Способ торможения усталостных трещин в листовом материале

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 7732 А Рб 0 5)5 НТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПВЕДОМСТВО СССР(71) Рижский институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола(54) СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ТОНКОЛИСТОВОМ МАТЕРИАЛЕ(57) Использование: для увеличения остаточной усталостной долговечноститонколистовых элементов конструкцииавиационной техники. Сущность изобретения: перед вершиной трещины создают Изобретение относится к эксплуатации и ремонту техники, содержащей тонколистовые элементы конструкции. Преимущественная область использования изобретения - восстановление авиационной техники,Известны аналогичные способы по торможению усталостных трещин путем создания барьеров на пути их развития с помощью выполнения отверстий вблизи трещины и в ее вершине (конструктивные барьеры) и с помощью формирования структуры с напряжениями сжатия в зонах, контактирующих с трещиной (структурные барьеры),ОПИСАНИЕ И 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 (АЗ) к исходному материалу. Для этого проводят специальную термическую обработку (ТО), при которой конструкционные, мало- и среднеуглеродистые стали нагреваются импульсами лазерного излучения двух серий: - с помощью импульсов первой серии во внешнем слое А.З, за счет частичной кристаллизации получают снижение прочности, а в соседнем закаленном полуслое мартенсит закалки переводят в мартенсит отпуска; с помощью импульсов второй серии нагревают слой исходного материала и полуслой закаленного слоя, в котором получают структуру тростосорбита с промекуточной прочностью между мартенситом отпуска и исходной структурой, 2 ил. Наиболее близким к описываемомуизобретению по способу создания структурного барьера является способ задержки роста усталостных трещин в листовом материале засверливанием трещин в ее вершине, отли- чающийся тем, что с целью повышения долговечности за счет увеличения периода задержки роста 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 наклепаьный и исходный5 10 15 20 25 30 35 40 50 отпуска) 55 материал обладают существенно отличающейся сопротивляемостью к разрушению, Резкое отличие наклепанного от исходного материала по структуре и свойствам (для конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей различие составляет по прочности в 1,5 - 2 раза, э по пластичности в 2 - 4 раза) вызывает впроцессе нагружения появление структурного концентратора напряжений. Это проявляется в том, что пластическая деформация развивается, в основном, в исходном материале, а в наклепанном накапливается упругая энергия. В результате создаются условия, облегчающие возникновение и развитие трещины. Описанное явление с течением времени затрудняет реализацию положительного влияния локальной пластической деформации (наклепа) перед вершиной трещины на остаточную усталостную долговечность листового элемента. конс", рукции с трещиной,Кроме того, следует отметить низкую термическую стабильность накпепанной зоны в условиях эксплуатации. Непродолжительные нагревы листовых конструкций при их эксплуатации могут вызвать явления возврата, которые протекают, например, в конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталях при температуре 300 - 400 С. При этом прочность уменьшается на 15-20 О, а пластичность возрастает.Указанные недостатки снижают остаточную усталостную долговечность листовых элементов конструкции с трещиной.Целью изобретения является повышение остаточной усталостной долговечности листовых элементов конструкции,Поставленная цель достигается техническим решением - способ торможения усталостных трещин в листовом материале, при котором на пути роста трещины перед ее вершиной создают структурный барьер, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью повышения остаточной долговечности листового материала из конструкционных, мало- и . среднеуглеродистых сталей, структурный барьер создают путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, нагрева слоя материала на границе с аморфной зоной до 450 - 500 С, соседний с ним слой до температуры 150 - 200 С, а слой основного материала - до температуры 600 - 700 С, причем плавление и нагрев выполняют импульсным лазерным источником,Способ реализуется следующим образом, Листовой элемент конструкции устанавливают на предметный стол импульсной лазерной технологической установки (ЛТУ),например, "Квант 16", определяют положение вершины трещины и с учетом выбранного диаметра сфокусированного лазерного луча, намечают центр аморфной 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 азота, По установленному значению энергии с помощью тарировочного графика, приложенного к паспорту ЛТУ, определяют длительность лазерного излучения.Устанавливают новое значение энергии в импульсе и других параметров ЛТУ для проведения термической обработки, с помощью которой получают плавное изменение механических свойств (прочность, пластичность и др,) в переходном слое от аморфной зоны к исходному материалу, что существенно повышает период задержки роста трещины,П р и м е р, Для конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей прилегающий к аморфной зоне 1 на фиг,1 г слой 2 на фиг.2 будет иметь высокие прочностные свойства вследствие закалки, так как скорости охлаждения этого слоя существенно превышают критические скорости охлаждения для этих сталей,В этом случае термическую обработку применяют для устранения существенного различия в прочностных свойствах с одной стороны между структурами закалки (мартенсит) и аморфной зоны, а с другой - между структурами закалки и исходного нормализованного материала (состояние поставки), Для достижения этой цели проводят термическую обработку, в процессе которой внешний слой аморфной зоны 2 на фиг.2 нагревают лазерными импульсами, направляемыми в точку о (фиг,2) и нагревают последний (точка а) до температуры 450-500 С.За счет теплопередачи эти же импульсы нагревают полуслой 3 (точка Ь) до температуры 150 - 200 С, При этом в слое 2 получают частичную кристаллизацию аморфного материала и снижение прочностных свойств, а в слое 3 - низкий отпуск и почти не изменившуюся прочность материала (мартенсит Вторую серию импульсов направляют вслой 4 (точка ) материала с исходным состоянием (сорбитообразный перлит) и нагревают его (точка с) до температуры 600-700 С, За счет теплопередачи эти импульсы нэгре 1787732вают полуслой 3" (точка б) закаленного слоя до температуры 450 - 500 С, При этом в слое 4 структура не изменяет прочностных свойств, а в слое 3" получают структуру(тростосорбит) с меньшей по сравнению с мартенситом прочностью.Энергию импульса ЛТУ, необходимую для получения указанных температур в слое 2 и 3(точки аи Ь на фиг.2), а также вслое 4 и 3" (точки с и б) определяют по формуле 2 Г т(- д. " в " (1) где Л, - теплопроводность обрабатываемого материала;д - толщина листа обрабатываемого материала;а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала;1 - длительность импульса лазерного излучения;г - расстояние от источника теплоты (точки о и 1) до точек Ь и б (середина термообрабатываемых слоев 3 и 3" материала);2 а, Ь =, коэффициент, учитываСуд ющий поверхностную теплоотдачу в окружающую среду,При заданных Лт, д, а, Ь, т определяют величину энергии импульсов, направляемых В точки о и 1 и необходимых для нагрева слоя 3 (точка Ь) до температуры Т = 150- 200 С и слоя 3" (точка б) до Т = 450 - 500 С, 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 полагаем Ьт = О, В связи с изложенным тепловую энергию импульса определяют по преобразованной формуле 4 лТ Ят д 1 е - г /4 а 12 Далее по формуле (1) с учетом найденных значений С 1 определяют температуру в слое 2 (точка а) и оценивают степень кристаллизации и связанную с ней степень разупрочнения структуры внешнего слоя аморфной зоны, Поскольку г(оа)г(оЬ), то С 4 (тепловая энергия в слое 2) будет больше Оь (тепловая энергия в слое 3), Интервалы температур в слоях 2,3, 3",4 позволяют корректировать значение энергии в импульсе. Аналогичным образом определяют температуру в слое 4 (точка с).Таким образом, тепловую энергиюимпульса, направляемого в точки о и 1,5 определяют по формуле (2) с учетом теплофизических и геометрических характеристик образцов конструкции изобрабатываемой стали, а температуру в слоях 2,3, 3",4(точки а, Ь, б, с), представленных10 на фиг.2 б, определяют по формуле (1).В результате такой обработки получаютплавное изменение прочностных свойствпри переходе от аморфной зоны к исходному материалу (рис.2 в),15 Нагрев узких кольцевых зон при термической обработке проводят с помощью оптической системы, включающей аксикон ифокусирующую линзу,Преимущества предлагаемого техниче 20 ского решения по сравнению с прототипомследующие,Известно, что в аморфном состоянииметаллические материалы имеют более высокие значения прочностных свойств (для25 некоторых материалов, например,ствЕ/50,где Е - модуль Юнга) по сравнению с металлическими материалами тех же составов, нонаходящихся в кристаллическом состоянии.Ал 1 орфное состояние более термически30 стабильно (для большинства сплавов доТ = 500 С), что позволяет;,проводить термическую обработку сцелью устранения структурного концентратора напряжений с сохранением высокой35 прочности в центральной части аморфнойзоны;избежать при нагревах до температуры450-500 С таких явлений, как возврат, характерных для металлических материалов, и40 обеспечить в процессе эксплуатации постоЯНСТВО ВЫСОКИХ ПРОЧНОСТНЫХ СВойСТВ КОНСТрукционных материалов.Эксплуатация не нагреваемых эле.ментов конструкции с трещиной, которая45 заторможена с помощью связанных с наклепанной зоной полей упругих напряжений сжатия, вызывает релаксацию упругихнапряжений и уменьшение их положительного влияния до полного его исчезновения.50 В аморфной зоне, с помощью которой тормозится развитие трещины, релаксационные процессы, вызывающие измененияструктуры и свойств при нормальных темпе. ратурах, отсутствуют.55 При одностороннем подходе к обрабатываемой поверхности созданиенап ряжений сжатия на одной стороне тонколистового элемента компенсируетсяблизкими по величине растягивающими на1787732 Фиг.Лоставитель Л.Несговоровхред М,Моргентал Корректор О.Густи ельдма то Заказ 35 ВНИИПИ Тираж Подписное енного комитета по изобретениям и открытиям при Г 13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 р СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор гарина, 10 п ряжениями на другой стороне. Соп ротивление усталостному разрушению при этом уменьшается за счет растягивающих напряжений;-т;е, разрушение начинается со стороны, противоположной наклепанной. 5При создании барьера на пути развития трещины с помощью аморфной зоны, описанные выше и им подобные процессы не протекают.Формула изобретения 10 Способ торможения усталостных трещин в листовом материале, при котором на пути роста трещины перед ее вершиной создают структурный барьер, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения остаточной долговечности листового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей, структурный барьер создают путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, нагрева слоя материала на границе с аморфной зоной до 450-500 С, соседний с ним слой до температуры 150 - 200 С, а слой основного материала - до 600-700 С, причем плавление и нагрев выполняют импульсным лазерным источником,