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
Úvod Vazby ovlivňující vlastnosti a vývoj materiálů STRUKTURA CHEMICKÉ SLOŽENÍ POUŽITÍ VLASTNOSTI VÝROBNÍ TECHNOLOGIE APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE 2
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
Úvod Podíl různých typů materiálů v dopravních letadlech 4
5
6
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
Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle původních norem ČSN 8
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% 1050 2XXX Cu 2024 3XXX Mn 3103 4XXX Si 4002 5XXX Mg 5754 6XXX Mg a Si 6061 7XXX Zn 7075 8XXX Ostatní prvky (např. Li) 8090 9XXX speciální zpracování, např. prášková metalurgie - 9
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
Fázový diagram hliníkových slitin zdroj: http://old.vscht.cz/met/stranky/vyuka/la bcv/labor/fm_tepelne_zprac_hlin_sl/ind ex.htm 11
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
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
Tepelné zpracování Rozpouštěcí žíhání Homogenizační žíhání Žíhání na měkko Umělé stárnutí 14
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
Vytvrzovatelné slitiny Tvářené slitiny typu Al-Cu řady 2XXX(duraly) AA2024 (AlCu4Mg1) AA2024 T3: Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda 25-35 C, tváření za studena, přirozené stárnutí (4 dny) T4:Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda 25-35 C, přirozené stárnutí (4 dny) tepelné zpracování u odběratele T8: Rozpouštěcí žíhání 495 C, voda 25-35 C, tváření za studena, umělé stárnutí 190 C/12h 16
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
Vytvrzovatelné slitiny Slévárenská slitina A357 T61 (AlSi7Mg) Rozpouštěcí žíhání 538 C/10h, voda 65-100 C, umělé stárnutí 120 C/8h+154 C/8h Vstupní dveře Airbus Vstup do motoru Ø700 mm 18
Příklady použití typů materiálů A320 19
Příklady použití typů materiálů Frames Standard: 2024-T42 clad Machined: 7175-T73xx Upper shell skin panels 2024-T3 clad Stringers 2024-T42 clad and 7075- T73xx Seat rails 7175-T6xx Floor beams 7175-T73xx Support struts 7175-T73xx Lower shell skin panels 2024-T3 clad A320 forward fuselage 20
Příklady použití typů materiálů A380-800 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 2024 6013 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
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 6013 6013, 6056 Al-Mg-Si-Cu Al-Mg-Si-Cu 7075, AA 7175, 7075, 7175, Al-Zn-Mg 7475, 7475, 7010, 7010, 7040 7050, 7050, 7055, 7055, 7085 7150, 7150, 7349, 7349 7449 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 with1230 1230 alloy Damage tolerance pro High vysoké temperatures teploty Welded Svařované parts díly Welded parts Svařované díly Plechy Sheet are plátovány clad slitinou with7072 7072 alloy 22
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
Volba materiálu Technical aspects Hlavní trendy Zvyšování pevnosti Zvyšování DT odolnosti Lehčí slitiny Zvyšování korozní odolnosti Snižování výrobních nákladů Dříve Současnost V budoucnu 24
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. 2024 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
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 T73 2024 T3 (kromě výkovků) 6XXX (kromě 6013) Nejhorší 7XXX T6XXX 2024 T351 (koroze pod napětím) Tvářitelnost, svařitelnost: Nejlepší 5XXX 6XXX 26
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
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 A340-500/600 = CFRP) - Klapky a jejich dráhy - Lyžiny sedaček - Příčníky, vzpěry 28
Volba materiálu 2024 T3 clad 2024 T42 clad 2524 T3 clad 2524 T42 clad 7475 T751 7050 T7451 7040 T7451 7475 T7351 7449 T7651 7055 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 10-4 10-5 29
2024 T3 clad 2024 T42 clad 2524 T3 clad 2524 T42 clad 7475 T751 7050 T7451 7040 T7451 7475 T7351 7449 T7651 7055 T7751 Volba materiálu Porovnání lomové houževnatisti Kc/Kc 2024 pro plechy, K IC pro obrobky, T-L direction 1,2 Kc/Kc 2024 1,0 Plechy obrobky 40 K Ic MPa m 0,8 30 0,6 0,4 20 0,2 0 30 10
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
T / C/ Vliv technologií na vlastnosti Schéma technologie výroby výlisků z vytvrzovatelné slitiny hliníku 600 500 Vysokoteplotní žíhání (homogenizace) Rozpouštěcí žíhání 400 Lisování 300 200 Litý čep Umělé stárnutí 100 Vypínání 0 Přirozené stárnutí 32
Vliv technologií na vlastnosti Lisování PŘÍMÉ NEPŘÍMÉ 33
Vliv technologií na vlastnosti Lisování tok materiálu lisovací matricí Čep: AlCu4Mg1 Vložky: AlMg3 ustálený stav konec čepu složitý výlisek 34
Rm [MPa] Rm [MPa] Vliv technologií na vlastnosti Nehomogenita mechanických vlastností výlisků 700 700 7075-T6 7075-T6 600 600 2124-T351 500 2124-T351 500 400 6082-T6 400 6082-T6 300 0 15 30 45 60 75 90 105 Vzdálenost od kraje [mm] 300 0 15 30 45 60 75 90 105 Vzdálenost od kraje [mm] 35
Nehomogenita a anizotropie vlastností 36
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
Nehomogenita a anizotropie vlastností AA7475-T73 Báze B Báze A Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95% 38
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
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
Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Válcovaná deska ze slitiny AA7075 LT L R p0,2 ST 41
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, T4 2024-T3, T4 7075, 7175, 7079, 7178, 7475 Vše v T6 6XXX všechny stavy 1420, 1421 (AlLi) 8090 1441, 1460 A356.0, A357.0 42
Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Slitina 7075 T6 (AlZn6MgCu) Náboj jízdního kola 43
Korozní praskání (SCC) Náboj kola Výkovek Korozní část lomu Statická část lomu Korozní část lomu Výlisek Statická část lomu 44
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. 2024 0.5 0.5 3.8 4.9 2524 0.06 0.12 4.0 4.5 0.3 0.9 0.45 0.7 1.2 1.8 1.2 1.6 0.1 0.25 0.15 0.2 0.2 0.05 0.15 0.10-0.2 45
Vlastnosti slitin Al slit. 2024 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. 2024 T351 může vést k mezikrystalické korozi a trhlinám korozní praskání. 46
Vlastnosti slitin Slit. 2024 T3/T351/T42, plátovaný plech 47 Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95% c DataS = minimálně dosahované hodnoty dle dané specifikace
Vlastnosti slitin Slit. 2024 T3/T351/T42, plátovaný plech K t = 2.5 Pravděpodobnost poruchy: P=50 % 48
Vlastnosti slitin Slitina 2524 Popis: Al slit. 2524 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 2024 49
Vlastnosti slitin Slit. 2524 T3/T351, plátovaný plech speciální povrch. úprava 50
Vlastnosti slitin Slit. 2524 T42, plát. plech- spec. povrch. úprava 51
Vlastnosti slitin Porovnání šíření trhlin 2024 / 2524 T3/T351 plech R = 0.1 1,00E+00 1,00E-01 2024 2524 da/dn (mm/cykl) 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 52 1,00E-05 10 100 K (MPa m)
Vlastnosti slitin Slitiny 7xxx 7075, 7475, 7010, 7050, 7150, 7055 a 7349: Slit Procent Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr others 7075 0.4 0.5 1.2 2.0 0.3 2.1 2.9 0.18 0.28 5.1 5.6 0.2 0.25 (Ti+Zr) 7475 0.10 0.12 1.2 1.9 0.06 1.9 2.6 0.18 0.25 5.2 6.2 0.06-0.15 7010 0.12 0.15 1.2 2.0 0.1 2.1 2.6 0.05 5.7 6.7 7050 0.12 0.15 2.0 2.6 0.1 1.9 2.6 0.04 5.7 6.7 0.06 0.08 0.15 0.15 7150 0.1 0.15 2.0 2.6 0.05 1.8 2.3 0.04 7.6 8.4 0.6 0.08 0.15 0.15 7055 0.10 0.15 2.0 2.6 0.05 1.8 2.3 0.04 7.6 8.4 0.06 0.08 0.25 0.15 7349 0.12 0.15 1.4 2.1 0.2 1.8 2.7 0.10 0.22 7.5 8.7 0.25 0.15 53
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 7475T76 + + ++ ++ + + Snížený obsah obsah Fe- a Si,- to zvyšuje odolnost pro aplikace damage tolerance 7010/ 7050T74 ++ + + ++ + + Požití pro tloušťky > 80 mm 7150T76 ++ + + + + + 7055T76 +++ + + + + + 7349T76 +++ 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
Vlastnosti slitin Slitina 7075 T6/T76 plátovaný plech 55
Vlastnosti slitin Slit. 7075 T6 plát. plech K t = 2.0 P=50 % 56
Vlastnosti slitin Slit. 7475 T61/T761 plát. plech 57
Vlastnosti slitin Slit. 7475 T761 plát. plech K t = 2.5 P=50 % 58
Vlastnosti slitin Slit. 7010 T7451 neplátovaný plech 59
Vlastnosti slitin Slit. 7050 T7451 neplát. plech 60
Vlastnosti slitin Slit. 7050 T7451 neplát. plech K t = 2.5 P=50 % 61
Vlastnosti slitin Slit. 7150 T6151/T7751 neplát. plech 62
Vlastnosti slitin Slit. 7349/7055 T76511, výlisky 63
Vlastnosti slitin Slit. 6013 Laser beam 1 Plasma analysis Skin panel and stringer svařování podélníků Laser beam 2 Tooling for skin fixing Sensor joint monitoring Výhody slit. 6013 T6 vs. 2024 T3 vyšší mez kluzu vyšší lom. houževnatost nižší rychlost šíření trhlin 3 % nižší hustota svařitelnost tvarovatelnost při zprac. T4 stajná cena 64
Vlastnosti slitin Slitina 6013/6056/6156 T62 plátovaný plech 65
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
Současné trendy ve vývoji slitin hliníku pro letectví Vrstvené kompozitní materiály GLARE A380-celkem 500m 2 67
Aplikovatelnost materiálů V civilním letectví je třeba plnit hlavní články předpisů FAR 25.603 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 25.605 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 25.613 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
Databáze dat Dostupnost dat používá se Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS) Handbook (dříve MIL-Hdbk. 5) 69