ВЛИЯНИЕ ОПЕРАЦИЙ УПРОЧНЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация

Выполнена экспериментальная проверка принципиальной возможности реализации способа упрочнения эле- ментов конструкций и исследовано влияние конструктивно-геометрических параметров деформируемого контур- ного подкрепления на усталостную долговечность плоских образцов с центральным круглым отверстием.

Полный текст

Результаты усталостных испытаний (рис. 1) пока- зывают, что характер зависимостей усталостной дол- говечности N образцов с упрочненными отверстиями фиксированного диаметра от исходной высоты де- формированной бонки одинаков (кривые 2–5). С уве- личением степени пластической деформации возрас- тают по абсолютной величине остаточные напряже- ния, увеличивается зона радиального упруго-плас- тического деформирования материала вокруг бонки, долговечность образцов при циклических нагрузках возрастает. При относительных деформациях ε = 29…38 % долговечности образцов максимальны (кривая 1). Затем начинается снижение усталостных характеристик вследствие появления в зоне пластиче- ского деформирования материала дефектов, количе- ство и размеры которых растут с увеличением степе- ни деформации. При деформациях ε = 65 % кривые выходят на очень низкие долговечности (образцы 118 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева с трещиноподобным дефектом, возникновение и па- раметры которого определяются геометрией бонки и образца). С увеличением диаметра отверстия d максималь- ная долговечность образца снижается (из-за умень- шения абсолютной величины остаточных напряжений сжатия), оставаясь при этом до определенных значе- ний глубины hт двухстороннего размерного химиче- ского травления выше исходных характеристик неуп- рочненного образца. С увеличением диаметра отвер- стия происходит снижение усталостной долговечно- сти образцов. При сверлении отверстий, соизмеримых с размерами зоны упруго-пластического деформиро- вания (два-три диаметра бонки), усталостная долго- вечность упрочненных образцов приближается к дол- говечности образца с отверстием соответствующего диаметра (N = 2,5 ⋅ 104 циклов при d = 7…8 мм). Для того чтобы сохранить ресурсные характеристики кон- струкции или ее элемента, например, при замене кре- пежа с рассверливанием отверстий, необходимо уве- личить степень деформации бонки, для чего бонка в исходном варианте (при сборке конструкции) может быть деформирована (осажена) не полностью [1]. Применение локального пластического деформи- рования зон концентраторов напряжений типа «сво- бодное отверстие» позволяет обеспечить заданные характеристики ресурса типовых элементов конст- рукций и провести минимизацию их веса, используя полные диаграммы усталости упрочненных образцов (рис. 2.) – семейство кривых (1–10) равной долговечно- сти образцов при различных сочетаниях диаметров d отверстий при заданном диаметре бонки D и степеней пластического деформирования (высоты hб) бонки. Каждая кривая определяет все комбинации высот бонок и диаметров упрочненных отверстий, обеспе- чивающих определенную усталостную долговечность образца. Это – линии равных долговечностей. Кривая 11 пересекает линии равных долговечностей в точках, соответствующих максимальному диаметру отверстия при разных значениях высоты бонки hб для образца с заданной долговечностью N и определяет минималь- ный вес конструкции при заданной долговечности. Выносливость (ресурс) конструкции зависит от многих конструктивно-технологических факторов: материала и типа полуфабриката; концентраторов напряжений и нерегулярностей; вида соединений; остаточных напряжений различного происхождения. Целесообразно было перенести результаты экспе- риментов с типовыми образцами (полоса с отверсти- ем) на элементы конструкций: фрагменты обшивки с вырезами, люками, имеющими, в отличие от отвер- стий под крепеж, относительно большие размеры по сравнению с толщиной обшивки. Обычно при проектировании таких элементов предусматривается усиление контуров вырезов по- средством утолщений обшивки по периметру выреза, использование накладок (приклепанных, приклеен- ных, приваренных), а также различных упрочняющих технологий, включающих в себя упрочнение поверх- ностным пластическим деформированием, установку крепежа с большими натягами, устранение мягкого плакирования и др. При переносе результатов модельного экспери- мента на реальные конструкции могут возникнуть проблемы, как связанные с побочными эффектами существенного деформирования больших объемов материала (коробление и поводка элементов конструк- ций, изменение теоретических обводов и контуров деталей и вырезов в них), так и определяющие эффек- тивность упрочнения (неравномерная пластическая деформация, значительное упругое последействие, релаксация остаточных напряжений, преждевре- менное растрескивание материала, высокий уро- вень уравновешивающих остаточных напряжений обратного знака). Изучение возможности торможения и остановки зародившихся от конструктивной нерегулярности – концентратора напряжений – усталостных трещин путем предварительного (в процессе изготовления детали) создания на вероятной траектории распро- странения трещины зоны пластического деформиро- вания (стопора) показало, что при приближении к бонкам трещина постепенно тормозится и практиче- ски останавливается; далее в эксперименте не удава- лось стронуть трещину при наработке 1⋅106 циклов даже при ступенчатом повышении максимального напряжения цикла и наработке с такими же базами. Разрушение происходило по нерасчетному сечению образца. Эти данные были использованы при формирова- нии программы исследований возможности примене- ния сочетания операции доводки по весу с помощью РХТ и упрочнения пластическим деформированием для увеличения усталостной долговечности образцов с отверстиями под крепеж, с вырезами, для создания стопоров на пути распространения магистральных трещин, для обеспечения герметичности заклепочных соединений без использования герметиков. Стопоры, полученные деформированием припусков в виде круглых и серпообразных бонок, обеспечили полное торможение трещин усталости в зонах упрочнения. На образцах минимального веса, параметры кото- рых были подобраны по кривым равных долговечно- стей, изучено влияние пластического деформирова- ния одностороннего и двухстороннего утолщения – бонки в зоне цилиндрического отверстия, влияние упрочнения зенкованного отверстия, оценен эффект упрочнения гнезда под закладную головку обжатием бонки пуансоном перед операцией сверления и зенко- вания. После полного пластического деформирования бонки и последующего сверления отверстия с началь- ным диаметром с обратной стороны (по отношению к поверхности с бонкой) специальным пуансоном- конусом выдавливалось медленным деформировани- ем гнездо под закладную головку заклепки, затем от- верстие рассверливалось до промежуточного диамет- ра, гнездо под головку заклепки с помощью зенкера доводили до номинального размера. 119 Авиационная и ракетно-космическая техника N, циклов hб, мм Рис. 1. Зависимость долговечности образцов с отверстием от степени поперечного пластического деформирования (вдавливания) бонки hб, мм Рис. 2. Полная диаграмма усталости (кривые равной долговечности) образцов из алюминиевого сплава Д16АТ, с упрочненным отверстием при циклическом растяжении с частотой нагружения f = 40 Гц на уровне σmax = 20 кгс/мм2, σmin = 2 кгс/мм2 120 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Если в неупрочненных образцах зарождение тре- щин происходило на контуре отверстия, то трещины в упрочненных образцах возникали на поверхности основного материала в зоне максимальных уравнове- шивающих остаточных напряжений растяжения. В реальных конструкциях большое количество разрушений обусловлено возникновением усталост- ных трещин в зонах концентраторов напряжений типа «вырез», линейные размеры которых намного больше толщины обшивки. Эффективность упрочнения в большей степени должна зависеть от соотношения геометрических размеров бонки (идентичной подкре- плению выреза в монолитной панели) и самого выре- за. Высота бонки из экономических и технологиче- ских соображений определяется толщиной слоя мате- риала, стравливаемого с помощью РХТ при доводке по весу или предельным отклонениям размеров. Изъ- ятие материала в месте выреза также приводит к сни- жению уровня остаточных напряжений сжатия за счет упругой деформации свободного контура выреза [2]. Эффективность упрочнения контуров вырезов ме- тодом пластического деформирования подкрепления- бонки изучена на образцах из листового алюминиево- го сплава Д16АТ толщиной 3 мм с вырезами – люка- ми различной формы: круглой, квадратной и ромбо- видной с радиальным сопряжением сторон в трех ва- риантах: свободный вырез; подкрепленный вырез; упрочненный вырез. Заготовки, вырезанные вдоль проката, подвергали двухстороннему химическому травлению на глубину 0,5 мм с каждой стороны. После химического травления и удаления защит- ного покрытия подкрепление-бонку на части образцов деформировали контактным способом заподлицо с основной поверхностью металла. На основании предварительного эксперимента из условия отсутст- вия коробления образцов при пластическом деформи- ровании была уточнена ширина подкрепления. Кроме того, с целью минимизации веса конструк- ции был изготовлен вариант образцов с ромбовидным вырезом, имеющих подкрепление-утолщение только в местах максимальной концентрации напряжений (в углах ромба в поперечном линии действия нагрузки сечении образца). Последующее полное пластическое деформирова- ние подкрепления (на 20 %) существенно сказалось на показателях долговечности: сопротивление усталости образцов с круглым вырезом возросло более чем в 23 раза; с квадратным вырезом – в 10 раз; с ромбо- видным вырезом – в 7,5 раз; с ромбовидным вырезом и частичным подкреплением – в 26 раз. При фрактографическом анализе установлено, что в образцах со свободным вырезом усталостные тре- щины зарождались на контуре выреза, в образцах с подкреплением – на внешней поверхности (не со стороны подкрепления). В упрочненных образцах зарождение трещин происходило в местах перехода зон упрочнения в основной материал (где действуют уравновешивающие остаточные напряжения растяже- ния). При этом трещина распространялась к краю об- разца и лишь при статическом доломе выходила на контур выреза. При осадке 20 % отмечено несколько случаев появления трещины на кромке выреза со сто- роны пластически деформированного подкрепления- бонки, что связано с растрескиванием металла при больших пластических деформациях. Комплекс исследований, проведенных на образцах из алюминиевого сплава Д16АТ, показал, что опера- ции упрочнения контуров отверстий и вырезов за счет пластического деформирования припусков материала (окантовок или бонок) в зонах концентраторов на- пряжений, полученных при размерном химическом травлении и доводке по весу и предельным отклоне- ниям размеров, могут быть эффективно использованы для обеспечения максимальной долговечности при заданном весе или минимального веса конструкции при заданной долговечности. Сравнительные усталостные испытания проведены при циклическом растяжении на уровнях максималь- ных напряжений σmax = 120, 160, 200, 240 МПа при минимальном напряжении цикла σmin = 20 МПА при частоте нагружения f = 40 Гц на резонансной испыта- тельной машине УР-2000. Качественный анализ результатов испытаний вы- являет полную аналогию в реакции конструкционных материалов на технологические воздействия и замет- ное преимущество сплава 1163АТ перед сплавом Д16АТ по исходным и выходным усталостным харак- теристикам. В зависимости от уровня циклического нагруже- ния в диапазоне σmax = 200…120 МПа исходные об- разцы с концентратором напряжений из сплава 1163АТ в сопротивлении усталости превосходят об- разцы из Д16АТ в 1,1…1,8 раза. У образцов после РХТ это преимущество в интерва- ле σmax = 200…120 МПа несколько возрастает, что сви- детельствует о меньшей повреждаемости поверхности образцов из этого материала размерным химическим травлением по сравнению со сплавом Д16АТ. Упрочнение локальным пластическим деформиро- ванием односторонней бонки, образованной при двухстороннем РХТ, еще больше усиливает это пре- восходство. Нелинейное возрастание относительной долговеч- ности для всех типов образцов со снижением уровня циклического нагружения указывает на более высокое «качество» сплава 1163АТ в отношении интенсивно- сти накопления повреждений при циклическом на- гружении. Влияние РХТ на образцы из разных сплавов оди- наково: наблюдается падение сопротивления устало- сти в 1,5…5 раз, причем со снижением уровня цикли- ческого нагружения отрицательное влияние РХТ воз- растает. В случае последующего применения упрочнения локальным пластическим деформированием ситуация кардинально меняется: несмотря на предварительную 121 Авиационная и ракетно-космическая техника обработку химическим травлением долговечность образцов из обоих сплавов возрастает по сравнению с исходными образцами в 5…17 раз, причем эффект усиливается со снижением уровня циклического на- гружения. На уровнях циклического растяжения σmax < 160 МПа разрушение образцов происходило вне отверстия на границе зоны локального пластиче- ского деформирования или, иногда, по гладкой части образца, обработанной РХТ. Вследствие относительно небольшой по сравне- нию с диаметром бонки ширины образца большое влияние на процесс зарождения трещины и характер разрушения оказывает частичное выключение из ра- боты в расчетном сечении впаянной упругой шайбы, образованной при локальном пластическом деформи- ровании, определяющей величину нетто-напряжений в критическом месте [3]. Таким образом, применение упрочнения локальным пластическим деформированием путем полного или частичного контактного вдавливания подкреплений- бонок, выполненных при съеме металла методом кон- турного химического травления в зонах вырезов и отверстий за счет избыточной толщины заготовки, обеспечивает повышение усталостной долговечности элементов авиационных конструкций с концентрато- рами напряжений из листового сплава 1163АТ, сопос- тавимое по эффективности с показателями для конст- руктивных элементов из сплава Д16АТ.