Способ торможения усталостных трещин в листовом материале

(5)5 В 23 Р 6/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ нла ОСТ- МАоселичени лговечн констру ст ци ие- я ано- рэ тОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Рижский институт инженеров граждской авиации им, Ленинского комсомо(54) СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ УСТАЛНЫХ ТРЕЩИН В ТОНКОЛИСТОВЫХТЕ РИАЛАХ(57) Использование: для увятаточной усталостной до отонколистовых элементов к Изобретение относится к эксплуатац и ремонту техники, содержащей тонкол стовые элементы конструкции, Преимущ ственная область использован изобретения - восстановление авиацио ной техники.Известны аналогичные способы по то можению усталостных трещин путем созд ния барьеров на пути их развития помощью выполнения отверстий вбли трещины и в ее вершине (конструктивн барьеры) и с помощью формирования стру туры с напряжениями сжатия в зонах, ко тактирующих с трещиной (структурн барьеры). Наиболее близким к описываем му способу создания структурного барье является способ задержки роста усталос ных трещин в листовом материале, засве Я 3 1787731 А 1 авиационной техники. Сущность изобретения: вершиной трещины создают структурный барьер в виде локализованной зоны с аморфной структурой обрабатываемого материала, Увеличение периода задержки роста трещины получают, путем создания плавного изменения прочностных свойств при переходе от аморфной зоны к исходному материалу, Для этого проводят специальную термическую обработку (ТО), которая для алюминиевых сплавов заключается в нагреве импульсным лазерным излучением внешнего слоя аморфной зоны и соседйего с ним слоя материала, испытавшего закалку при ее создании, При этом во внешнем слое аморфной зоны за счет частичной кристаллизации ее материала получают снижение прочности, а в соседнем слое за счет протекания процесса искусственного старения - повышения прочности. 1 ил,ливанием трещины в ее вершине, отличающийся тем, что с целью повышения долговечности за счет увеличения периода задержки трещины, предварительно на пути ее роста перед вершиной осуществляют локальную пластическую деформацию (наклеп) в направлении, перпендикулярном плоскости листа на глубину 0,09 - 0,15 его толщины.Недостаток указанного способа заключается в том, что при нагружении такой конструкции наклепанный и исходный материал обладают существенно отличающейся сопротивляемостью к разрушению. Резкое отличие наклепанного и исходного материала по структуре и свойствам (для некоторых алюминиевых сплавов различие составляет по прочности в 1,5-1,7 раза, а попластичности в 3-4 раза) вызывает в процессе нагружения появление структурногоконцентратора напряжений, Это проявляется в, том, что пластическая деформацияразвивается, в основном, в исходном материале, а в наклепанном - накапливаетсяупругая энергия, В результате создаютсяусловия, облегчающие возйикновение иразвитие трещины. Описанное явление стечением временгизатрудйяет реализациюположительного влтйяййяЗокальной пластической деформацйи (наклепа) перед вершиной трещины на остаточную усталостнуюдолговечность листового элемента конструкции с трещиной.Кроме того, следует отметить низкуютермическую стабильность наклепанной зоны в условиях эксплуатации, Непродолжительные нагревы листовых конструкций),например, мотогондолы от работающегоГТД, обшивки крь.льев и фюзеляжа от аэродинамического нагрева и др.) могут вызватьявления возврата, которые протекают, например, в ал)оминиевых сплавах при температуре 200-250 С. При этом прочностьуменьшается на 25-30 б, а пластичностьвозрастает,Указанные недостатки снижают остаточную усталостную долговечность листовых элементов конструкций с трещиной,Целью изобретения является повышение остаточной усталостной долговечностилистовых элементов конструкции.Поставленная цель достигается техническим решением - способ торможения усталостных трещин в листовом материале,при котором на пути роста трещины передее вершиной создают структурный барьер,отличающийся тем, что с целью повышенияостаточной долговечности листового матерйала из алюминия и алюминиевых сплавовс визуальными трещинами, структурныйбарьер создают путем локального плавлетния материала, охлаждения полученногорасплава струей жидкого азота, нагреваслоя металла на границе полученной аморфной зоны до температуры 450-500 С, исоседнего с ним слоя основного материала- до температуры 150 - 250 С, причем плавле-:ние и нагрев осуществляют источником импульсного лазерного излучения,Способ реализуется следующим образом, Листовой элемент конструкции устанавливают на предметный стол импульсной лазерной технологической установки (ЛТУ), например, "Квайт", определяют положение вершины трещины и с учетом выбранного диаметра сфокусированного лазерного луча, намечают центр аморфной102530 35 4045 50 55 помощью тарировочного графика, приложенного к паспорту ЛТУ, определяют дли-.тельность импульса лазерного излучения,Устанавливают новое значение энергиив импульсе и других параметров ЛТУ дляпроведения термической обработки, с помощью которой получают плавное изменение механических свойств (прочность, пластичность и др,) в переходном слое отаморфной зоны к исходному материалу, чтосущественно повь)шает период задержкироста трещины.Способ поясняется чертежом,П р и м е р, Для ал)оминиевых сплавов(например, Д 16) после получения аморфнойзоны производят термическую обработкуПри этом энергию и длительность импульса выбирают такой величины, чтобы температура во внешнем слое 3 аморфной зоны составила 400-500 С, а в соседнем слое 4 исходного материала, закалившегося при образовании аморфной зоны, - 150 - .200 С, При указанных температурах в слое 3, вследствие частично)л кристаллизации аморфной структуры получают снижение прочностных свойств, а в прилегающем слое 4 исходной структуры - их повышение, вследствие протекания процесса искусственного старения,Энергию импульса ЛТУ, необходимую для получения указанных температур в слое 3 и 4, определяют по формуле2Г(гт)- евв " г 1)г)дтт т д тгде Ь - теппопроводноств обрвбвтыовено.го материала;д - толщина листа обрабатываемого материала;а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала;т - длительность импульса лазерного излучения;г - расстояние от источника теплоты(точка а) до точки с середина термообрабатываемого слоя 4 исходного материала);2 а,Ь - коэффициент, учитываСудющий поверхностную теплоотдачу в окружающую среду,зоны, с которым совмещают перекрестие бинокулярной насадки,На блоке ЛТУ "Измерение энергии импульса" устанавливают значение энергии,заранее найденное с учетом плавления без выплеска обрабатываемого материала и с учетом охлаждения локальной зоны расплавляемого материала струей жидкого азо та. По установленному значению энергии сПри заданных Ж, д, а, т, Ь определяют величину энергии импульса, направляемого в точку а и необходимого для нагрева слоя 4 (точка с) до температуры Т = 200 оС. Время обработки при заданной температуре обеспечивают серией многократно повторяемых импульсов.При указанном уровне температур теплоотдача с поверхности радиационным излучением практически отсутствует, а конвекционной теплоотдачей, вследствие миллисекундных импульсов, можно пренебречь; поэтому получаем Ьт = О, В связи с изложенным тепловую энергию импульса определяют по преобразованной формуле 4 Т л д т (2)2е- г /лаДалее по формуле (1) с учетом найденного значения 0 определяют температуру в слое 3 (точка Ь) и оценивают степень кристаллизации и связанную с ней степень разупрочнения структуры аморфной зоны.Поскольку г(аЬ)г(ас), то Оь (тепловая энергия в слое 3) будет больше С 1 с (тепловая энергия в слое 4),Нагрев узких кольцевых зон при термической обработке проводят с помощью оптической системы, включающей аксикон и фокусирующую линзу,Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом следующие;известно, что в аморфном состоянии металлические материалы имеют более высокие значения характеристик прочности (для некоторых материалов, например, сЪЕ/50, где Е - модуль КЭнга) по сравнению с металлическими материалами тех же составов, но находящихся в кристаллическом состоянии;аморфное состояние более термически стабильно (для большинства сплавов до Т = = 500 С), что позволяет:проводить термическую обработку с целью устранения структурного концентратора напряжений с сохранением высокой прочности в центральной части аморфной зоны;избежать при нагревах до температуры 450-500 С таких явлений, как возврат, характерных для металлических материалов, иобеспечить в процессе эксплуатации постоянство высоких прочностных свойств конструкционных материалов.5 Эксплуатация не нагреваемых элементов конструкции с трещиной, котораязаторможена с помощью связанных с наклепанной зоной полей упругих напряжений сжатия, вызывает релаксацию упругих10 напряжений и уменьшение их положительного влияния до полного его исчезновения.В аморфной зоне, с помощью которой тормозится развитие трещины, релаксационные процессы, вызывающие изменение15 структуры и свойств при нормальных температурах, отсутствуют,При одностороннем подходе к обрабатываемой поверхности (характерно для таких элементов авиационных конструкций20 как крылья, рули, стабилизаторы и др,)создание напряжений сжатия на однойстороне тонколистового элемента компенсируется близкими по величине растягивающими напряжениями на другой стороне.25 Сопротивление усталостному разрушениюпри этом уменьшается за счет растягивающих напряжений; т,е. разрушение начинается со стороны, противоположнойнаклепанной,30 При создании барьера на пути развитиятрещины с помощью аморфной зоны, описанные выше и им подобные процессы неп роте кают.Формула изобретения35 Способ торможения усталостных трещин в листовом материале, при котором напути роста трещины перед ее вершиной создают структурный барьер, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения остаточной40 долговечности листового материала из алю-.миния и алюминиевых сплавов с визуальными трещинами, структурный барьерсоздают путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава45 струей жидкого азота, нагрева слоя металлана границе полученной аморфной зоны до450-500 С и соседнего с ним слоя основного материала до 150-250 С, причем плавление и нагрев осуществляют источником50 импульсного лазерного излучения.