УДК 621.77.07:539.389:539.43
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95 В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ
Ларичкин А.Ю.1, 2, н. с. лаб. стат. прочн., канд. физ.-мат. наук,
ассистент кафедры моделир. мех. макро- и нано- структур
Захарченко К.В.1, 3, аспирант, м.н.с. лаб. стат. прочн.,
ассистент кафедры проект. тех. машин
Горев Б.В.1, вед. науч. сотр. лаб. стат. прочн.,
доктор техн. наук
Капустин В.И. 3, доцент кафедры проект. тех. машин,
канд. тех. наук
(1ИГиЛ СО РАН, г. Новосибирск,
2НГУ, г. Новосибирск,
3НГТУ, г. Новосибирск)
Ларичкин А.Ю. – 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15,
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН,
e-mail: larichking@gmail.com
Аннотация. Выполнено моделирование технологического процесса формообразования панели заданной геометрии из сплава В95очТ2, включающего в себя: пластическое деформирование в диапазоне скоростей от 10-5 до 10-2 с-1 при нормальной (20 °C) температуре, температуре искусственного старения (165 °C) и при температуре отжига (420 °C), с последующей термообработкой по режиму Т2 в соответствие с производственной инструкцией ПИ 1.2.699-2007. Экспериментально установлено влияние параметров процесса (температуры и скорости деформирования) на усталостную долговечность. Показано, что для сплава В95очТ2 сопротивление усталостному разрушению не уменьшается после предварительного деформирования при температуре отжига.
Ключевые слова: технология формообразования, скорость деформирования, температура, ползучесть, долговечность.
Введение
К прочностным и весовым характеристикам элементов конструкций современных летательных аппаратов, предъявляют высокие требования, которые достигаются внедрением новых алюминиевых сплавов и технологий их обработки при создании готового изделия [1, 2, 3]. Одним из широко используемых деформируемых, высокопрочных алюминиевых сплавов является В95 [4, 5], из которого изготавливают несущие элементы фюзеляжа, центроплана и крыльев ряда самолетов, в том числе и для континентального лайнера Сухой SuperJet SSJ 100.
В связи с усовершенствованием форм летательных аппаратов стали востребованными методы формовки поверхностей сложной геометрии из прямоугольных монолитных плит при повышенных температурах. По сравнению с изготовлением элементов сборных конструкций такие методы формовки позволяют сохранить ресурс, уменьшить вес, избавиться от сборочных и подгоночных работ на стадии изготовления изделия. Технологии формовки крупногабаритных элементов конструкций, позволяющие за один технологический шаг совместить процессы релаксации и термической обработки материала изделия, применяются на отечественных авиационных заводах, в том числе НАЗ им. В.П. Чкалова [6].
В большинстве случаев технология изготовления элементов авиационных конструкций включает в себя операции формообразования в не нагретом состоянии, при которых материал испытывает воздействие ударных нагрузок, что способствует появлению в изделии недопустимо больших остаточных напряжений и трещин, которые приводят к ухудшению усталостных характеристик и снижению ресурса конструкции в целом.
В работе [7] исследованы влияние на механические свойства алюминиевого сплава 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) высоких скоростей деформирования (от 1,3·103 до 3,1·103 с-1) в диапазоне температур от 25 до 300 °С. Сплав 7075 является зарубежным аналогом В95. Авторами проводилось сравнение свойств состаренных образцов и образцов в состоянии поставки. Показано, что скорость деформации и температура существенно влияют на эволюцию микроструктуры и морфологию зерна Средний размер зерна после ударной деформации может быть выражен отношением Холла-Петча.
В статье [8] рассмотрено изменение динамического размягчения сплава 7075 в зависимости от температуры (250, 300, 350, 400 и 450 °С) и скоростей деформирования (0,01, 0,1, 1 и 10 с-1) при сжатии. Показано, что изменение температуры существенно влияет на скорость динамического размягчения. Получена зависимость напряжения от значений деформации, скорости деформации и температуры.
В работе [9] показано, что механизмом деформации для одноосных испытаний образцов из сплава 7075 при 300 °С и 350 °С являются скольжения по границам зерен. Показано, что оптимальная скорость сверхпластической деформации является 3·10-3-10-2 с-1. Граничная раз ориентация зерен и постоянность температуры являются двумя основными факторами, которые вносят вклад в высокие удлинения на разрыв.
Работа [10] посвящена экспериментальному исследованию образцов из сплава 7075 в состоянии поставки и в кованом состоянии при температурах (от 250 до 450°C) и скоростях деформации (от 0,002 до 2 c-1). Измерялась анизотропия материала при комнатной температуре для кованых образцов. Однородность и структуру материала оценивали с помощью измерения твердости по Виккерсу и оптической микроскопии. Одним из результатов работы является факт слабой выраженности деформационной анизотропии материала во время испытаний при повышенных температурах, по сравнению с существенным ее проявлением при холодной деформации.
В основе технологии формообразования конструкций лежит решение обратной задачи неупругого деформирования тела в условиях ползучести с последующим упругим распружиниванием. Суть задачи заключается в определении такого усилия и формы оснастки для формования заготовки, которое обеспечит заданную кривизну изделия после снятия нагрузки. Математический аппарат для решения подобных задач приведен в [11]. Сложность решения этих задач связана, как с существенной анизотропией свойств ползучести материала заготовки, так и с учетом разносопротивляемости материала растяжению и сжатию. Современные подходы к решению ряда задач ползучести приведены в [12, 13].
В [14] приведено численное решение задачи формования элемента конструкции двойной кривизны в условиях ползучести с учетом разносопротивляемости материала растяжению и сжатию, не учет которой приводит к различию между расчётными прогибами конструкции и наблюдаемыми в эксперименте. В [15] приведено решение задачи кручения пластины постоянным моментом с учетом анизотропии свойств материала, в которой отмечено, что наименее сопротивляющимся ползучести в анизотропной плите является направление под углом 45° к ее нормали.
Ответ на вопрос о влиянии характеристик технологического процесса: скорости и температуры формообразования заготовки на усталостную долговечность отформованных конструкций является актуальным для современной авиастроительной отрасли производства. Выбор параметров формообразования связан с требованиями к конечным физико-механическим свойствам материала. В данной работе авторами установлены зависимости влияния скорости и температуры предварительного деформирования на усталостную долговечность сплава В95, который является базовым конструкционным материалом для силовых деталей планера современных самолетов и вертолетов.
Физическое моделирование заключалось в воссоздании на лабораторных образцах из сплава В95 условий технологического процесса формообразования, который реализуется при изготовлении панелей сложной геометрии из изначально прямой плиты на установке УФП-1М [6]. Параметры процесса, при которых проводилась предварительная деформация образцов: в каждой области температур T = 20°C, 165°C, 420 °C изменялась скорость деформирования от 10-5 до 10-2 с-1. Обработанные таким способом плоские образцы были испытаны на циклическую долговечность.
Методика экспериментального исследования
2.1 Определение параметров материала и подготовка образцов
Было подготовлено три серии образцов. Образцы вырезались из сплава В95очТ2 плита толщиной h=15 мм. Целевая толщина заготовки 4 мм достигалась ее фрезерованием путем поочередного снятия слоев с двух сторон. Чистота поверхности полученных образцов составляла Ra 0.32 (среднеквадратическое отклонение микронеровностей, определяемое по ГОСТ 2789-73). Образцы вырезались из плиты в двух ортогональных направлениях – вдоль и поперек проката. Образцы имеют прямоугольное поперечное сечение, значение которых приведено в таблице 1.
Образцы подвергались одноосному растяжению при различных скоростях деформирования в изотермических условиях. Испытания проводились на установке Zwick/Roell Z100 (максимальное усилие 100 кН, чувствительность датчика усилия 0,01 Н) с использованием круглой трехзонной высокотемпературной печи Mytec (до 1100 °С). Нагрев до целевой температуры проводился в течение 30 минут. Измерение деформаций проводилось штатным экстензометром на базе 50 мм.
Образец помещали в печь, закрепляли в захватах установки и нагревали до целевой температуры. В программе установки задавалась скорость движения траверсы для каждого образца. Окончанием испытания было условие достижения деформации растяжения 2%. В таблице 1 приведены геометрические размеры образцов, скорости их деформирования и значения механических параметров материала для каждого из них:
1) серия I – образцы, подвергнутые предварительной полной деформации  = 2% при T=20°C;
2) серия II – образцы, подвергнутые предварительной полной деформации = 2% при T=165°C;
3) серия III – образцы, подвергнутые предварительной полной деформации = 2% при T=420°C.
Таблица 1. Размеры образцов из сплава В95очТ2 и параметры их предварительного деформирования при температурах T = 20, 165, 420 °C
Номер
|
Направление относительно проката
|
a0, мм
|
b0, мм
|
 , c-1
|
E, ГПа
|
 МПа
|
 МПа
|
Серия I (T = 20 °C)
|
1
|
Вдоль
|
3,66
|
9,61
|
0,01
|
107,0
|
510
|
535,9
|
8
|
Вдоль
|
3,97
|
9,92
|
0,01
|
107,0
|
458
|
495,2
|
2
|
Поперек
|
3,93
|
9,61
|
0,01
|
107,0
|
499
|
534
|
Серия II (T = 165 °C)
|
1*
|
Вдоль
|
3,86
|
9,92
|
0,01
|
107,0
|
403
|
399,8
|
2*
|
Вдоль
|
3,93
|
9,89
|
0,0001
|
103,0
|
382
|
381,4
|
3*
|
Вдоль
|
3,97
|
9,93
|
0,001
|
106,0
|
414
|
412,7
|
3
|
Вдоль
|
4,04
|
9,97
|
0,0001
|
94,9
|
375
|
373,3
|
7
|
Вдоль
|
3,97
|
9,92
|
0,01
|
71,6
|
440
|
440,9
|
13
|
Вдоль
|
4,03
|
10,00
|
0,0001
|
63,0
|
374
|
373,5
|
14
|
Вдоль
|
4,03
|
10,24
|
0,001
|
65,7
|
391
|
389,5
|
15
|
Вдоль
|
4,03
|
9,96
|
0,000002
|
51,7
|
293
|
268,4
|
4
|
Поперек
|
4,03
|
9,69
|
0,0001
|
92,2
|
373
|
371,1
|
6
|
Поперек
|
3,98
|
9,96
|
0,01
|
74,0
|
246
|
349,9
|
9
|
Поперек
|
3,95
|
9,95
|
0,01
|
68,0
|
318
|
324,2
|
11
|
Поперек
|
4,08
|
10,00
|
0,0001
|
66,2
|
440
|
385,6
|
12
|
Поперек
|
3,81
|
9,96
|
0,001
|
71,4
|
398
|
393,6
|
Серия III (T = 420 °C)
|
1
|
Вдоль
|
3,99
|
9,87
|
0,01
|
25,6
|
53,95
|
51,35
|
2
|
Вдоль
|
4,00
|
9,94
|
0,0001
|
15,4
|
17,97
|
17,13
|
3
|
Вдоль
|
3,98
|
9,94
|
0,00001
|
9,7
|
11,48
|
10,75
|
4
|
Вдоль
|
3,99
|
9,93
|
0,01
|
23,0
|
42,84
|
38,56
|
5
|
Вдоль
|
4,00
|
9,95
|
0,0001
|
13,5
|
15,74
|
16,33
|
6
|
Вдоль
|
3,99
|
9,94
|
0,00001
|
10,4
|
11,28
|
10,90
|
7
|
Вдоль
|
3,97
|
9,93
|
0,01
|
18,6
|
45,17
|
40,34
|
8
|
Вдоль
|
3,99
|
9,93
|
0,0001
|
12,0
|
16,81
|
16,75
|
9
|
Вдоль
|
3,97
|
9,91
|
0,00001
|
10,7
|
11,76
|
11,14
|
Здесь a0, b0 – толщина и ширина рабочей части образцов соответственно; – скорость деформирования; E – модуль упругости; – значение напряжения при деформации 0,2%; – значение напряжения при деформации 2%.
После предварительного деформирования образцы проходили термообработку: выдержка при T=470°C, закалка в воду и искусственное старение по режиму Т2 в соответствии с ПИ 1.2.699-2007.
|
