллизатора, и неизбежные примеси, в частности железо и кремний. Эти примеси оказывают значительное влияние на технологические и эксплуатационные характеристики сплавов, в особенности на Кс (вязкость разрушения). Поэтому представляется важным определить допустимое содержание этих примесей.

Листы поставляются после закалки и старепия (обозначение Т), либо в отожжённом состоянии (М - мягкий), плиты, как правило, только в закалённом и состаренном состоянии, их толщина меняется в пределах 15-80 мм.

В последние годы обострилась проблема крупного зерна, появляющегося на поверхности обшивочных листов из сплавов Д16ч и 1163, приводя к массовому браку. Такая структура обнаруживаете? прпппр^гг^нищ-нниом, она

ер С. НАЦИОНАЛЬНАЯ

приводит к ухудшению, как эксплуатационных сьоист^^фяездолог пшости

С.П«*?; ОЭ

листов при формообразовании из них деталей методом пластической деформации, приводя к шероховатости поверхности, так называемой апельсиновой корке.

Цель работы заключается в комплексном исследовании влияния различных факторов металлургического производства и чистоты металла, химического и фазового составов конструкционных сплавов Д16, Д16ч и 1163, сочетания разных степеней холодной деформации с различными типами отжигов и окончательной термической обработки на формирование зеренной структуры, обеспечивающей высокое качество листов и плит и мелкое зерно в готовых листах, производимых в закалённом и отожжённом состояниях.

Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведено комплексное исследование влияния чистоты металла, химического и фазового состава сплавов Д16, Д16ч и 1163 в сочетании со степенью холодной деформации и режимами отжигов на свойства плит и листов и величину зерна обшивочных листов для фюзеляжей самолётов.

2. Изучены эксплуатационные характеристики и влияние солнечного нагрева на свойства плит и листов сплавов Д16 и Д16ч.

3. Исследовано влияние степени холодной деформации при прокатке листов на величину зерна и установлена оптимальная граница деформации, необходимая для получения мелкого зерна.

4. Изучены закономерности влияния температуры и продолжительности режимов различных технологических отжигов на величину зерна, установлена температурная граница отжигов, разделяющая области мелкого и крупного зерна.

5. Установлена температурная (360 - 370°) и временная зависимость линейной скорости роста (л. ср.) границ зерна и скорости зарождения центров рекристаллизации (с.з.ц.), выше которой происходит интенсивный рост с.з.ц. и образуется мелкое зерно. Ниже этой температуры возникают крупные зёрна.

Для решения поставленных задач в работе использовались стандартные методы испытаний при растяжении при комнатной и повышенных температурах, на усталость, работу разрушения образца с заранее нанесённой трещиной, коррозионную стойкость; Испытания на выносливость производились при частоте 40 Гц(г2300 циклов/мин) и при 0,17 Гц (8 - 10 циклов/мин) при двух

уровнях напряжений 16 и 20 кгс/мм2. На малоцикловую выносливость испытыва-лись образцы с отверстием-5 мм при концентраторе напряжений а1[ =2,6 и с боковым надрезом при концентраторе напряжений ак =4,3 при напряжении равном 18 кгс/мм2.

Статическую прочность и ползучесть измеряли на долевых и плоских поперечных образцах с шириной рабочей части 20 мм. Испытания на скорость роста усталостной трещины, вязкость разрушения Кс проводили на продольных и поперечных образцах шириной 200 и длиной 600 мм с центральной сквозной трещиной.

Средний размер зерна изучали линейным методом, как среднее значение результатов измерений 50-100 зёрен, находящихся на секущей, проведённой на шлифах вдоль, поперёк направления деформации и под углом 45°. Для определения размера зерна шлифы оксидировали и смотрели в поляризованном свете.

Научная новизна работы состоит в том, что установлены:

1. Закономерности влияния химического и фазового состава алюминиевых сплавов Д16ч и 1163 на величину зерна в обшивочных листах:

2. Степень деформации при холодной прокатке листов, выше которой создаются условия для получения мелкого зерна:

3. Температурные и деформационные границы, выше которых происходит интенсивный рост скорости зарождения центров (с.з.ц.) рекристаллизации зёрен и обеспечивается образование мелких зёрен в листах, поставляемых в отожжённом состоянии (М):

4. Закономерности образования зёрен в листах, поставляемых в закалённом и состаренном состоянии (Т).

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Показана практическая возможность использования сплавов Д16ч и 1163 определённого химического и фазового состава для получения листов и плит с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими их надёжное применение для низа крыла самолётов и обшивки фюзеляжей.

2. Установлены- деформационные и температурно-временные режимы производства листов, обеспечивающие образование мелких зёрен при поставке листов в отожжённом состоянии (М) в соответствии с требованиями стандартов.

3. Подтверждены температурно-временные режимы закалки, обеспечивающие получение листов с мелким зерном в состоянии после закалки и старения (Т).

Апробация работы и публикации. Диссертация в целом представляет собой обобщение материалов, опубликованных работ. Материалы неоднократно обсуждались на технических совещаниях предприятий авиационной промышленности и на международных конференциях по алюминиевым сплавам. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 51 наименование. Диссертация изложена на 82 страницах текста, содержит 33 рисунка и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе обзора литературы обоснована ее актуальность, определена цель работы и круг решаемых задач, отмечена ее практическая направленность и научная новизна.

В первой главе приведен химический и фазовый состав сплавов системы А^-Сы-М§, отражены закономерности изменения свойств в свежезакаленном и состаренном состояниях. Как показал анализ, значительное влияние на формирование мелкого зерна влияет степень- деформации и режимы термообработки, чистота металла. Особое влияние обращено на процессы полигонизации, первичной' рекристаллизации и собирательной рекристаллизации, определяющих конечные свойства листов и плит.

Во второй главе исследовано влияние чистоты металла на свойства листов сплавов Al-Cu-Mg. Материалом для исследования являлись плакированные листы толщиной 1,5 мм двух плавок: одной - чистой по примесям железа и кремния, второй - с серийным содержанием железа и кремния, табл.1. Таблица 1 - Химический состав исследуемых партий листов

№ обр. Марка сплава* Содержание элементов, %

Си ме Мп Бе А1

1 Д16пч 4,4 1,37 0,54 0,12 0,07 основа

2 Д16ч 4,4 1,6 0,5 0,23 0,16

3 Д16 4,4 1,5 0,51 0,33 0,34' -«-

* пч - повышенной чистоты по содержанию Fe и Si. ч - чистые по содержанию Fe и Si.

Испытания на кратковременное растяжение и работу разрушения образцов с трещиной при комнатной температуре приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2 - Механические свойства листов из сплавов Д16пч, Д16ч, Д16

Марка сплава Состояние Механические свойства при растяжении

кгс!ммг с. кгс/мм1 "ту кгс/мм1

Д1бпч Т(естеств. старение) 30,7 45,2 20,8 1,29

Д16ч 31,7 46,1 21,0 1,34

Д16 30,3 44,9 22,4 0,94

Д16пч Т1 (190°-12час) 40,2 45,4 7,3 0,85

Д16ч 40,6 44,6 6,0 0,66

Д16 41,1 44,9 - 0,78

Листы сплавов Д16пч, Д16ч имеют преимущество по работе разрушения образцов с заранее созданной толщиной по сравнению с листами из сплава Д16. Таблица 3 - Механические свойства листов после нагревов

Марка Т-ра Длительность выдержки, час

сплава на- 1000 5000

грева °С кгам^ ХГС/т^ 3,% «ТУ КГС/мм* КГС/мм' ИТС/мм* 5'А аТУ КГС/мм*

Д16пч 70 31,5 45,3 7,6 0,79 41,8 46,6 7,2 0,87

Д16ч 31,0 44,8 8,0 0,73 41,1 45,4 7,2 0,65

Д16 30,5 44,4 8,0 0,88 40,7 45,3 7,5 0,63

Из результатов испытания механических свойств при комнатной температуре после нагревов при повышенных температурах видно, что некоторое преимущество по прочностным характеристикам имеют листы марки Д16пч после соответствующих нагревов по сравнению с листами марок Д16ч и Д1б (табл. 3).

Нагревы при 70°С в течение 1000 ч имитируют солнечные нагревы и приводят к снижению, а после 5000 ч к существенному увеличению предела текучести и снижению удлинения. Сплав переходит в состояние искусственного

старения, при этом сплав Д16пч по а„ сохраняет преимущество перед сплавом обычной чистоты (Д16) по примесям Fe и Si. Сплав повышенной чистоты по (Д16пч) имеет преимущества по малоцикловой усталости и его следует предпочесть при производстве листов сплаву обычной чистоты (табл. 4).

Таблица 4 - Результаты испытания листов сплавов Д16пч и Д16 при повторно статических нагружениях

Марка сплава Число повторных нагружений до разрушения при <т= 18 кгс/мм2, аж~ 4,3

Д16пч 10063 Среднее

11110 10292

10591

Д16 8623 Среднее

8705 8479

10435

Испытания на выносливость производились на образцах с коэффициентом напряжений равном изготовленных из листов сплава Д16ч вдоль и

поперёк направления прокатки (табл. 5). Испытания производились при частоте 40 Гц (-2300 циклов/мин) и при 0,17 Гц (8 -10 циклов/мин).

Таблица 5 - Долговечность образцов из сплава Д1бч с трещиной (/, =4)

вдоль

а яовя юе/лш1 ЛГг при /=2мм Частота, Гц

1 2 3 4 5

16 14117-18462 16289 10225-12500 11360 3892-5962 4929 0,17

16 24400-30100 26800 12650-15900 15650 11150-14200 11750 40

12 55000 - 77600 73400 31900-48400 48200 23100- 29400 25000 40

8 220300 - 413700 324500-1480000 65900-89200 40

405400 324500 72300

Помимо полной долговечности (Ык) определялась долговечность до образования усталостной трещины равной 2 мм ( в обе стороны) (Ы) и длительность роста трещины (Л^) от 1 мм до окончательного разрушения (К полное число циклов до разрушения).

Для измерения длины усталостной трещины на поверхности образцов по обе стороны от надреза наклеивались фольговые восьми нитевые датчики трещины, которые с помощью специального прибора позволяли автоматически измерять длину трещины в зависимости от числа циклов.

Число циклов до разрушения и долговечность до образования усталостной трещины при 1=2 мм (по обе стороны по 1 мм) N вдоль направления прокатки выше, чем поперёк направления прокатки, табл. 5.

Всесторонние исследования листов из сплавов Д16пч, Д16ч и Д16 показывают значительные преимущества сплавов повышенной чистоты Д16пч и Д16ч, на которые следует ориентировать производство взамен сплава Д16

В третьей главе исследовано влияния чистоты металла на свойства плит из сплавов системы Al-Cu-Mg. Изучалась катаная и ковано-катаная плиты из сплавов Д16 и Д16ч размером 35x1400x7500 мм. Химический состав исследуемых плит приведён в табл. 6.

Таблица 6 - Химический состав плит

Сплав Содержание элементов. %

Си Мп Мд Бе Бг 7л И №

Д16 4.7 0,45 1,6 0,38 0,24 — — —

Д16ч 4,3 0,52 1,67 0,09 0,05 <0,05 <0,009 <0,03

Закалка катаных и ковано катаных плит производилась из вертикальной закалочной печи по режиму: /=485-5000С, г= 55 мин, продолжительность нагрева до температуры закалки составила 5-6 час.

Механические свойства плит из сплавов Д16ч при испытаниях на растяжение после естественного и искусственного старения приведены в табл. 7.

Таблица 7- Свойства катаных плит из сплава Д16ч

Направление вырезки образца Режим старения Механические свойства

ав,кгс!ммг а^кге/мм1 з, %

Долевое(Д) Т 45,9- 49,9 46,5 31,4-33,8 32,2 16,3-20,6 18,0

Поперечное (П) 44,0-45,3 44,7 27,5-32,4 31,5 13,0-19,3 16,8

Высотное (В) 37,3-40,1 39,1 30,4-36,5 31,0 5,0-8,0 5,3

Долевое (Д) Т1 48,4-49,6 48,8 42,8-42,2 44,1 5,6-8,0 6,8

Поперечное (П) 47,0-48,0 47,7 43,0-46,2 44,3 6,0-6,0 6,0

Искусственное старение при 190°С (18ч) по сравнению с естественным приводит к повышению прочностных характеристик во всех трех направлениях на 2 - 4 кгс/мм2 и снижению относительного удлинения на 8 -10% в долевом и поперечном направлениях, и в 2 раза в высотном направлении. Что касается свойств по толщине плиты, то они значительно ниже свойств в двух направлениях (табл.8).

Таблица 8 - Выносливость ковано - катаных плит сплавов Д16 и Д16ч

Сплав Напряжение цикла, кгс/мм Частота нагружения ГГц Направление вырезки образцов - долевое, Число повторных нагружений до раз. рушения, N

Д16ч 16 40 50700

Д16 35000

Выносливость и вязкость разрушения плит из сплава Д16ч существенно выше, чем у сплава Д16 (табл.9).

Таблица 9 - Вязкость разрушения катаных плит из сплавов Д 16ч и Д16

Направление вырезки образца Режим старения Кккгс!мм^

СплавД16ч

ДП Т 124-134,5 131,5

пд 103-133 120

дп Т1 73,5-81,0 131,5

ПД 68,7 - 73,5 70,4

Сплав Д16

ДП Т 107

ПД 86

ДП Т1 65,5

ПД 61,0

Малоцикловая усталость плит Д16ч в естественно состаренном состоянии выше, чем после искусственного старения (табл. 10).

Таблица 10 - Влияние режимов старения на малоцикловую усталость катаных плит из сплава Д16ч

Направление вырезки образца Число повторных нагружений до разрушения, N аг

Т Т1

Обоазцы с н< игоезом

Д 18 0,16 6433-9291 77820 6430 - 7184 6774 4,0

14 619180- 24722 21211 18100-20500 19031 4,0

П 18 0,16 8499-9937 8776 4605 - 7390 6096 4,0

По выносливости, вязкости разрушения и пластичности плиты из сплавов повышенной чистоты Д16ч и Д16пч существенно превосходят сплав Д16 обычной чистоты.

В четвертой главе приведены результаты исследования по влиянию степени холодной деформации и отжигов на величину зерна, рис. 1-6.

Из кривых следует, что для получения мелкого зерна с меньшей протяжённостью необходима степень деформации более 50%, значительное влияние при этом оказывает режим отжига. В частности отжиг при температуре 360°С дает существенно худшие результаты, чем отжиг при температурах 410 -430°С.

Проведено детальное исследование листов производства ОАО "Самарского металлургического завод". Мелкое зерно стабильно получается в закалённых листах, крупное зерно может образовываться при неправильно выбранных режимах отжига.

В заводской практике используется три типа отжигов: 1. Отжиг горячекатаных рулонов - так называемый предварительный отжиг; 2. Промежуточный отжиг в процессе холодной прокатки; 3. Окончательный отжиг готовых листов.

В работе исследовались различные комбинации предварительного и промежуточного отжигов и окончательной термической обработки табл. 11, рис. 6-7. Предварительные отжиги велись по режимам 410° - 30 мин, 360-20 мин. и 6 часов нагрев до 410°С. Окончательная термическая обработка велась по режимам: закалка и старение, отжиги 6 часов до 360°С; 11 часов до 360°С и 410°С 30 мин. Кроме того исследовались варианты с промежуточным отжигом по тем же режимам, что и при окончательной термической обработке и без промежуточного отжига.

В отсутствии промежуточного отжига после окончательной термической обработки закалки зерно всегда мелкое. В случае после отжига зерно укрупняется. Промежуточный отжиг по всем режимам окончательной термической обработки может привести к укрупнению зерна. Повышение температуры предварительного и окончательного отжигов до 410-420°С позволяет получать листы с мелкозернистой структурой.

Из рассмотренных различных вариантов установлена температурная граница в интервале 350-360°С, ниже которой скорость роста рекристаллизационных зерен повышает скорость образования центров рекристаллизации и при этом возникают крупные зерна. Выше установленной температурной границы скорость образования центров рекристаллизации идет более интенсивно и зерно получается мельче.

Рисунок 1 - Влияние режима отжига и степени деформации на средний размер микрозерна в листах Д16чМ

Рисунок 3 - Отжиг ЗбО'С-бч а) £=21%, б) s=74% X 100

Рисунок 4 -

Влияние температуры отжига и закалки на средний размер и число центров зерен 1 - число зерен; 2 - средний размер зерна

12 3 4

1- Закаленное состояние; Окончательный отжиг по режимам: 2 - 6ч до 360°С; 3 -11ч до 360°С; 4 - 410°С - 30 мин а - без предварительного отжига; б - предварительный отжиг 410°С - 30 мин, в - предварительный отжиг 360°С - 20 мин; г - предварительный отжиг до 410°С

Рисунок 5 - Влияние режима отжига горячекатаной заготовки на размер микрозерна в листах из сплава Д 16чAM после окончательного отжига по различным режимам (лист 23 мм)

Рисунок 7 - окончательный отжиг 6 ч до 360°С а) Без предварительного отжига б) Предварительный отжиг 4100С - 30 мин. х 100

Таблица 11 - Влияние предварительного, промежуточного и окончательного отжигов на размер микрозерна в листах из сплава Д16чА (после закалки)

Режим предварительного отжига горячекатаной заготовки 5 =7,5 мм Толщина холоднокатаного листа, мм Размер микрозерна, мхм Без промежуточного отжига С промежуточным отжигом: 6 ч до 360"

Режим окончательного отжига Режим окончательного отжига

Т1 М1 (6 ч до 360°С) М2 (11 ч до 360°С) МЗ (410°С-ЗОмин) Т1 М1 (6 ч до 360°С) М2(11 ч до 360°С) МЗ(410°С-ЗОмин)

410°С-30 мин, ^„=30°Сдо 260°С 2,3 Сред. 0 - 230 280 - - - - р

1,5 Сред. 0 - 300 350 90 60 - 470 120

360°С • 20 мин, охл.воздух 2,3 Сред. 0 - 100 170 70 - - -

1.5 Сред. 0 - 110 180 60 - 200 240 70

бч до410°С--30°Сдо 260°С 2,3 Сред. 0 - 190 120 60 70 - - -

1.5 Сред. 0 30 100 160 50 50 - 180 50

Без предварительного отжига 2,3 Сред. 0 60 340 500 110 60 300 300 80

Примечание: степень холодной деформации листа 5= 2,3 мм без промежуточного отжига 70% с промежуточным отжигом 56%

5= 1,5 мм без промежуточного отжига 80% с промежуточным отжигом 67%

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено всестороннее комплексное исследование листов я плит из сплавов различной чистоты-по содержанию примесей железа и кремния Д16пч, (повышенной чистоты) Д16ч (чистых), Д16 (обычной чистоты). Листы и плиты из этих сплавов являются основным материалом для изготовления обшивки фюзеляжей всех типов самолетов.

2. Показано, что листы из сплавов повышенной чистоты Д16пч и Д16ч имеют значительные преимущества перед сплавом обычной чистоты (Д16) по важнейшим эксплуатационным характеристикам - сопротивлению усталостным нагрузкам, скорости развития усталостной трещины. Для обшивки фюзеляжей всех типов самолетов рекомендуются сплавы повышенной чистоты Д16ч и Д16пч.

3. Показано, что по выносливости, вязкости разрушения и пластичности плиты из сплавов повышенной чистоты Д16пч и Д16ч существенно превосходят сплав Д16. Сплавы Д16пч и Д16ч рекомендуются для нижней поверхности крыльев самолётов.

4. Проведено детальное исследование влияния различных факторов - химического состава (основных компонентов и примесей), степени холодной деформации, различных видов термической обработки (закалки, отжигов) на величину зерна.

5. Существует большая зависимость величины зерна от степени холодной деформаций, лучшие результаты получаются у листов, прокатанных со степенью холодной деформации более 50%.

6. Повышение температуры предварительного и окончательного отжигов до 410 - 420°С позволяет надёжно получать листы с мелкозернистой структурой. Решающую роль в формировании оптимальной структуры играет окончательный отжиг; промежуточный отжиг может приводить к укрупнению зерна;

7. Установлена четкая температурная граница в районе 350 - 360°С, ниже которой скорость роста рекристаллизационных зёрен превышает скорость образования центров рекристаллизации, и при этом возникают крупные зёрна, выше установленной температурной границы скорость образования центров рекристаллизации идёт более интенсивно, и зерно получается мельче.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Fridlyander J.N., Tkachenko EA, Berstenev V.V., Cherepok G.V., Latush-kina L.V., a.o. Effect of Microstmcture on the Cracking Resistance Characteristics High-Strength Alloy: Proceedings of The 7-th International Conference Aluminium alloy (ICAA-7), Charlottesville, Virginia, USA, v.3 (2000).

2. Fridlyander J.N., Gmshko O.E., Berstenev V.V., Sheveleva L.M., Ivanova L.A.: Influence of Continuous and Discontinuous Recrystallization on the Properties of Cold-Rolled Sheets from Aluminium Alloys: Proceedings of The 8-th International Conference Aluminium alloy (ICAA-8), Cambridge, UK, v.3 (2002).

3. Фридляндер И.Н., Систер В.Г., Грушко OJE., Берстенев В.В. Алюминиевые сплавы - перспективный материал для автомобилестроения. МиТОМ №9, 2002С.З-10.

4. Фридляндер И.Н., Берстенев В.В., Ткаченко Е.А., Головизнина Г.М., Ланцова Л.П. Влияние термической обработки и деформации на величину зерна и механические свойства сплавов типа дюралюмин (Al-Cu-Mg). МиТОМ, №6,2003.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ВЛИЯНИЮ ЧИСТОТЫ МЕТАЛЛА И СТЕПЕНИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИСТОВ И ПЛИТ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Cu-Mg.

1.1 Химический и фазовый состав сплавов системы Al-Cu-Mg.

1.2 Закономерности изменения свойств в системе Al-Cu-Mg.

1.3 Термическая обработка.

1.4 Полигонизация.

1.5 Первичная рекристаллизация.

1.6 Собирательная рекристаллизация.

1.7 Разнозернистость и ее влияние на свойства листов из сплава Д16ч толщиной 4,5 мм.

1.8 Выводы. Цель работы, задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧИСТОТЫ МЕТАЛЛА НА СВОЙСТВА ЛИСТОВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Cu-Mg.

2.1 Методика исследования.

2.2 Микроструктура образцов листов в закаленном и состаренном состоянии.

2.3 Изменение механических свойств листов при солнечном нагреве.

2.4 Испытания на выносливость.

2.5 Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧИСТОТЫ МЕТАЛЛА НА СВОЙСТВА ПЛИТ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Cu-Mg.

3.1 Методика исследования.

3.2 Макро и микро структура катанных и ковано-катаных плит.

3.3 Механические свойства плит после естественного и искусственного старения.

3.4 Выносливость и вязкость разрушения плит.

3.5 Выводы.

4. ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОТЖИГОВ НА ВЕЛИЧИНУ ЗЕРНА.

4.1 Методика исследования.

4.2 Влияние степени холодной деформации на величину зерна.

4.3 Влияние отжигов на величину зерна.

4.4 Выводы.

Реально в России листы и плиты для обшивки фюзеляжей и нижней поверхности крыльев изготавливаются из сплавов Д16, Д16ч и 1163. Помимо меди и магния в этих сплавах присутствует марганец, в качестве антирекристаллизатора, и неизбежные примеси, в частности железо и кремний. Эти примеси оказывают значительное влияние на технологические и эксплуатационные характеристики сплавов, в особенности на Кс (вязкость разрушения). Поэтому представляется важным определить допустимое содержание этих примесей.

Листы поставляются после закалки и старения (обозначение Т), либо в отожжённом состоянии (М - мягкий), плиты, как правило, только в закалённом и состаренном состоянии, их толщина меняется в пределах 15 — 80 мм.

В последние годы обострилась проблема крупного зерна, появляющегося на поверхности обшивочных листов из сплавов Д16ч и 1163, приводя к массовому браку. Такая структура обнаруживается невооружённым глазом, она приводит к ухудшению, как эксплуатационных свойств, так и технологичности листов при формообразовании из них деталей методом пластической деформации, приводя к шероховатости поверхности, так называемой апельсиновой корке.

Цель работы

Комплексное исследование влияния различных факторов металлургического производства и чистоты металла, химического и фазового составов конструкционных сплавов Д16, Д16ч и 1163, сочетания разных степеней холодной деформации с различными типами отжигов и окончательной термической обработки на формирование зеренной структуры, обеспечивающей высокое качество листов и плит и мелкое зерно в готовых листах, производимых в закалённом и отожжённом состояниях.

Научная новизна работы

Комплексное исследование влияния чистоты металла, химического и фазового состава сплавов Д16, Д16ч и 1163 в сочетании со степенью холодной деформации и режимами отжигов на свойства плит и листов и величину зерна обшивочных листов для фюзеляжей самолётов.

1. Изучены эксплуатационные характеристики и влияние солнечного нагрева на свойства плит и листов сплавов Д16 и Д16ч.

2. Исследовано влияние степени холодной деформации при прокатке листов на величину зерна и установлена оптимальная граница деформации, необходимая для получения мелкого зерна.

3. Изучены закономерности влияния температуры и продолжительности режимов различных технологических отжигов на величину зерна, установлена температурная граница отжигов, разделяющая области мелкого и крупного зерна.

4. Установлена температурная (360 - 370°) и временная зависимость линейной скорости роста (л.с.р.) границ зерна и скорости зарождения центров рекристаллизации (с.з.ц.), выше которой происходит интенсивный рост (с.з.ц.) и образуется мелкое зерно. Ниже этой температуры возникают крупные зёрна.

Практическая ценность

1. Показана практическая возможность использования сплавов Д16ч и 1163 определённого химического и фазового состава для получения листов и плит с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими их надёжное применение для низа крыла самолётов и обшивки фюзеляжей.

2. Установлены деформационные и температурно-временные режимы производства листов, обеспечивающие образование мелких зёрен при поставке листов в отожжённом состоянии (М) в соответствии с требованиями стандартов.

3. Подтверждены температурно-временные режимы закалки, обеспечивающие получение листов с мелким зерном в состоянии после закалки и старения (Т).

4. На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:

- установлены закономерности влияния химического и фазового состава алюминиевых сплавов Д 16ч и 1163 на величину зерна в обшивочных листах:

- установление степени деформации при холодной прокатке листов, выше которой создаются условия для получения мелкого зерна:

- установление температурной границы отжигов, выше которых происходит интенсивный рост скорости зарождения центров (с.з.ц.) рекристаллизации зёрен и обеспечивается образование мелких зёрен в листах, поставляемых в отожжённом состоянии (М); увеличение времени выдержки усиливает эту тенденцию;

- закономерности образования зёрен в листах, поставляемых в закалённом и состаренном состоянии (Т).

Апробация работы Диссертация в целом представляет собой обобщение материалов, опубликованных работ. Материалы неоднократно обсуждались на технических совещаниях предприятий авиационной промышленности и на международных конференциях по алюминиевым сплавам. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Публикации

1. Fridlyander J.N., Tkachenko Е.А., Berstenev V.V., Cherepok G.V., Latush-kina L.V., a.o. Effect of Microstmcture on the Cracking Resistance Characteristics High-Strength Alloy: Proceedings of The 7-th International Conference Aluminium alloy (ICAA-7), Charlottesville, Virginia, USA, v.3 (2000).

2. Fridlyander J.N., Gmshko O.E., Berstenev V.V., Sheveleva L.M., Ivanova L.A.: Influence of Continuous and Discontinuous Recrystallization on the Properties of Cold-Rolled Sheets from Aluminium Alloys: Proceedings of The 8-th International Conference Aluminium alloy (ICAA-8), Cambridge, UK, v.3 (2002).

3. Фридляндер И.Н., Систер В.Г., Грушко O.E., Берстенев В.В. Алюминиевые сплавы - перспективный материал для автомобилестроения. МиТОМ №9, 2002 с.З -10.

4. Фридляндер И.Н., Берстенев В.В., Ткаченко Е.А., Головизнина Г.М., Ланцова Л.П. Влияние термической обработки и деформации на величину зерна и механические свойства сплавов типа дюралюмин (Al-Cu-Mg). МиТОМ, №6,2003.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 53 наименование. Диссертация изложена на 82 страницах текста, содержит 32 рисунка и 23 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено всестороннее исследование листов из сплавов различной чистоты по содержанию примесей железа и кремния Д16пч, (повышенной чистоты) Д16ч (чистых), Д16 (обычной чистоты). Листы из этих сплавов являются основным материалом для изготовления обшивки фюзеляжей всех типов самолётов.

2. Показано, что сплавы повышенной чистоты Д16пч и Д16ч имеют значительные преимущества перед сплавом обычной чистоты (Д16) по важнейшим эксплуатационным характеристикам - сопротивлению усталостным нагрузкам, скорости развития усталостной трещины. Для обшивки фюзеляжей всех типов самолётов рекомендуются сплавы повышенной чистоты Д1бч и Д16пч.

3. Проведено всестороннее исследование катаных и ковано катаных плит из сплавов Д16пч и Д16ч размером 35x1400x7500мм.

4. Показано, что по выносливости, вязкости разрушения и пластичности плиты из сплавов повышенной чистоты Д16пч и Д16ч существенно превосходят сплав Д16. Сплавы Д16пч и Д16ч рекомендуются для нижней поверхности крыльев самолётов.

5. За последние годы на листах из алюминиевых сплавов Д16ч и 1163 появляется крупное зерно, недопустимое по действующим стандартам.

6. Проведено детальное исследование влияния различных факторов - химического состава (основных компонентов и примесей), степени холодной деформации, различных видов термической обработки (закалки, отжигов) на величину зерна.

7. Установлено, что колебание химического и фазового состава, основных компонентов Си и Mg и их соотношения, и примесей Mn, Fe и Si в установленных стандартами пределах практически не влияет на величину зерна.

8. Крупные зёрна появляются только на листах в отожжённом состоянии, в закаленных и состаренных листах зерно всегда мелкое.

9. Существует большая зависимость величины зерна от степени холодной деформации, лучшие результаты получаются у листов, прокатанных со степенью холодной деформации более 50%.

10. В производственной практике используются 3 вида отжигов: предварительный отжиг горячекатаных рулонов (толщина 6-8 мм), промежуточные отжиги и окончательные отжиги; все они проводятся в районе температур 360°С различной продолжительности с учётом используемых типов отжиговых печей.

11.В работе чётко показано, что повышение температуры предварительного и окончательного отжигов до 410 - 420°С позволяет надёжно получать листы с мелкозернистой структурой. Решающую роль в формировании оптимальной структуры играет окончательный отжиг; промежуточный отжиг может приводить к укрупнению зерна; его можно не использовать.

12. Установлена чёткая температурная граница в районе 350 - 360°С, ниже которой скорость роста рекристаллизационных зёрен превышает скорость образования центров рекристаллизации, и при этом возникают крупные зёрна, выше установленной температурной границы скорость образования центров рекристаллизации идёт более интенсивно, и зерно получается мельче.

1. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спечённые и литейные алюминиевые сплавы. Справочное руководство. Москва, «Металлургия», 1972, 552 с.

2. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы деформируемые конструкционные сплавы. Москва, «Металлургия», 1979, 208 с.

3. Металловедение алюминиевых сплавов / Под редакцией Фридляндера И.Н. «Металлургия», 1983, 279 с.

4. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Под редакцией Фридляндера И.Н. Энциклопедия, «Машиностроение», Москва, 2001,879 с.

5. Авиационные материалы на рубеже XX XXI веков / Под редакцией Р.Е. Шалина, Москва, ВИАМ, 1994, 602 с.

6. Алексеев А.А., Бер Л.Б. Диаграммы фазовых превращений при старении алюминиевых сплавов системы Al-Cu и Al-Mg-Si-Cu // ТЛС, 1991, №3, с.21-24.

7. Алюминий. Металловедение, обработка и применение. Перевод с английского. / Под редакцией Туманова А.Т., Фридляндера И.Н., М.: Металлургия.1972, 662 с.

8. Алюминиевые сплавы. Вып.5. Деформируемые сплавы. М.: Металлургия, 1968,406с.

9. Давыдов В.Г., Захаров В.В., Захаров Е.Д., Новиков И.И. Диаграммы изотермического распада раствора в алюминиевых сплавах. М.: Металлургия,1973, 152с.

10. Ю.Захаров A.M. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав иструктурные составляющие. М.: Металлургия, 1980, 259 с.

11. И.Каримова С.А. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов для изделийавиационной техники // Защита металлов, 1993, т.29, №5, с.729-734.

12. Квасов Ф.И., Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы типа дуралюмин. М:1. Металлургия, 1984, 239 с.

13. И.Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1981,280 с.

14. М.Колачев В. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1998, 480с.

15. Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков B.C. и др. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. М.: Металлургия, 1988, 141 с.

16. Лешинер Л.Н. Алюминиевый деформируемый сплав 1163 // МиТОМ, 1983,№8,с.43-44.

17. Применение алюминиевых сплавов. Справочник / Под редакцией Р.Е. Шалина. М.: Металлургия, 1985, 342 с.

18. Aluminium. Properties and Physical and Metallurgy. N.Y.: ASM Metal Рагк, 1984,450 p.

19. Лещинер Л.Н., Федоренко Т.П. // МиТОМ, 1982, №3, с.ЗЗ 36. Ю.Лещинер Л.Н. // МиТОМ, 1983, №8, с.43 - 44.

20. Лещинер Л.Н., Федоренко Т.П., Блинникова Н.А. // МиТОМ. 1983, №3, с.52-54.

21. Фридляндер И.Н., Лещинер Л.Н., Латушкина Л.В., Федоренко Т.П. // В кн.: Проблемы металловедения цветных сплавов. М.: Наука, 1978, с.158 -166.

22. Елагин В.И. // МиТОМ, 1966, №8, с. 11 13.

23. Фридляндер И.Н., Должанский Ю.М., Сандлер B.C. и др. // МиТОМ, 1977, №12, с.29-33.

24. Фридляндер И.Н., Должанский Ю.М., Костюнин В.И. и др // «Заводская лаборатория», 1974, №7, с.845 847.

25. Фридляндер И.Н., Сандлер B.C., Никольская Т.Н. // ФММ, 1971, т.32, №4, с.767 774.

26. Mondolfo L.F. Aluminium Alloys: Structure and Properties. London, Butter Words ,1976, 971p.

27. Никитаева О.Г. Сб. Металловедение сплавов лёгких металлов. М.: Наука. 1970.

28. Манцев B.H., Комарова Л.Г., Ланцова Л.П. //Технология лёгких сплавов. ВИЛС, 1999, №6, с.7-13.

29. Телешов В.В., Бавыкина И.М., Бурмистров В.И. и др. // Технология лёгких сплавов. 1987,№9, с.20.

30. Телешов В.В., Бавыкина И.М., Бурмистров В.И. и др. // ФХММ, 1984, № 5, с.40-45.

31. Алюминиевые сплавы: структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник под ред. Добаткина В.И. М.: Металлургия, 1984,408 с.

32. Клепачевская С.Ю., Бер Л.Б., Головизнина Г.М., Арышевский В.Ю. Сб. научных трудов ВИЛС: М., 1991 с.269-277.

33. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М.: Металлургия, 1975. 248 с.

34. Сафонов В.И., Авдюшин О.А. // Технология лёгких сплавов. 1968, № 2, с.7-9.

35. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978,568 с.

36. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978,391 с.

37. Телешов В.В., Сироткина О.А. // Технология лёгких сплавов, 1996, с.35-36.

38. Понагайбо Ю.Н. Сб. Алюминиевые деформируемые сплавы. М.: Оборонгиз, 1961,236 с.

39. Пучкова Л.М., Куртасов С.Ф. // Технология лёгких сплавов. 1996, № 1, с.16-20.

40. Буданова Л.В. //Технология лёгких сплавов. 1978, № 4, с.20-27.

41. Куртасов С.Ф., Казаков В.Г., Грабарёв Н.Т., Пасхин А.Н. // Технология лёгких сплавов. 1984, № 3, с.29-31.

42. Арышенский В.Ю., Гречников Ф.В., Клепачевская С.Ю., Колобов Г.Г. // Сборник трудов международной научно-технической конференции, по-свящённой 40-летию СМЗ. Самара 2000, с.78-90.

43. Matsumato К., Morisada N. a.o. // Труды 6-ой Международной конференции по алюминиевым сплавам ICAA-6, 1998, Япония, с. 1173-1178.45.US Patent N5,213,639.

44. Мочалов П.П., Копнов В.И. // В сб.: «Металлургия лёгких сплавов» -М.: Металлургия, 1983, с. 89-93.

45. Мочалов П.П., Яковлев В.И., Копнов В.И. // В сб.: «Обработка лёгких и жаропрочных сплавов» М.: Наука, 1976, с. 162-171.

46. Нечаев Ю.С., Владимиров С.А., Ольшевский Н.А. и др. // Физика металлов и металловедение, 1985, т.60, вып. 3, с.542-549.

47. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Гл. 11, 12. // Перевод с английского, М.: Мир, 1972,408 с.

48. Кудрявцев П.И. // в кн.: Материалы в машиностроении. Т.2, М.: «Машиностроение», 1967, с. 210 227.

49. Хенкин M.JL, Локшин И.Х. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974.255 с. 52.0воденко М.Б., Копнов В.И., Гречников Ф.В. Прокатка алюминиевых сплавов М.: Металлургия, 1992. 270 с.

50. Арышенский Ю.М., Гречников Ф.В. Теория и расчет пластического формоизменения анизотропных материалов М.: Металлургия, 1990. 304 с.