Прочностные характеристики материалов планера
advertisement
ВИАМ/2012-206188 Прочностные характеристики материалов планера самолетов в условиях влажности А.Н. Луценко кандидат технических наук А.В. Гриневич доктор технических наук С.А. Каримова кандидат технических наук Октябрь 2012 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 «Вопросы материаловедения», № 1, 2013 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Прочностные характеристики материалов планера самолетов в условиях влажности А.Н. Луценко, А.В. Гриневич, С.А. Каримова Всероссийский институт авиационных материалов Рассмотрены прочностные характеристики, используемые при оценке прочности и надежности самолетов, и показана целесообразность определения расчетных значений прочностных характеристик на основе статистики. Обсуждаются директивные требования по оценке воздействия влаги на расчетные значения прочностных характеристик, нашедшие отражение в последней редакции Авиационных правил, являющихся законом при сертификации самолетов. Для металлических материалов определены прочностные характеристики, расчетные значения которых должны определяться с учетом воздействия влажности. Предложен критерий оценки коррозионного воздействия. Введение. К вопросу статистической оценки прочностных характеристик Безопасность и надежность воздушного судна базируется на Авиационных правилах (АП), являющихся законом, которому должны следовать как при создании летательных аппаратов, так и при их сертификации. Несмотря на то что проблеме материалов, применяемых при строительстве воздушного судна, посвящено всего несколько параграфов, но именно они во многом определяют безопасность и надежность воздушного судна, а также его конструкционное совершенство. И эти же пункты оказались камнем преткновения при сертификации самолета Ил-96-300Т для американского рынка. В Federal Aviation Administration (FAA) США разработчикам самолета указано представления прочностных на отсутствие характеристик статистического материалов, которое устанавливалось в АП параграфом 25.613 «Прочностные характеристики материалов и их расчетные значения». Чтобы избежать неточности в толковании требований содержащихся FAA, в параграфе 25.613, процитируем базовые пункты данного параграфа: «a) Прочностные характеристики материалов должны определяться на основании достаточного количества испытаний, с тем чтобы расчетные значения можно было устанавливать на основе статистики. b) Расчетные значения следует выбирать таким образом, чтобы уменьшить вероятность разрушений конструкции из-за непостоянства свойств материалов. ...Соответствие данному параграфу должно быть показано путем выбора расчетных значений, которые обеспечивают прочность материала со следующей вероятностью: – 99% с 95%-ным доверительным интервалом, когда приложенные нагрузки передаются через единичный элемент агрегата, разрушение которого приводит к потере конструктивной целостности агрегата; – 90% с 95%-ным доверительным интервалом для статически неопределимой конструкции, в которой разрушение любого отдельного элемента приводит к тому, что приложенные нагрузки безопасно распределяются по другим несущим элементам». Данный параграф был внесен при гармонизации отечественных Норм летной годности самолетов транспортной авиации (АП, ч. 25) с американским Federal Aviation Regulation (FAR 25), поскольку самолет, поставляемый на американский рынок, должен при сертификации соответствовать нормам этого рынка. Отечественная практика проектирования и расчета на прочность воздушного судна опиралась на прочностные характеристики материалов, представленных в технических условиях, в которых прочностные характеристики материала в полуфабрикате приводятся с пометкой «не менее», что, по мнению наших разработчиков, предполагало невозможность попадания в конструкцию материала с более низкими прочностными характеристиками. В американской практике проектирования показатели технических условий рассматриваются как селективный или «дополнительный отбор». Не отказываясь от значений прочностных характеристик, представленных в технических условиях, в этом случае испытаниям должен подвергаться образец-свидетель. Возможность использования показателей прочностных характеристик, представленных в технических условиях, нашла отражение в пункте «е» параграфа 25.613. В нем устанавливается возможность использования более высоких значений характеристик материала, если производится «дополнительный отбор» материала, при котором испытаниям подвергается образец-свидетель каждого отдельного элемента перед его использованием в целях подтверждения, что фактические прочностные свойства этого конкретного элемента будут равными или больше тех, которые использованы в расчете. Целесообразность применения вероятностно-статистических методов при решении вопросов, связанных с прочностью конструкции, и особенно при оценке ее ресурса, обоснована в монографии [1]. В 70-х годах требования по статистическому представлению прочностных характеристик были включены в отечественные Нормы летной годности. Однако в них не конкретизировались количественные показатели, что привело к исключению в 80-х годах параграфа о статистической оценке прочностных характеристик материалов при статистического сертификации представления самолета. прочностных Вследствие отказа от показателей материалов разработчики авиационной техники при сертификации FAA в 90-е годы не могли в полной мере обеспечить ее соответствие требованиям параграфа 25.613 АП. Масштабные работы по сертификации ряда материалов, которая включала статистическую оценку прочностных характеристик, оказались бесполезными, поскольку не были назначены ни нормы, ни правила их определения. На настоящий момент нормы установлены: для базиса «А» уровень прочности 99% с доверительной вероятностью 95%, а для базиса «В» – 90% с доверительной вероятностью 95%. Рассмотрим количественную оценку выпадов прочности для принятых базисов. Для базиса «А» возможен 1 выпад из 100 образцов при 5 выпадах из 100 выборок, т.е. 5 выпадов на 10000 образцов. Для базиса «В» количество выпадов существенно увеличивается и составляет 50 выпадов на 10000 образцов. Правомерность и полезность статистической оценки можно проследить из сравнения материалов «М» и «Н» на рисунке. По средним значениям ограниченной выборки материал «М» имеет преимущество перед материалом «Н». Если же рассматривать всю генеральную совокупность с оценкой нижнего толерантного предела, который задается АП базисами «А» и «В», то на первое место выходит материал «Н». Сравнение материалов «М» и «Н» по разным базисам По американским нормам, определяющим заданные базисы «А» и «В», предписывается следующий алгоритм их определения. Берутся не менее 10 плавок, из каждой не менее 10 образцов, что позволяет оценить генеральную совокупность данного материала. Фактически по 100 образцам делается статистика выводов, т.е. определяется нижний толерантный предел для всей совокупности материала. Следует еще раз отметить, что определяются расчетные значения прочностных характеристик материала в конкретном полуфабрикате. Следовательно, для одной марки материала, но разных полуфабрикатов могут иметь место различные значения прочностных характеристик. Так, для плит сплава 2024-Т351 (отечественный аналог Д16) в американском справочнике MIL-HDBK-5H и его продолжении «Metallic Materials Properties Development and Standardization» (MMPDS-02) расчетные значения прочностных характеристик по базису «А» и «В» определены для ряда диапазонов толщин: 6–12, 12–25, 25–38, 38–50, 50–76, 76–101 мм. Представленный выше алгоритм (до последней редакции АП, ч. 25 2009 г.) распространялся изначально только для оценки прочностных характеристик при статическом растяжении. Рассмотрим прочностные характеристики и представление их расчетных значений. Прочностные характеристики планера воздушного судна и их расчетные значения Прочностные характеристики материалов необходимы для оценки несущей способности воздушного судна, его ресурса и уровня безопасной повреждаемости. Для определения предельных состояний материала в конструкции используются характеристики материала, которые можно крайне условно разделить на три группы. В первую группу входят характеристики, которые используются для оценки предельных состояний при статических нагрузках. Вторая группа объединяет характеристики для оценки предельного состояния при переменных нагрузках. Поскольку в большинстве случаев разрушение рассматривается как процесс возникновения и развития трещин, то третья группа прочностных характеристик объединяет характеристики механики разрушения. И затем на эти три группы могут накладываться требования по влиянию температуры и влаги. Для определения несущей способности воздушного судна необходимы основные характеристики статической прочности конструкционных материалов, к которым относятся: предел прочности при растяжении σ в ; условные пределы текучести при растяжении и сжатии с допуском на остаточную деформацию 0,2% (σ 0,2 и σ 0,2 сж ); предел прочности при смятии и предел текучести с допуском на овализацию 2% (σ в.см и σ 2см ); сопротивление сдвигу τ; модуль нормальной упругости Е; относительное удлинение после разрыва δ; коэффициент Пуассона μ. Данные характеристики материала являются основными при оценке статической прочности конструкции. В американском справочнике «Metallic Materials Properties Development and Standardization» (MMPDS-02) прочностные характеристики (σ в ; σ 0,2 ; σ 0,2cж ; σ в.см ; σ 0,2см ; τ) приводятся со статической оценкой, т.e. по базису «А» и «В». Однако для ряда полуфабрикатов данные характеристики приводятся по базису «S» (эквивалент отечественных технических условий на материал). Характеристики Е и μ в справочнике MMPDS-02 представлены типичными (средними) значениями (базис «Т»), а величина δ представлена базисом «S». В отечественных справочниках, как правило, только характеристики статической прочности – σ в , σ 0,2 , δ – соответствуют техническим условиям, что дает основание рассматривать эти значения как расчетные. Большинство механических свойств приводятся как средние или типичные значения. Для расчета на прочность воздушного судна необходимы и физические параметры материалов: плотность, теплопроводность, теплоемкость и др., которые в справочнике MMPDS-02 представлены типичными значениями. При общей направленности на статистическую оценку прочностных характеристик материала с определением нижнего толерантного предела для всей генеральной совокупности (базис «А» и «В») в справочнике MMPDS-02 допускается представление расчетных значений и по базису «S» при подтверждении принятой прочности на образце-свидетеле. Ряд прочностных характеристик, в их числе и характеристики усталости, представлены средними значениями (базис «Т»). Оценка ресурса конструкции базируется на характеристиках усталости стандартных образцов, результаты испытаний которых обычно приводятся в виде зависимости N–f(σ) напряжение–число циклов до разрушения. Для получения кривой усталости, которая строится по точкам, полученным при определенном шаге изменения нагрузки, американские нормы рекомендуют от 8 до 16 образцов. Поскольку для оценки усталостной долговечности материала крайне важно соотношение амплитуды и постоянной нагрузки цикла, оценка усталости проводится при разном коэффициенте асимметрии цикла. Рекомендуемое количество образцов при этом возрастает до 48. Усталостная долговечность материала определяется при разных концентраторах напряжения. Алюминиевые сплавы, составляющие основу планера самолета, испытываются в условиях управления по нагрузке («мягкий» цикл нагружения) при разных концентраторах напряжения. Отечественная практика рекомендует оценку усталостной долговечности на двух или трех уровнях нагрузки с испытанием на каждом порядка 15 образцов. По этим двум или трем базам определяются коэффициенты зависимости напряжение–число циклов до разрушения, которая в логарифмических координатах в диапазоне 103–105 циклов нагружения представляется прямой линией. Не рассматривая преимущества и недостатки данных подходов при оценке усталостных характеристик материала, следует отметить, что требования по статистической оценке характеристик усталости вводятся последней редакцией АП (2009 г.). Ранее подобные требования к характеристикам усталостной долговечности не выдвигались, а общий подход к оценке усталости и допустимой повреждаемости излагался в параграфе 25.571 АП «Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции». Параграф 25.571 АП гласит, что «оценка прочности, уровня проектирования и качества производства должна показать, что аварийной или катастрофической ситуации из-за усталости, коррозии, дефектов производства или случайного повреждения можно избежать в течение всего времени эксплуатации самолета». В последней редакции АП требования по оценке расчетных значений появились в параграфе 25.613, регламентирующем расчетные характеристики и статистическое представление их расчетных значений. Пункт «d» параграфа 25.613 гласит, что «для обеспечения возможности выполнения расчетных оценок в соответствии с требованиями параграфа 25.571 должны быть определены номенклатура и статистически обоснованные уровни расчетных характеристик усталости и трещиностойкости материалов конструкции». Следовательно, наряду с кривой усталости, отражающей средние значения усталостной долговечности, должны быть представлены статистически обоснованные показатели усталостной долговечности с заданным уровнем прочности и доверительной вероятности. Логично предположить, что статистически обоснованные уровни расчетных характеристик усталости уже определены пунктом «b» параграфа 25.613, т.е. базисом «А» и «В». Расчетные значения характеристик трещиностойкости, исходя из требований пункта «d» параграфа 25.613, содержание которого приведено выше, должны быть представлены со статистической оценкой. В справочнике MMPDS-02 основная характеристика вязкости разрушения K 1с (коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации) представлена минимальными, средними, максимальными значениями и коэффициентом вариации. Количество определений для разных полуфабрикатов колеблется от двух десятков до четырех сотен, поэтому оценка базиса «А» и «В» для характеристик трещиностойкости не представляется сложной задачей. Включение требований учета влажности в расчетных характеристиках Последней редакцией АП не только установлена необходимость оценки расчетных значений выносливости и трещиностойкости на основе их статистической оценки, но аналогичные требования были сформулированы в отношении влажности. В пункте «с» параграфа 25.613 указано: «должно учитываться влияние условий окружающей среды, таких как температура и влажность, на расчетные значения применяемых в ответственных элементах или узлах конструкции материалов, если в диапазоне условий эксплуатации самолета это влияние является существенным». Воздействие коррозионной среды на конструкционные материалы всегда было в центре внимания как материаловедов, так и конструкторов, поскольку во многом определяет эксплуатационную надежность воздушного судна. Необходимость учета влаги вводилась параграфом 25.603 АП, который посвящен применению материалов в конструкции воздушного судна: «…пригодность и долговечность материалов, используемых для изготовления деталей, поломка которых может отрицательно повлиять на безопасность, должны оцениваться с учетом влияния окружающих условий, ожидаемых в эксплуатации, таких как температура и влажность». Это общее требование необходимости учета влажности при выборе материалов всегда существовало в Нормах летной годности (затем в АП), но при этом никогда не нормировалось требование по воздействию влаги на расчетные значения прочностных характеристик. В.С. Дубинский * [2] отмечает, что методов, определяющих снижение прочности конструкции из-за коррозии, не существует и практически невозможно предсказать момент начала коррозии и скорость потери прочности. Данное заявление резко контрастирует с огромным объемом исследований, посвященных коррозионным воздействиям. Разработано * Ведущий специалист ЦАГИ в области оценки прочностных характеристик конструкции при наличии коррозионных поражений. большое количество методик, отечественных и зарубежных стандартов для оценки повреждаемости конструкционных материалов при воздействии коррозионной среды. Стандарты позволяют определить степень повреждаемости металлических материалов от общей коррозии (ГОСТ 9.913, ASTM В-117, ASTM G-85), межкристаллитной коррозии (ГОСТ 9.021, ГОСТ 6032, MIL-H-6088), питтинговой коррозии (ГОСТ 9.904, ASTM G-46) и расслаивающей коррозии (ГОСТ 9.904, ASTM G-112, ASTM G-34). Поскольку на конструкции воздействуют внешние нагрузки, в ряде методик сочетается воздействие коррозионной среды и постоянной механической нагрузки, что привело к формированию характеристики «коррозионное растрескивание». Механические напряжения в образце создавались либо прямым приложением нагрузки, либо заданной деформацией (ГОСТ 9.019, ASTM G-44, ASTM G-38, ASTM G-39, ASTM G-49). Поскольку конструкции работают в условиях переменных нагрузок, были разработаны методики усталостные испытания Необходимость учета оценки с коррозионной воздействием коррозионного усталости, коррозионной воздействия сочетающие среды отмечена [3]. и в основополагающих руководствах для расчета на прочность деталей машин [4, 5]. В них констатируется факт снижения предела усталости при воздействии коррозионной среды, но не приводится методика определения расчетных значений усталостных характеристик металлов при действии влаги. Результаты испытаний на коррозионную стойкость и коррозионную усталость, выполненных в лабораторных условиях, создают основу для сравнения материалов, но не позволяют прогнозировать изменение прочностных показателей материалов конструкции в процессе эксплуатации. Следует констатировать, что, несмотря на многообразие подходов к оценке воздействия коррозионной среды, все испытания носят ранжирующий характер, т.е. располагают материалы в некоторый ряд по коррозионной стойкости для принятых условий испытаний. Проблема определения расчетных значений прочностных характеристик материала с учетом воздействия влаги остается открытой [6]. Это осложняет оценку эксплуатационной надежности самолета, а также получение доказательной документации о безопасности воздушного судна для его сертификации в соответствии с рассмотренным пунктом «с» параграфа 25.613 АП. Рассмотрим характеристики для расчета на прочность, для которых влияние влаги значимо. Оценка расчетных характеристик по определению статической прочности металлических материалов при воздействии влаги не представляется целесообразным, поскольку коррозионное повреждение является процессом, существенно растянутым по времени, если не рассматривать поверхностно-активные эффекты. Попытки растянуть время нагружения до нескольких суток не являются рациональными, поскольку, в лучшем случае, эти оценки могут ранжировать материалы для конкретных условий испытаний. Для оценки статической прочности металлической конструкции определяющим фактором является динамика коррозионного поражения, обусловливающая степень уменьшения рабочего сечения материала. При этом расчетные значения статической прочности материала остаются неизменными. Оценка расчетных значений усталостных характеристик при воздействии влаги является наиболее сложной задачей. Очевидно, что влага существенно влияет как на зарождение усталостной трещины, так и на ее развитие. На необходимость учета воздействия влаги на усталостные характеристики указывали еще Г.В. Акимов [6], один из основоположников отечественной науки о коррозии металлов, и его учитель В.О. Крениг [7]. Вопрос коррозионной усталости затрагивался и в последующих работах [8, 9]. Тем не менее проблема остается нерешенной и в настоящее время [10]. Основная сложность оценки расчетных характеристик усталости при воздействии влаги, как и в случае статических характеристик, состоит в нестыковке временных параметров. Усталостные испытания образцов выполняются в течение нескольких часов или суток. Механическая повреждаемость, реализованная за время усталостных испытаний, может характеризовать повреждаемость, получаемую металлом в процессе длительной эксплуатации. Характеристика усталостной механической повреждаемости не зависит от времени, и эквивалентность повреждаемости устанавливается по уровню циклических напряжений и количеству циклов. Коррозионное поражение – это процесс достаточно протяженный во времени, который не удается сжать до нескольких суток. Ускоренные коррозионные испытания изменяют коррозионные условия, имеющие место в эксплуатации, и часто меняют механизм коррозионного поражения. Проблема заключается в отсутствии критерия коррозионной повреждаемости, который устанавливал бы эквивалентность коррозионного воздействия. В качестве критерия коррозионного поражения предложена величина поверхностной Эксперименты по плотности оценке электрического заряда [10]. долговечности образцов при усталостной варьировании величиной поверхностной плотности электрического заряда показали его правомерность. Выполненные изыскания дают основание для нахождения расчетных прочностных характеристик материала при совместном воздействии переменных нагрузок и коррозионной среды [11]. Третья группа прочностных расчетных характеристик объединяет характеристики механики разрушения. К ним следует отнести вязкость разрушения, определяемую в условиях статического нагружения, и скорость развития трещины усталости, отражающую кинетику развития трещины при переменных нагрузках. В механике разрушения описан процесс развития трещин в материале при воздействии переменных напряжений, опираясь на коэффициент интенсивности напряжений в вершине развивающейся трещины. Нахождение зависимости скорости роста трещины усталости (СРТУ) в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений dl/dN–f (∆K) открывает возможность прогнозирования остаточного ресурса конструкции при наличии обнаруженной усталостной трещины. Однако ранжирование материалов по СРТУ при испытаниях в конкретной среде и при конкретных частотах испытаний не означает получение расчетных характеристик. При оценке СРТУ в коррозионной среде исследователи сталкиваются со спецификой коррозионного поражения, обусловленного его временным фактором, что приводит к различным значениям скорости роста трещины при различных частотах испытаний. Авторы полагают, что критерий коррозионной повреждаемости позволит и в случае применения характеристик механики разрушения привести данные к единому показателю. Временной характер воздействия коррозионной среды будет значимым и при приложении постоянной нагрузки для тела, содержащего трещиноподобный дефект. Коррозионное воздействие с течением времени изменит состояние металла в вершине трещины, что приведет к ее развитию. Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений при воздействии коррозионной среды получило обозначение K scc (stress crack corrosion). Для ряда материалов влага может оказаться поверхностно-активной средой, напрямую воздействующей на ювенильную поверхность развивающейся трещины. В этом случае воздействие влаги приведет к снижению критического коэффициента интенсивности напряжений и, как следствие, к уменьшению критической длины трещины. Путем прямого усл эксперимента с присутствием влаги при определении K с ; K c и K 1с можно получить ответ на данный вопрос. Выводы Резюмируя характеристиками вышеизложенное металлов, полагаем, которые что необходимы прочностными для определения прочности и надежности конструкции в условиях воздействия влаги, являются характеристики усталости и трещиностойкости (СРТУ), полученные с включением эквивалентной коррозионной повреждаемости в цикл нагружения. Список литературы: 1. Прочность самолета (методы нормирования расчетных условий прочности самолета) / Под ред. акад. А.И. Макаревского. – М.: Машиностроение, 1975. – 280 с. 2. Dubinskiy V.S., Senik V.Y. Estimation of the Corrosion Damage of the Airplanes in Operation by Means of Mathematical Statistics (TsAGI) // Report for joint workshop held in Milan university. – Milan, 2006. 3. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие. Т. 2: Методы исследования механических свойств металлов. – М.: Машиностроение, 1974. – С. 320. 4. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. – М.: Машиностроение, 1975. – 488 с. 5. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Справочник. – М.: Машиностроение, 1985. – 224 с. 6. Акимов Г.В. Теория и методы исследования коррозии металлов. – M.-Л: Изд-во АН СССР, 1945. 7. Крениг В.О. Коррозия металлов. – М.-Л: ОНТИ НКТП СССР. Главная редакция литературы по цветной металлургии, 1936. 8. Коррозионная усталость металлов / Под ред. акад. Я.М. Колотыркина. – Киев: Наукова думка, 1982. 9. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. – Л: Химия, 1989. 10. Zhirnov A.D., Grinevich А.V., Karimova S.A. A Problem of fatigue life of structural materials under attacks of corrosive media // The European Corrosion Congress 2010, EUROCORR 2010. – European Federation of Corrosion. Event N 324, 2010. 11. Гриневич А.В., Жирнов А.Д., Каримова С.А. Прогнозирование усталостной долговечности металлических материалов при коррозионном воздействии // Сб. докл. конф. «Геленджик 2010». – М. ОНТИ ЦАГИ, 2010.
