Разработка материалов с заданными характеристиками
advertisement
ВИАМ/1994-201679 Разработка материалов с заданными характеристиками Н.М. Скляров Сентябрь 1994 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования в журнале «Технология легких сплавов», № 2, 1995 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Разработка материалов с заданными характеристиками Н.М. Скляров Всероссийский институт авиационных материалов General methods of solving the problem concerning development of structural materials with tailor-made properties are discussed. Главной особенностью современного этапа развития авиационной техники является многообразие критериев, определяющих работоспособность материалов в конструкциях. Если в первых справочных изданиях единственным расчетным критерием являлась прочность, то теперь критерии качества авиационных материалов охватывают четыре группы: прочность, ресурс, надежность и живучесть. Число отдельных показателей насчитывает многие десятки (рис. 1). Выбор осложняется тем, что ряд показателей противостоят друг другу, повышение одних приводит к понижению других. Все мероприятия, увеличивающие прочность, ведут к снижению надежности и особенно живучести. Если следовать Ле-Шателье–Курнакову, то пришлось бы затрачивать очень много времени и средств на построение трехмерных и более сложных диаграмм. Поэтому весьма актуальна разработка более эффективных, например, расчетных методов создания материалов с заданным набором свойств. Рисунок 1. Характеристики алюминиевых сплавов (обведены задаваемые при разработке характеристики; остальные – в основном являются производными) В некоторой мере такая задача уже поставлена и находит свое практическое образуемых решение в армирующими полимерных элементами композиционных с высокой материалах, прочностью и связующими. В этом случае может быть рассчитано объемное содержание, размещение, слойность, направление армирующих элементов и другие параметры, обеспечивающие требуемые показатели прочности и прочие характеристики материала. Материал (полуфабрикат), обработкой которого создается деталь, теряется – он конструируется одновременно с деталью как многоэлементная ферма. Поэтому разработка материалов с заданными характеристиками – это не только предмет забот специалистов- материаловедов. В качестве авиационной техники, а следовательно, в качестве авиационных материалов (нет новых самолетов без новых материалов), имея в виду стратегическое и экспортное ее значение, была заинтересована и остается заинтересованной вся страна, и забота о ней – предмет государственной важности. Схему разработки материалов с заданными свойствами как элемента планирования прогресса авиационных материалов в рамках государственной политики, представленную на рис. 2, использовали весьма успешно многие годы. В ее основе была деятельность головного института авиационной отрасли – ВИАМ, создававшего материалы с характеристиками, обусловленными прогрессом авиационной техники. Эти характеристики формировались на базе научного задела ВИАМ и требований конструкторов ЦАГИ и ЦИАМ и оформлялись целевыми комплексными программами, охватывающими 5–10 лет и утверждаемыми МАП. Рисунок 2. Схема разработки материалов с заданными свойствами в рамках государственной политики В современных условиях хозяйствования возникли новые формы связей института, КБ и производства, а генеральная задача ВИАМ – создание материалов с заданными свойствами приобрела еще большее значение, т.к. конкурентная борьба добавляет к общим соображениям и требованиям прогресса непосредственный и острый коммерческий интерес. Создание изысканиями современного в авиационного лабораторных материала условиях в не завершается рамках собственно материаловедческой информации о составе, структуре, а выражается в обширном комплексе, охватывающем пять групп задач (рис. 3) и представляющем основные пути решения главной задачи. Уже само задание характеристик составляет сложную задачу. Очевидно, уровень задаваемых характеристик должен определяться вновь проектируемыми изделиями, теми требованиями к свойствам материалов, которые вытекают из особенностей их работы. Обычно от нового изделия требуется и более высокая весовая эффективность и больший ресурс и надежность. Рисунок 3. Пути решения генеральной задачи Прочность – это способность материала сопротивляться деформированию, повышению прочности отвечает обычно ухудшение деформируемости, но способность локальной деформацией снимать напряжение за пределом текучести в случае высокой концентрации напряжений, возникших в силу тех или иных причин, и есть надежность. Таким образом, задать одновременно более высокую прочность и большую надежность – это заведомо обречь на невыполнение задания уже на стадии постановки задачи, не проходит обычно и сохранение показателей на прежнем уровне. Неизбежно встает вопрос о том, чем можно поступиться. Его можно снять только разработкой интегрального критерия работоспособности, в который смогли бы войти показатели прочности и надежности. Однако такой критерий только предстоит разработать, а пока лишь можно наметить основные направления решения этой задачи. Частичное решение может быть найдено путем установления предельных значений для показателей надежности. Некоторый опыт уже имелся: известны случаи установления предельных значений ударной вязкости, критического напряжения, отношения предела прочности надрезанного и главного образцов и др. Сложность взаимозависимости показателей прочности и надежности наглядно иллюстрируется диаграммой (рис. 4). На ней представлены показатели надежности (ψ, а н) в функции предела прочности σ в для 20 марок сталей одного типа упрочнения (закалка и отпуск). Все данные взяты из технических условий и, следовательно, прошли объективную статистически обоснованную апробацию и действительно гарантировано обеспечиваются в промышленном производстве. Приведенные данные подтверждают общую закономерность снижения надежности по мере повышения прочности. Однако наглядно видна значительная сложность и неоднозначность этого соотношения. Имеется достаточное число случаев, когда сталь с более высокой прочностью имеет по техническим условиям сужение или ударную вязкость на уровне марок, имеющих значительно меньшую прочность. Эти отклонения от общей закономерности свидетельствуют о том, что соотношение между прочностью и надежностью не определяется однозначно содержанием упрочняющей фазы, но в значительной степени зависит от структурных факторов, определяемых параметрами технологии. К сожалению, по основному показателю надежности – вязкости разрушения K1c – данных для сталей, апробированных техническими условиями, пока мало, но уже имеющиеся для алюминиевых сплавов свидетельствуют, что разброс значений вязкости разрушения для разных технологий даже больше, чем полученный разброс для сталей по сужению и ударной вязкости. Следовательно, влияние технологических параметров, обусловливающих ту или иную морфологию структуры, будет также определяющим фактором соотношения показателей прочности и надежности. В итоге можно констатировать, что стратегия поиска решения задачи повышения прочности при сохранении приемлемых значений надежности может быть сформирована следующим образом (рис. 5). Рисунок 4. Зависимость показателей надежности ψ и а н от предела прочности Прочность и надежность сталей, алюминиевых и титановых сплавов в первом приближении определяется двумя группами факторов: – состав–легирование, упрочняющая фаза, ее природа и содержание, твердорастворное упрочнение, термодинамическое равновесие между фазами; – технология–морфология и типы структуры, дисперсность, межфазовая динамика, упрочнение всех видов. Рисунок 5. Разработка материалов с заданными характеристиками Прочность (кратковременная и длительная) определяется в основном содержанием упрочняющей фазы, а надежность – динамикой фаз, морфологией структуры. Повышение прочности за счет твердорастворного упрочнения связано с меньшей потерей надежности, чем при увеличении содержания упрочняющей фазы. Управление морфологией структуры, улучшающее надежность, как правило, не снижает прочность. На этой основе предлагается следующий порядок поиска на примере разработки стали с заданными показателями прочности и надежности. Поиск ведут с помощью диаграммы (рис. 6), на которой представлены зависимости показателей 2, 2 прочности σ в , σ 25 *, σ -1 и показателей надежности а н , K 1с от процентного содержания упрочняющей фазы (коррелирующей с содержанием углерода для высокопрочных сталей, упрочняемых закалкой и отпуском). Для показателей σ в , σ -1 , K 1с и а н даны две кривые: нижняя отвечает действию только упрочняющей фазы, верхняя – действию фазы и других факторов. Если нанесем линии заданных значений σ в и K 1c (пунктир), то получим содержание упрочняющей фазы (в конечном счете, содержание C – точка В), обеспечивающее получение заданных значений σ в , K 1c . Рисунок 6. Зависимость показателей прочности от процентного содержания упрочняющей фазы для высокопрочных сталей * Напряжение, отвечающее долговечности 25 кциклов при коэффициенте концентрации напряжений 2,2. Однако при этом содержании углерода значение K 1c будет ниже заданного. Использование факторов, повышающих K 1c (верхняя кривая), также не дает решения (точка лежит ниже заданного значения K 1c ). Следовательно, необходимо использовать твердорастворное и другие виды упрочнения, представленные верхней кривой, с тем чтобы обеспечить заданную прочность при меньшем проценте упрочняющей фазы – точка Е. Этому содержанию упрочняющей фазы отвечает более высокое значение K 1c , но оно ниже заданного. После использования резервов структурного упрочнения K 1c повышается (верхняя кривая). Таким образом находится необходимое решение – заданные значения σ в и K 1c достигнуты. Аналогичный путь может быть использован для алюминиевых и титановых сплавов. Следует отметить, что диаграммы, связывающие качество материала с упрочняющей фазой и дающие информацию о влиянии структурных факторов, получены в итоге обширных фундаментальных исследований, начатых и развиваемых созданными в ВИАМ научными школами, в частности С.Т. Кишкиным – по карбидному, интерметаллидному, авторадиографическому анализу фазового равновесия, И.Н. Фридляндером – по металловедению алюминиевых сплавов, Р.Е. Шалиным и Е.Б. Качановым – по металлургии сталей и жаропрочных сплавов, Б.В. Перовым – по композиционным полимерным материалам и рядом других. Дальнейшее развитие этих плодотворной исследований базой для является создания обязательным материалов условием с и заданными характеристиками. На современном этапе развития материаловедения большое внимание уделяется использованию первых принципов, т.е. основных закономерностей физики твердого тела для получения расчетным путем характеристик конструкционных материалов. В ВИАМ получили расчетные характеристики без экспериментальной информации на основе первых принципов. В изысканиях реализован метод линеаризованных аффинтин орбиталей, причем предложена одна из наиболее эффективных процедур самосогласованного решения уравнения Кона–Шена. С помощью этого метода были впервые исследованы термодинамические свойства упрочняющей фазы Al 3 Li сплавов системы Аl–Li. Однако из первых принципов удалось рассчитать в основном характеристики, связанные с параметрами решетки, например, из термодинамических свойств – энтальпию. Из механических свойств пока удалось рассчитать объемный модуль и объяснить аномальное поведение упругих свойств Аl–Li-сплавов. Переход к субмикроскопическому уровню исследований продуктивен для отдельных частных решений, например, при оптимизации состава упрочняющих фаз. Предложено использование метода компенсационного изоморфизма для установления на основе оценки электронной концентрации оптимального легирования в фазе γ', составляющей основу никелевых жаропрочных сплавов (рис. 7). Рисунок 7. Пример расчета на атомном уровне состава упрочняющих фаз Материаловедение феноменологической в настоящее описательной время наукой перестает и начинает быть чисто использовать количественные расчетные методы, остававшиеся до сих пор прерогативой физико-математических наук. Однако в практике изысканий продолжает сохраняться как основной прием диаграмма свойство–параметр, в частности, усложняемая подобно диаграмме на рис. 6. В итоге поиска определяют химический и фазовый состав сплава, его структуру, строение и параметры технологии. Однако это – материал еще не «летающий», т.е. не работающий в изделии, и не промышленно производимый (но его заготовка), он на стадии паспортизации, завершающейся выдачей документа – паспорта, информирующего о химическом составе, строении, структуре, получаемых полуфабрикатах и работоспособности в условиях эксплуатации. Для серийного использования в промышленности не достаточна такая информация – необходима гарантия того, что материал стабильно производится со статистически обоснованным уровнем показателей, например, вероятность неразрушения 0,99 с доверительной вероятностью 0,95. Поэтому неотъемлемой частью разработки материалов с заданными характеристиками является получение стабильных характеристик в условиях промышленного производства и безотказности при эксплуатации. Эта работа охватывает широкий комплекс исследований и изысканий, непосредственно включаемых в круг заданий, стоящих перед разработчиками материалов. Сертификация производственного процесса гарантирует стабильность получаемых характеристик. Соответствие характеристик требованиям, предъявляемым к материалу при эксплуатации изделий авиационной техники, гарантия их эффективности и безотказности устанавливаются сертификатами материала, которые должны быть неотъемлемыми составляющими сертификации воздушного судна. С учетом многолетних традиций и опыта сдачи-приемки по минимальным показателям технических условий, а также длительного периода сохранения и отсутствия должной конкуренции у производителей авиационных материалов целесообразно дополнить сертификацию систем качества производства обязательной сертификацией продукции.
