Введение

Сплавы на основе алюминия, отличающиеся пониженной плотностью благодаря введению в качестве легирующего элемента лития, представляют особый интерес для авиационной промышленности [2].

Сплав В-1469-Т1 системы Al–Cu–Li–Mg с добавками Sc и Ag относится к свариваемым и высокопрочным. Особенностью сплава является технологичность при литье и обработке давлением, что позволяет получать из него все виды полуфабрикатов, в том числе листы холодной рулонной прокаткой [3, 4]. Сплав рекомендуется для изготовления элементов планера (лонжероны, балки и другие детали фюзеляжа), длительно работающих на сжатие во всеклиматических условиях до температуры 150°С.

Сплав 1441-Т1 системы Al–Li–Mg–Cu относится к среднепрочным высокоресурсным, технологичен при обработке давлением, что позволяет получать из него холодной рулонной прокаткой листы толщиной до 0,3 мм. Освоено производство листов, плит, прессованных профилей и панелей. Рекомендуется для обшивки фюзеляжа и внутреннего силового набора [5–7].

Выбор сплавов В-1469 и 1441 для исследований степени надежности при эксплуатации обусловлен перспективностью использования листов из них толщиной 0,3–0,4 мм для создания биметаллических материалов с повышенной трещиностойкостью и высокопрочных слоистых металлополимерных материалов.

В научно-технической литературе имеются обширные данные о влиянии коррозионных сред, в том числе промышленной и приморской атмосферы, на деформационное поведение алюминиевых сплавов [8–13].

Стоит отметить работы [14–17], посвященные изучению влияния «жесткого» цикла нагружения на механизм развития и характер разрушения жаропрочных никелевых сплавов при испытаниях на малоцикловую усталость. При этом большое значение как с прикладной, так и с фундаментальной точки зрения, имеет эволюция повреждений при совместном воздействии нагрузки и коррозионной среды, так как количественная оценка деформационных параметров (плотности полос скольжения, размеров зон накопления пластической деформации у излома, шероховатости поверхности в выделенных зонах) и параметров поврежденности (глубины и площади коррозионных питтингов) позволяет оценить остаточную прочность материала и спрогнозировать остаточный ресурс деталей конструкций.

Цель работы – проведение сравнительного анализа воздействия приложенной нагрузки и коррозионно-активной среды на сплавы 1441 и В-1469, установление количественных закономерностей деформации и изменения рельефа поверхности с учетом суммарного влияния нагрузки и активной коррозионной среды.

Материалы и методы

Коррозионные испытания проводили в камере солевого тумана (VSC-1000) в течение заданного времени путем постоянного распыления 5%-ного раствора NaCl при температуре (35±2)°С и относительной влажности 95–98%.

натурно-ускоренные испытания образцов в приморском климате проводили в Геленджикском центре климатических испытаний им. Г.А. Акимова (ГЦКИ ВИАМ) на открытой площадке с дополнительным обливом морской водой 1 раз в сутки. Продолжительность экспозиции составляла 90 и 120 сут.

После окончания срока экспозиции с поверхности образцов продукты коррозии удаляли в 30%-ном растворе азотной кислоты согласно ГОСТ 9.913–90. Затем образцы промывали проточной водой, ополаскивали дистиллированной водой и сушили в термошкафу при температуре 40°С.

Проведение испытаний на малоцикловую усталость в условиях «жесткого» нагружения до и после коррозионного воздействия разной длительности осуществлялось с использованием сервогидравлической испытательной машины МТS (при нагрузке 5 т) с приспособлением для «жесткого» нагружения.

При проведении исследований использовали современное исследовательское оборудование, а также комплекс высокоразрешающих металлофизических методов, включая электронную и оптическую микроскопию.

Наличие фрагментации поверхности и выходов плоскостей скольжения на поверхность исследуемых образцов из литийсодержащих алюминиевых сплавов, а также изучение характера разрушения (изломов) осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6490 LV фирмы Jeol. Исследование микроструктуры проводили с использованием оптического комплекса Leica и растровой электронной микроскопии.

Результаты

Механические испытания образцов из алюминий-литиевых сплавов 1441 и В-1469, общий вид которых показан на рис. 1, проводили по следующим схемам нагружения:

– схема 1 – испытания на МЦУ по «жесткому» циклу на воздухе как до разрушения, так и с остановкой испытания при достижении 0,7% деформации и частоте 1 Гц;

– схема 2 – выдержка в коррозионно-активной среде камеры солевого тумана (КСТ) в течение 15; 30 и 45 сут и последующее испытание на МЦУ по «жесткому» циклу при максимальной степени деформации 0,7% и частоте 1 Гц;

– схема 3 – выдержка в коррозионно-активной среде в условиях морского климата (ГЦКИ) в течение 90 и 120 сут и последующее испытание на МЦУ по «жесткому» циклу при максимальной степени деформации 0,7% и частоте 1 Гц.

Рис. 1. Общий вид образца для испытаний на МЦУ

Методами растровой микроскопии изучали кинетику процесса накопления линий скольжения и коррозионных повреждений на поверхности образцов, оценивали их плотность на различном расстоянии от излома.

В результате анализа поверхности испытанных до разрушения образцов установлено наличие двух зон (рис. 2), отличающихся степенью шероховатости и плотностью линий скольжения, – сильнодеформированной (h_vh) и слабодеформированной (h_v).

Сильнодеформированная зона (h_vh) в образцах из сплавов 1441 и В-1469 сосредоточена непосредственно у излома и занимает соответственно не более 8 и 16% от общей длины рабочей части. Именно в этой зоне наблюдаются множественные линии скольжения в виде разориентированных относительно друг друга «пакетов», фрагментация поверхности и вторичные микротрещины. Плотность линий скольжения вблизи излома составляет 400–600 мм^-1. на расстоянии 1,5–2 мм от излома плотность линий снижается до 100 мм^-1. В слабодеформированной зоне (h_v) обоих сплавов присутствуют только единичные линии скольжения (рис. 3).

Методом лазерной микроскопии определена шероховатость поверхности образцов из обоих сплавов в сильно- и слабодеформированных зонах. Показано, что шероховатость поверхности (R_a) в зоне h_vh в 1,5 (сплав 1441) или в 2 раза (сплав В-1469) превышает шероховатость в зоне h_v (рис. 4).

Установлено, что разрушение развивается от микротрещин, которые образовались непосредственно на линиях скольжения даже при наличии рисок от механической обработки на поверхности образцов (рис. 5).

Рис. 2. Общий вид разрушенного после испытаний на МЦУ образца 

Рис. 3. Линии скольжения в слабо- (а, в) и сильнодеформированной зонах (б, г) образцов из сплавов В-1469 (а, б) и 1441 (в, г)

Рис. 4. Шероховатость поверхности образца из сплава 1441 в сильно- (а, в) и слабодеформированной зонах (б, г)

Рис. 5. Образование микротрещины по полосе скольжения

Испытания, проведенные в камере солевого тумана (КСТ), и натурно-ускоренные испытания позволили определить кинетику накопления коррозионных повреждений на поверхности образцов из сплавов 1441 и В-1469.

При испытаниях в КСТ среднее значение скорости коррозии для сплавов 1441 и В-1469 составило 0,1 и 0,25 г/(м²·сут) соответственно. После выдержки в условиях морского климата среднее значение скорости коррозии для сплава 1441 составляет 0,03 и 0,34 г/(м²·сут) для сплава В-1469.

Коррозионные поражения исследуемых сплавов носят различный характер. В сплаве 1441 преобладает развитие общей коррозии, при которой коррозионные питтинги распространяются преимущественно по поверхности и не имеют четко очерченных границ. Сплав В-1469 характеризуется появлением глубоких питтингов, вытянутых вдоль оси образца и имеющих четкие границы (рис. 6). Увеличение продолжительности коррозионных испытаний приводит к углублению питтингов и увеличению площади, занимаемой коррозионными повреждениями. В сплаве В-1469 в большей степени выражена склонность к потере материала в ходе воздействия коррозионной среды.

Рис. 6. Коррозионные поражения на поверхности сплавов В-1469 (а, в, д) и 1441 (б, г, е)
после 4 мес натурно-ускоренных испытаний в условиях ГЦКИ

Фрактографический анализ образцов из сплавов 1441 и В-1469, испытанных на МЦУ после выдержки в КСТ, показал, что для обоих сплавов многоочаговое разрушение начинается от коррозионных поражений (рис. 7) с развитием рельефа, характерного для «жесткой» схемы испытания. На усталостных плато наблюдаются грубые бороздки и вторичные трещины, в зоне статического разрушения разрушение проходит преимущественно по механизму вязкого среза и с формированием ямочного рельефа.

Анализ поверхности и изломов образцов исследуемых сплавов после пребывания в условиях ГЦКИ с ежедневным обливом морской водой выявил аналогичную картину разрушения (рис. 8).

Рис. 7. Характерный вид изломов после испытаний на МЦУ образцов из сплавов В-1469 (а, в, д) и 1441 (б, г, е–з) после выдержки в КСТ

Рис. 8. Характерный вид изломов после испытаний на МЦУ образцов из сплавов В-1469 (а, в, д, ж) и 1441 (б, г, е, з) после натурно-ускоренных испытаний

Фрактографические исследования выявили превалирующие механизмы разрушения при испытаниях по двум вариантам:

– в случае испытаний по схеме 1 – на участке слияния поверхностных микротрещин, образовавшихся на линиях скольжения, формируется зона развития усталостной трещины;

– в случае испытаний по схемам 2 и 3 – усталостная трещина развивается от коррозионных повреждений поверхности как от глубоких, так и от мелких питтингов.

В зоне статического разрушения формируется преимущественно вязкий срез и ямочный излом.

Исследования показали, что в сплаве 1441 наблюдается выраженная локализация деформации и при воздействии активной коррозионной среды проявляется склонность к общей коррозии. Сплав В-1469 отличается меньшей локализацией деформации и при воздействии среды более склонен к коррозионному растрескиванию.

Обсуждение и заключения

При проведении исследований кинетики накопления повреждений в поверхностных слоях образцов литийсодержащих алюминиевых сплавов 1441 и В-1469, испытанных на усталость по «жесткому» циклу нагружения в увсловиях совместного воздействия приложенной нагрузки и коррозионно-активной среды, получено:

– сильнодеформированная зона в образцах из сплавов 1441 и В-1469 сосредоточена непосредственно у излома и занимает соответственно не более 8 и 16% от общей длины рабочей части. Независимо от марки сплава плотность линий скольжения в этой зоне в 4–6 раз превышает плотность линий скольжения в слабодеформированной зоне;

– при воздействии коррозионно-активной среды сплав 1441 более склонен к коррозионному растрескиванию, а сплав В-1469 – к общей коррозии;

– с помощью фрактографического анализа установлено, что испытания на МЦУ в условиях «жесткого» цикла нагружения приводят к образованию многоочагового разрушения и ускоренному росту трещины с формированием грубых усталостных бороздок и мелких ямок в усталостной зоне; в зоне статического разрушения формируется преимущественно вязкий срез и ямочный излом;

– наличие коррозионной среды приводит к локализации деформации (уменьшению зон пластической деформации);

– наличие линий скольжения и фрагментации поверхности, сосредоточенных на малом участке, позволяет прогнозировать возникновение разрушения именно на этом участке, что может быть использовано для диагностики состояния материала детали в процессе эксплуатации, прогнозирования остаточного ресурса, а также при разработке новых материалов;

– сравнительный анализ деформационного поведения алюминий-литиевых сплавов 1441 и В-1469 в условиях воздействия коррозионной среды и приложенной нагрузки показал, что в сплаве В-1469 зона значительной локализации деформации, предшествующей разрушению, и сопротивление разрушению в условиях усталостных испытаний по «жесткому» циклу в 1,5–2 раза больше, чем в сплаве В-1441, но при этом и скорость коррозии выше в 2 раза.

Полученные результаты позволят более точно рекомендовать область использования сплавов, обосновывать выбор материала для применения в различных условиях эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-08-12081-офи_м).