OPIS PROPAGACJI PĘKNIĘĆ W STOPIE AL 2024-T4

Transkrypt

1 ENERGIA W NAUCE I TECHNICE Suwałki 2014 Kłysz Sylwester 1,2, Lisiecki Janusz 1, Nowakowski Dominik 1, Kharchenko Yevhen 2 1 Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych Księcia Bolesława 6, Warszawa tel.: , sylwester.klysz@itwl.pl 2 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Oczapowskiego 11, Olsztyn tel.: , kharchen@uwm.edu.pl OPIS PROPAGACJI PĘKNIĘĆ W STOPIE AL 2024-T4 Wprowadzenie. Stop aluminium EN AW-2024 T4 jest stopem stosowanym na silnie obciążone elementy konstrukcji oraz poszycie samolotów, tam gdzie wymagany jest wysoki stosunek wytrzymałości do masy wyrobu i duża odporność na zmęczenie. Stop ten jest jednak słabo spawalny i ma niską odporność na korozję. Skład chemiczny i własności mechaniczne stopu 2024-T4 według norm PN-EN i PN-EN pokazano w tabelach 1 i 2, według ASM Aerospace Specification Metals Inc. w tabeli 3, a według MIL-HDBK-5J w tabelach 4 i 5. Tabela 1. Skład chemiczny stopu EN AW-2024 T4 wg normy PN-EN [1] Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti inne Al 0,50 0,50 3,8-4,9 0,30-0,9 1,2-1,8 0,10 0,25 0,15 0,15 reszta Tabela 2. Właściwości mechaniczne stopu EN AW-2024 T4 wg normy PN-EN [2] R m R e A 50mm HBW [MPa] [MPa] [%] min. 425 min. 275 min Tabela 3. Właściwości mechaniczne stopu 2024 T4 i 2024 T351 wg ASM [3] R m * R e * A * E * K ν 1C HB* [MPa] [MPa] [%] [GPa] [MPa m] (Ø = 12,5 mm) 20 (t = 1,6 mm) 73,1 0,33 26 (kierunek S-L) 32 (kierunek T-L) 37 (kierunek L-T) (t = 1,6 mm) 73,1 0, * na stronie ASM zaznaczono, że dane te zostały dostarczone przez firmę Aluminum Association Inc. i nie mogą być wykorzystane do projektowania konstrukcji ** na stronie ASM zaznaczono, że dane te zostały dostarczone przez firmę Alcoa i nie mogą być wykorzystane do projektowania konstrukcji 120 1

2 Tabela 4. Właściwości mechaniczne stopu 2024 T4 (pręty walcowane) wg [4] R m, min R e, min A min E [MPa] [MPa] [%] [GPa] ν 427 (kierunek L) (kierunek L-T) (kierunek L-T) (kierunek L) ,4 290 (kierunek L-T) , (kierunek L) ,33 Uwaga: wg [4] obróbka T4 jest przestarzała i nie powinna być wyszczególniana w nowych projektowanych konstrukcjach 1 (dla prętów walcowanych 3,175-25,4 mm) 2 (dla prętów walcowanych 12,7-25,4 mm) 3 (dla blach i płyt o grubości 0,53-6,32 mm, kierunek L-T) 4 (dla blach i płyt o grubości 6,35-12,675 mm, kierunek L-T) 5 (dla blach i płyt o grubości 12,7-25,4 mm, kierunek L-T) 6 (dla blach i płyt o grubości 0,254-6,32 mm) 7 (dla blach i płyt o grubości 6,35 mm) Tabela 5. Właściwości mechaniczne stopu 2024 T3 (blachy o grubości 0,25 3,25 mm) wg [4] R m, min R e, min A min E [MPa] [MPa] [%] [GPa] ν 448 (kierunek L) 441 (kierunek L-T) 331 (kierunek L) 296 (kierunek L-T) 12 (kierunek L-T) 72,4 (kierunek L-T) 0,33 Uwaga: podane wartości R m, R e, A min, E, ν są dopuszczone w projektowaniu konstrukcji w sprzęcie sił zbrojnych lotniczych, morskich i FAA a) c) b) Rys. 1. Kształt i wymiary próbek do badań prędkości rozwoju pęknięć zmęczeniowych 2

3 Przebieg badań. Badaniom poddano próbki typu RCT, M(T) i SENB3 (rys. 1), o parametrach: a) próbki RCT: W = 27,5 mm; B = 3,5 mm oraz W = 27,5 mm; B = 4,8 mm, b) próbki SENB3 - karb Chevrona: W = 40 mm; B = 20 mm; L c = 170 mm, c) próbki M(T)clmp: L/W = 0,72; B = 2 mm; W = 100 mm; L c = 274 mm. Próbki pobrane równolegle względem kierunku wykonania półfabrykatu lub kierunku walcowania arkusza blachy czyli pobrane wzdłuż kierunku włókien struktury materiału, oznaczono jako wzdłużne (kierunek T-L), a próbki pobrane prostopadle do ww. kierunków ( kierunku włókien) oznaczono jako poprzeczne (kierunek L-T). Badania propagacji w ww. próbkach wykonano w akredytowanym Laboratorium Badań Wytrzymałościowych Materiałów ITWL na stanowiskach pokazanych na rys. 2. Stosowano częstotliwość obciążenia 30 Hz. W próbkach wykonano nadpęknięcie. Testy typu K-decreasing i Constant Amplitude CA prowadzono przy trzech wartościach współczynnika asymetrii cyklu obciążenia R = 0,2; 0,5 i 0,8. Rys. 2. Widok próbek z ekstensometrem COD zamocowanych na maszynie wytrzymałościowej MTS Porównano wyniki badań prędkości rozwoju pęknięć zmęczeniowych w badanym materiale, uzyskane na ww. próbkach (pobranych z materiału rodzimego w stanie właściwym do wytwarzania elementów konstrukcji lotniczej) - przeprowadzono analogiczne badania na próbkach wykonanych z materiału poszycia samolotu wycofanego z eksploatacji oraz wykonanych z materiału dźwigara wycofanej z eksploatacji łopaty wirnika nośnego śmigłowca rys. 3. Próbki do tych badań wykonano również w dwóch kierunkach - wzdłuż i osi obciążeń danego elementu konstrukcji. W przypadku próbek z łopaty wirnika pobrano je z górnej i dolnej półki oraz ze ścianki tylnej dźwigara. 3

4 Rys. 3. Miejsca pobrania próbek z materiału konstrukcji lotniczej wycofanej z eksploatacji Wyniki badań pęknięć zmęczeniowych, w postaci przebiegów krzywych a=f(n), K=f(N) oraz da/dn=f(k) przykładowe wykresy przedstawia rys.4, poddano analizie numerycznej do opisu równaniem NASGRO. Analiza wyników badań. W celu przeprowadzenia analiz wyników badań w ww. próbkach przyjęto 9 reprezentatywnych próbek (po 3 próbki dla każdej z wartości współczynnika asymetrii cyklu R) dla każdej partii badanych rodzajów próbek - w celu przygotowania danych do opisu teoretycznego z użyciem równania NASGRO, zapewniających szeroki i jednocześnie jednakowy ze względów statystycznych zestaw danych dla każdej partii próbek. Rys. 4. Przykładowe przebiegi krzywych a=f(n), K=f(N) oraz da/dn=f(k) badania przy współczynniku asymetrii cyklu R = 0,8 4

5 Wyznaczono analityczne wartości da/dn jako równe pochodnej zależności a=f(n) (tj. po przeprowadzeniu regresji wielomianowej i różniczkowaniu danych), uzyskując dzięki temu szerszy zakres wyników dla krzywych da/dn=f(k) niż dla krzywych uzyskanych z pomiarów podczas badań. Przykładowy wynik takich obliczeń przedstawia rys.5. Rys. 5. Porównanie zmierzonej (kolor czerwony) i analitycznej (kolor czarny) Rys. 6. Przykład odwzorowania 46 punktami przebiegu krzywej prędkości wzrostu Zastosowano metodę równomiernego opisu krzywych da/dn=f(k) (według metody opisanej w [5]) w celu jednolitego (w postaci 46 punktów odpowiadającym ustalonym wartościom da/dn) odwzorowania przebiegu krzywych da/dn=f(k) przed poddaniem ich regresjom analiz obliczeniowych zmierzających do wyznaczenia współczynników równania NASGRO. Przykładowy wynik takiego odwzorowania przedstawia rys.6. Wyznaczono współczynniki równania NASGRO opisującego zbiór 9 (46- punktowych po odwzorowaniu przebiegów doświadczalnych) krzywych da/dn=f(k) dla próbek badanych przy 3 wartościach współczynnika asymetrii cyklu R = 0,2; 0,5; 0,8. Równanie NASGRO ma postać: gdzie: 5

6 oraz a początkowa długość pęknięcia, a o wykrywalna długość pęknięcia (0, m), współczynnik zależny od stanu naprężeń, S max / o stosunek maksymalnego przyłożonego obciążenia do granicy plastyczności, C th współczynnik kierunkowy krzywej propagacji w zakresie progowym, K Ic odporność materiału na pękanie, K o progowy zakres współczynnika intensywności naprężeń dla R=0 (K th dla R=0). Współczynnik intensywności naprężeń dla próbek RCT opisuje wzór [6]: a P W a a a a, (8) K I B W W W W W a 2 1 W dla próbek M(T): P 2a 2a K I sec, (9) B W 2 W 2 W a dla próbek SENB3: 1 2 a 3 2 PS W a a a a, (10) K I 1,99 1 2,15 3,93 2, W W W W BW a a W W gdzie: P siła, a/w bezwymiarowa długość pęknięcia. Wyniki opisu wraz z wartościami współczynników równania NASGRO dla odpowiednich partii próbek przedstawiają: - rys.7-10 dla próbek wykonanych z materiału rodzimego, - rys dla próbek wykonanych z dźwigara łopaty wirnika, - rys. 14 dla próbek wykonanych z elementu poszycia kadłuba samolotu. 6

7 wzdłuż Rys.7. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek SENB3 próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 4,37 1,30 2,597 0,444 2,223 2,499E-07 1,5 0,3 3,90 2,39 2,381 0,708 1,829 5,241E-07 wzdłuż Rys.8. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT o grubości 4,8 mm próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 3,11 1,39 2,534 0,216 3,725 1,424E-07 1,5 0,3 3,19-0,80 2,530 0,325 1,984 2,377E-07 7

8 wzdłuż Rys.9. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT o grubości 3,5 mm próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 2,91 0,05 2,369 0,345 2,138 3,585E-07 1,5 0,3 2,42 0,94 2,675 0,161 3,521 1,497E-07 wzdłuż Rys.10. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek M(T) próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 3,01 0,33 3,112 0,129 1,184 9,607E-08 1,5 0,3 3,46-0,67 2,456 0,203 3,036 1,734E-07 8

9 wzdłuż Rys.11. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT pobranych z półki dolnej dźwigara łopaty śmigłowca próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 2,99 0,60 2,780 0,261 2,911 1,195E-07 1,5 0,3 3,44 0,31 3,176 0,275 1,277 1,209E-07 wzdłuż Rys.12. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT pobranych z półki górnej dźwigara łopaty śmigłowca próbki S max / o K o C th n p q C wzdłuż 1,5 0,3 3,56 0,18 2,285 0,327 3,596 1,795E-07 1,5 0,3 3,41 0,35 2,567 0,421 1,570 2,442E-07 9

10 Rys.13. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT pobranych z tylnej ściany dźwigara łopaty śmigłowca S max / o K o C th n p q C 1,5 0,3 2,16 1,37 2,954 0,287 1,440 2,634E-07 Rys.14. Opis równaniem da/dn=f(k) dla próbek RCT pobranych z poszycia kadłuba samolotu S max / o K o C th n p q C 1,5 0,3 4,13 1,27 2,518 0,191 9,030 8,585E-08 Podsumowanie i wnioski. Przeprowadzone badania na próbkach typu RCT, SENB3, M(T)clmp pozwalają na stwierdzenie, że: 1. Wyniki badań pęknięć zmęczeniowych uzyskane na próbkach zginanych trójpunktowo SENB3 i na próbkach RCT o grubości 4,8 mm, dla próbek pobranych w kierunku wzdłużnym i poprzecznym są identyczne i nie wykazują różnic w przebiegu krzywych da/dn=f(k). 2. Wyniki badań pęknięć zmęczeniowych uzyskane na próbkach RCT o grubości 3,5 mm i na próbkach M(T) z blach o grubości 2 mm wykazują 10

11 różnicę w przebiegu krzywych da/dn=f(k) tylko w zakresie bardzo dużych prędkości propagacji, tj. powyżej 10-4 mm/cykl, przy czym większą prędkość propagacji wykazują próbki RCT pobrane w kierunku wzdłużnym a próbki M(T) pobrane w kierunku poprzecznym. 3. W przypadku próbek M(T) z blach przebiegi krzywych da/dn=f(k) dla współczynnika asymetrii cyklu R = 0,2 i 0,5 częściowo się pokrywają co wskazywałoby na małą czułość prędkości propagacji pęknięć od asymetrii cyklu obciążeń w tym zakresie lub na istotną odmienność zachowania się pęknięć w materiałach o obróbce termicznej T4 i T3. 4. Dla danego zakresu współczynnika asymetrii cyklu R wartości progowego współczynnika intensywności naprężeń K th w przypadku próbek z blach i cienkich próbek RCT są mniejsze (rzędu 1,3-3 ) niż w przypadku grubszych próbek RCT lub próbek zginanych (rzędu 1,8-4 ), co wskazuje na możliwość rozwoju pęknięć zmęczeniowych już przy mniejszych obciążeniach lub mniejszych długościach pęknięć w pierwszym przypadku. 5. Można przyjąć, że zarówno dla próbek wzdłużnych i poprzecznych jak i dla próbek z materiału rodzimego i z materiału konstrukcji wycofanej z eksploatacji, uzyskano porównywalne wartości współczynników równania NASGRO opisującego prędkość propagacji pęknięć w badanym materiale stopu Al 2024-T4. Średnie wartości tych współczynników oraz ich odchylenia standardowe wynoszą: współczynnik K o C th n p q C 3,23 0,60 2,65 0,32 2,34 2,20E-07 odch. stand. 0,58 0,88 0,28 0,15 0,91 1,17E-07 Jednak ze względu na znaczną czułość równania NASGRO na wartości zadawanych współczynników także np. kojarzenie skrajnych dolnych ze skrajnymi górnymi ich wartościami dla poprawnego opisu konkretnych danych doświadczalnych sztywne przyjęcie ww. wartości współczynników nie gwarantuje poprawnego opisu przebiegów doświadczalnych krzywych da/dn=f(k). Literatura 1. PN-EN 573-3: 2009, Aluminium i stopy aluminium - Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie-część 3: skład chemiczny i rodzaje wyrobów. 2. PN-EN 485-2: 2009, Aluminium i stopy aluminium - Blachy, taśmy i płyty-część 2: Własności mechaniczne. 3. ASM Aerospace Specification Metals Inc. [ 4. MIL-HDBK-5J, Department of Defense Handbook-Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures, Kłysz S., Leski A.: Good practice for fatigue crack growth curves description, Applied Fracture Mechanics, InTech, ISBN , Chapter 7, pp , Stress intensity factors handbook, Murakami Y. editor, Pergamon Press,