Kovové letecké konstrukce část 1 Materiály

Transkript

1 Kovové letecké konstrukce část 1 Materiály podle podkladů autorů Hans-Jürgen Schmidt, Bianka Schmidt-Brandecker AeroStruc Aeronautical Engineering Vladivoj Otšenášek SVÚM Praha upravil Milan Růžička 1

2 Úvod Vazby ovlivňující vlastnosti a vývoj materiálů STRUKTURA CHEMICKÉ SLOŽENÍ POUŽITÍ VLASTNOSTI VÝROBNÍ TECHNOLOGIE APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE 2

3 Úvod Klasifikace materiálů Materiály Kovové Nekovové Slitiny železa Ostatní slitiny Syntetické Přírodní Ocel, litiny,... (r 7,9 g/cm³) Lehké kovy (r < 5,0 g/cm³) Těžké kovy (r > 5,0 g/cm³) Kompozity (CFRP), keramika,... Dřevo, kůže,... Li (0,5) Mg (1,7) Al (2,7) Ti (4,5) Cu (9,0) Pb (11,3) Pt (21,4) Os (22,5) Hybridní materiály Částicové kompozity (SiC or Al 2 O 3 + Al alloy) Vlákny vyztužené kovy (Glare: fiberglass + Al) 3

4 Úvod Podíl různých typů materiálů v dopravních letadlech 4

5 5

6 6

7 Přehled typů slitin Slitiny hliníku Zn Mg Al-Cu Al-Cu-Mg Al-Mg-Si Al-Zn-Mg stárnuté slitiny Al Cu Al-Zn-Mg-Cu Mn Si Al-Si Al-Si-Cu Al-Mg Al-Mn lité slitiny vytvrzované slitiny 7

8 Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle původních norem ČSN 8

9 Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle International Aluminium Association (AA) Označení slitiny Hlavní legující prvek Typický představitel 1XXX Čistota Al>99,00% XXX Cu XXX Mn XXX Si XXX Mg XXX Mg a Si XXX Zn XXX Ostatní prvky (např. Li) XXX speciální zpracování, např. prášková metalurgie - 9

10 Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle International Aluminium Association (AA) O - žíhaný F - z výroby H - deformačně zpevněný HXX-odlišení stupně deformačního zpevnění W - po rozpouštěcím žíhání (nestabilní stav) T - tepelně zpracovaný T1XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření a přirozeně stárnutý T2XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření, tvářený za studena a přirozeně stárnutý T3XXX po rozpouštěcím žíhání, tváření za studena a přirozeném stárnutí T4XXX - po rozpouštěcím žíhání a přirozeném stárnutí T5XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření a uměle stárnutý T6XXX - po rozpouštěcím žíhání a umělém stárnutí T7XXX - po rozpouštěcím žíhání a přestárnutí / stabilizaci T8XXX - po rozpouštěcím žíhání, tváření za studena a umělém stárnutí T9XXX - po rozpouštěcím žíhání umělém stárnutí a tváření za studena ČSN EN 573-1: Hliník a slitiny hliníku Část 1:Číselné označování 10

11 Fázový diagram hliníkových slitin zdroj: bcv/labor/fm_tepelne_zprac_hlin_sl/ind ex.htm 11

12 Rozdělení slitin hliníku a jejich značení 1) Slitiny tvářené vytvrditelné Al-Cu, Al-Mg-Si Al-Zn nevytvrditelné Al-Mg, Al-Mn Al-Si 2) Slitiny slévárenské Al-Si, Al-Mg 3) PM slitiny (prášková metalurgie) 4) KKM (Kompozity s kovovou matricí) 5) Sdružené materiály (ARALL, GLARE) 12

13 Tepelné zpracování Homogenizační (vysokoteplotní) žíhání Odstranění vnitřních pnutí Žíhání na měkko Rozpouštěcí žíhání a vytvrzení Opakované tepelné zpracování u výrobce letadel - z důvodu nedostatečných vlastností - z provozních důvodů (deformace za studena, například ohyb nebo prosazení) 13

14 Tepelné zpracování Rozpouštěcí žíhání Homogenizační žíhání Žíhání na měkko Umělé stárnutí 14

15 Tepelné zpracování Poznámky Vhodnou volbou parametrů stárnutí lze získat různé kombinace vlastností. Pro získání vhodných vlastností lze například umělé stárnutí provést dvoustupňově (například u některých slitin 7XXX), nebo ho lze provádět při tvářecí operaci (creep ageing). Proces stárnutí může být výrazně ovlivněn plastickou deformací po rozpouštěcím žíhání. U slitin, které stárnou přirozeně (2024) lze proces stárnutí zastavit (pozdržet) umístěním do mrazícího boxu (-18 C). Pro omezení vnitřních pnutí po rozpouštěcím žíhání je vhodné (zvláště u hmotných kusů) ochlazovat výrobek buď do teplé nebo vroucí vody, nebo lze použít jiného chladícího média (glykol). Pro použití glykolu jako chladícího média je nutné dodržet takové podmínky, které zaručí že rychlost ochlazování v celém objemu materiálu proběhne nadkritickou rychlostí. 15

16 Vytvrzovatelné slitiny Tvářené slitiny typu Al-Cu řady 2XXX(duraly) AA2024 (AlCu4Mg1) AA2024 T3: Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda C, tváření za studena, přirozené stárnutí (4 dny) T4:Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda C, přirozené stárnutí (4 dny) tepelné zpracování u odběratele T8: Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda C, tváření za studena, umělé stárnutí 190 C/12h 16

17 Vytvrzovatelné slitiny Tvářené slitiny Al-Zn řady 7XXX - AA7075 (AlZn6MgCu) AA7075 Rozpouštěcí žíhání 475 C, voda Přirozené stárnutí - nepoužívá se Umělé stárnutí (120 C/24 hod) T6 (115 C/5 hod +165 C/15 hod) T73 (115 C/5 hod +165 C/15 hod) T76 Ve stavu T6 má slitina maximální pevnost ale špatnou korozní odolnost. Přestárnutí na stavy T7X vedou sice ke zhoršení pevnosti ale ke zlepšení korozní odolnosti. Ve vývoji jsou další postupy tepelného zpracování. 17

18 Vytvrzovatelné slitiny Slévárenská slitina A357 T61 (AlSi7Mg) Rozpouštěcí žíhání 538 C/10h, voda C, umělé stárnutí 120 C/8h+154 C/8h Vstupní dveře Airbus Vstup do motoru Ø700 mm 18

19 Příklady použití typů materiálů A320 19

20 Příklady použití typů materiálů Frames Standard: 2024-T42 clad Machined: 7175-T73xx Upper shell skin panels 2024-T3 clad Stringers 2024-T42 clad and T73xx Seat rails 7175-T6xx Floor beams 7175-T73xx Support struts 7175-T73xx Lower shell skin panels 2024-T3 clad A320 forward fuselage 20

21 Příklady použití typů materiálů A structural materials share Upper deck floor beams in CRFP Tailcone Fwd in CRFP Fin box & rudder, horizontal tail plane box & elevators with monolithic CFRP Upper/side fuselage skin in GLARE 2524 GLARE CFRP pressure bulkhead Welded lower fuselage panels 6013 Center wing box in CRFP 7xxx Thermoplastic fixed leading edge Advanced aluminum alloys for wing covers 21

22 Příklady použití typů materiálů Civolní letouny slévárenská Casting slitina alloys A 357 A 357 Al-Si-Mg Tvářené Wrought slitiny alloys 2024AA 2024 Al-Cu-Mg 2524AA 2524 Al-Cu-Mg 2618AA 2618 Al-Cu-Mg 6061, AA 6110A 6061 Al-Mg-Si AA , 6056 Al-Mg-Si-Cu Al-Mg-Si-Cu 7075, AA 7175, 7075, 7175, Al-Zn-Mg 7475, 7475, 7010, 7010, , 7050, 7055, 7055, , 7150, 7349, T6 T3/T4 T3/T4 T6/T8 T6 T6 T6 T6, T79, T76, T74, T73 odlévání Sand and investment do písku castings Plechy, Sheet, thin desky, plates, extrusions, výlisky, trubky tubes Plechy Sheet Plechy Sheet Plechy,desky, Sheet, plates, forgings, trubky, extrusions, tyče, výlisky tubes, rods Sheet Plechy Plechy,desky, Sheet, plates, forgings, trubky, tyče extrusions, rods Complex Různé tvary geometry Plechy Sheet are plátovány clad slitinou with alloy Damage tolerance pro High vysoké temperatures teploty Welded Svařované parts díly Welded parts Svařované díly Plechy Sheet are plátovány clad slitinou with alloy 22

23 Volba materiálu Technické požadavky Korozní odolnost (stress-corrosion cracking ) Údržba opravy inspekční prohlídky Statická pevnost Material Únavová p. (do iniciace) Únavová p. šíření trhlin Lomová houž. Damage tolerance Únavová odolnost (Iniciace/propace trhlin) Tuhost (E - modul Cena Měr. hmotnost Výrobní náklady hlediska provozu hlediska návrhu 23

24 Volba materiálu Technical aspects Hlavní trendy Zvyšování pevnosti Zvyšování DT odolnosti Lehčí slitiny Zvyšování korozní odolnosti Snižování výrobních nákladů Dříve Současnost V budoucnu 24

25 Volba materiálu Mat. pro statická zatížení Vysokopevnostní slitiny (R m, R p0,2 ) 7XXX 7010 T6XXX tlustostěnné díly 7075 T6XXX tenkostěnné díly Tepelné úpravy srovnáno podle pevnosti (od max k min): 25 7XXX T76, T74 and T73 kompromis pevnost/korozní odolnost 7XXX T76 or T74 nejlepší pro smyková napětí 7XXX T6 or T76 Vysokomodulové (E T, E C ) Al-Li alloys např T3XXX desky, plechy, výkovky 7149 T76 výlisky Slitiny s vysokou mezí kluzu v tlaku (R c0,2 ) 7149 T76 výlisky 7055/7150 T77XX desky, plechy, výkovky 7010 T6XX desky, plechy, výkovky 7075 T6XX desky, plechy, výkovky

26 Volba materiálu Mat. pro únavová zatížení Kompromis únava/ šíření / houževnatost 2024 T3XXX desky, plechy, výkovky 7475 T73XX desky, plechy 6013 T6 HDT desky, plechy Korozní odolnost: Nejlepší 7XXX T T3 (kromě výkovků) 6XXX (kromě 6013) Nejhorší 7XXX T6XXX 2024 T351 (koroze pod napětím) Tvářitelnost, svařitelnost: Nejlepší 5XXX 6XXX 26

27 Volba materiálu Charakteristiky a použití slitin 2XXX (Al-Cu) : - Výborná houževnatost - Dobrá odolnost únavě - Nízká rychlost šíření trhlin vhodné pro aplikace DT při tahovém zatížení - Náchylnost k vrstevnaté korozi plátování povrchů Typické aplikace: - Potahy a podélníky dolní části křídel - Potahy trupu a podélníky - Pevné náběžné hrany - Sloty Vrstevnatá koroze 27

28 Volba materiálu Charakteristiky a použití slitin 7XXX (Al-Zn) - Vyšší pevnost než 2XXX - Nižší houževnatost než 2XXX - Pomalé šíření trhlin použití jako vysopevnostní materiál pro tahové i tlakové oblasti zatížení Použití: - Potahy a podélníky horní části křídel - Nosníky a žebra - Podélníky a přepážky trupu - Nosníky směrovek (ale A /600 = CFRP) - Klapky a jejich dráhy - Lyžiny sedaček - Příčníky, vzpěry 28

29 Volba materiálu 2024 T3 clad 2024 T42 clad 2524 T3 clad 2524 T42 clad 7475 T T T T T T7751 Porovnání odolnosti růstu trhliny pro K = 20 MPa m, R = 0.1 and T-L směr log (da/dn) (mm/cykl) 10-3 Plechy obrobky

30 2024 T3 clad 2024 T42 clad 2524 T3 clad 2524 T42 clad 7475 T T T T T T7751 Volba materiálu Porovnání lomové houževnatisti Kc/Kc 2024 pro plechy, K IC pro obrobky, T-L direction 1,2 Kc/Kc ,0 Plechy obrobky 40 K Ic MPa m 0,8 30 0,6 0,4 20 0,

31 Vliv technologií na vlastnosti Vliv nehomogenní deformace a technologických operací na strukturu a vlastnosti slitin Výrobní operace lisování kování válcování tvarování operace u odběratele povrchové úpravy TMZ 31

32 T / C/ Vliv technologií na vlastnosti Schéma technologie výroby výlisků z vytvrzovatelné slitiny hliníku Vysokoteplotní žíhání (homogenizace) Rozpouštěcí žíhání 400 Lisování Litý čep Umělé stárnutí 100 Vypínání 0 Přirozené stárnutí 32

33 Vliv technologií na vlastnosti Lisování PŘÍMÉ NEPŘÍMÉ 33

34 Vliv technologií na vlastnosti Lisování tok materiálu lisovací matricí Čep: AlCu4Mg1 Vložky: AlMg3 ustálený stav konec čepu složitý výlisek 34

35 Rm [MPa] Rm [MPa] Vliv technologií na vlastnosti Nehomogenita mechanických vlastností výlisků T T T T T T Vzdálenost od kraje [mm] Vzdálenost od kraje [mm] 35

36 Nehomogenita a anizotropie vlastností 36

37 Nehomogenita a anizotropie vlastností Bodový odhad distribuční funkce pomocí uspořádaného náhodného výběru {N 1 N 2 N n } Hodnota distribuční funkce F(N i ) Odhady distribuční funkce pomocí vztahů F(N i )= i/(n+1) F(N i )= (i-0,5)/n F(N i )= (3i-1)/(3n+1) Převzato z: Jaap Shijve Fatigue of Structures 37

38 Nehomogenita a anizotropie vlastností AA7475-T73 Báze B Báze A Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95% 38

39 Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (Stress Corrosion Cracking) Korozní praskání je jev, ke kterému dochází při současném působení tahových napětí a korozního prostředí. Jedná se o jev obtížně kontrolovatelný a předvídatelný. Proto je nutná prevence. Odolnost vůči SCC je proto jedním z důležitých parametrů při návrhu materiálů pro konstrukční účely. K poruchám vlivem SCC může docházet i v případech, kdy materiál není zatěžován (například při skladování nebo při přepravě). Tahová pnutí mohou být vnesena do materiálu různými mechanismy: - při výrobě (kování, válcování, lisování, jakákoliv deformace za studena), - při deformaci u uživatele, - při montáži, - při spojování (svařování, nýtování) a - při obrábění. 39

40 Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) SCC je komplexní jev který je ovlivněn souběžně působícími korozními, mechanickými a metalurgickými faktory. Charakteristické pro výskyt a sledování SCC jsou obtížně definovatelné vlivy prostředí, neznalosti v rozdělení tahových napětí, neznalosti v v mechanismech vzniku a šíření SCC trhlin a obtížně definovatelný vliv teploty. Z těchto důvodů vyplývá obtížná kontrola tohoto typu porušení. Proto je zásadní prevence. Při prevenci s ohledem na SCC je proto rozhodující: -volba vhodné slitiny pro dané umístění v konstrukci, - volba takových technologických operací, které minimalizují vnitřní pnutí (zbytková napětí), - minimalizace konstrukčních vlivů a navrhovat takové konstrukční řešení, které zohledňuje strukturu materiálu (anizotropie struktury - tlusté desky, ST orientace) 40

41 Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Válcovaná deska ze slitiny AA7075 LT L R p0,2 ST 41

42 Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Rozdělení vybraných slitin hliníku podle odolnosti vůči SCC do tří skupin (podle ESA ECSS-Q-70-36). Skupina I Vysoká odolnost 2024-T8, tyče 2219-T6, T8 7049, 7149, 7050,7075,7475 Vše v T73 Skupina II: Střední odolnost 2024-T8, 2124-T8 desky 7049, 7050, 7075, 7175, 7475, 7178 Vše v T76 Skupina III: Nízká odolnost 2011-T3, T T3, T4 7075, 7175, 7079, 7178, 7475 Vše v T6 6XXX všechny stavy 1420, 1421 (AlLi) , 1460 A356.0, A

43 Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Slitina 7075 T6 (AlZn6MgCu) Náboj jízdního kola 43

44 Korozní praskání (SCC) Náboj kola Výkovek Korozní část lomu Statická část lomu Korozní část lomu Výlisek Statická část lomu 44

45 Vlastnosti slitin Aluminum alloys 2xxx Porovnání slitin 2024 a 2524 Chemické složení Slit. Procenta zastoupení prvků Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Ost

46 Vlastnosti slitin Al slit Popis: Slitina 2024 s úpravou T3xxx je nejvhodnější kompromis pro únavu, šíření trhliny a odolnost křehkému lomu. hustota materiálu r = 2.80 g/cm 3. Korozní odolnost: 2024 T3 dobrá. Mělo by se zamezit trvalému namáhání u slit T351 může vést k mezikrystalické korozi a trhlinám korozní praskání. 46

47 Vlastnosti slitin Slit T3/T351/T42, plátovaný plech 47 Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95% c DataS = minimálně dosahované hodnoty dle dané specifikace

48 Vlastnosti slitin Slit T3/T351/T42, plátovaný plech K t = 2.5 Pravděpodobnost poruchy: P=50 % 48

49 Vlastnosti slitin Slitina 2524 Popis: Al slit má shodné mater. vlastnosti jako 2024, kromě šíření trhliny má nižší rychlost šíření lomová houževnatost je o 20 procent vyšší než 2024 hustota materiálu r = 2.80 g/cm 3. Použití: 2524 se užívá tam, kde se dříve užívala slit. 2024, avšak kde je vyžadována vyšší odolnost proti šíření trhliny nebo vyšší lom. houževnatost. Korozní odolnost: jako

50 Vlastnosti slitin Slit T3/T351, plátovaný plech speciální povrch. úprava 50

51 Vlastnosti slitin Slit T42, plát. plech- spec. povrch. úprava 51

52 Vlastnosti slitin Porovnání šíření trhlin 2024 / 2524 T3/T351 plech R = 0.1 1,00E+00 1,00E da/dn (mm/cykl) 1,00E-02 1,00E-03 1,00E ,00E K (MPa m)

53 Vlastnosti slitin Slitiny 7xxx 7075, 7475, 7010, 7050, 7150, 7055 a 7349: Slit Procent Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr others (Ti+Zr)

54 Vlastnosti slitin Srovnání slitin 7xxx označení: dobrý...excelent o uspokojivý - nevhodný! Rm únava šíření Houž. Korozní odolnost k. praskání Pozn. 7075T6 ++ O - O - - SCC pro směr ST, citlivost na vrstevnatou korozi,aplikace na nové konstrukce není povolena 7075T73 + O Do tlouštěk max.100 mm 7475T Snížený obsah obsah Fe- a Si,- to zvyšuje odolnost pro aplikace damage tolerance 7010/ 7050T Požití pro tloušťky > 80 mm 7150T T T O + + Vysoká pevnost a houževnatost pro tloušťky nad >150 mm Snížený obsah obsah Fe- a Si,- Necitlivý na způsob ochlazování vysoká pevnost Necitlivý na způsob ochlazování velmi vysoká pevnost 54

55 Vlastnosti slitin Slitina 7075 T6/T76 plátovaný plech 55

56 Vlastnosti slitin Slit T6 plát. plech K t = 2.0 P=50 % 56

57 Vlastnosti slitin Slit T61/T761 plát. plech 57

58 Vlastnosti slitin Slit T761 plát. plech K t = 2.5 P=50 % 58

59 Vlastnosti slitin Slit T7451 neplátovaný plech 59

60 Vlastnosti slitin Slit T7451 neplát. plech 60

61 Vlastnosti slitin Slit T7451 neplát. plech K t = 2.5 P=50 % 61

62 Vlastnosti slitin Slit T6151/T7751 neplát. plech 62

63 Vlastnosti slitin Slit. 7349/7055 T76511, výlisky 63

64 Vlastnosti slitin Slit Laser beam 1 Plasma analysis Skin panel and stringer svařování podélníků Laser beam 2 Tooling for skin fixing Sensor joint monitoring Výhody slit T6 vs T3 vyšší mez kluzu vyšší lom. houževnatost nižší rychlost šíření trhlin 3 % nižší hustota svařitelnost tvarovatelnost při zprac. T4 stajná cena 64

65 Vlastnosti slitin Slitina 6013/6056/6156 T62 plátovaný plech 65

66 Současné trendy ve vývoji slitin hliníku pro letectví Vrstvené kompozitní materiály typu ARALL a GLARE Přednosti: - Snížení hmotnosti od 15 do 30%, - Odolnost proti proražení - Výborná odolnost při požáru - Výborná odolnost při úderu blesku - Zvýšená odolnost proti šíření trhliny Nevýhody: - Cena - Nižší plasticita - Větší anizotropie 66

67 Současné trendy ve vývoji slitin hliníku pro letectví Vrstvené kompozitní materiály GLARE A380-celkem 500m 2 67

68 Aplikovatelnost materiálů V civilním letectví je třeba plnit hlavní články předpisů FAR Materials The suitability and durability of materials used for parts, the failure of which could adversely affect safety, must (a) Be established on the basis of experience or tests; (b) Conform to approved specifications (c) Take into account the effects of environmental conditions. FAR Fabrication methods (a) The methods of fabrication used must produce a consistently sound structure.. (b) Each new aircraft fabrication method must be substantiated by a test program. FAR Material strength properties and material design values (a) Material strength properties must be based on enough tests (b) Material design values must be chosen to minimize the probability of structural failures due to material variability. 68

69 Databáze dat Dostupnost dat používá se Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS) Handbook (dříve MIL-Hdbk. 5) 69