Technical Diagnostics and Non-Destructive Testing, 2013, №02



2013 №02 (02)

2013 №02 (04)

---

15-22

О. П. ОСТАШ¹, Д. С. КІВА², В. М. УЧАНІН¹, О. І. СЕМЕНЕЦЬ², І. М. АНДРЕЙКО¹, Ю. В. ГОЛОВАТЮК¹

¹Фізико-механічний ін-т ім. Г.В. Карпенка НАН України, 79060, м. Львів, вул. Наукова 5. E-mail:pminasu@imp.lviv.ua
²ДП «АНТОНОВ»,03062, м. Київ, вул. Туполєва, 1. E-mail:info@antonov.com
Реферат:
Обґрунтовано необхідність врахування деградації конструкційних матеріалів при оцінюванні залишкового ресурсу елементів авіаконструкцій після довготривалої експлуатації. Подано результати дослідження деградації властивостей алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95 обшивки крила літака Ан-12 після експлуатації впродовж 40 років, яка проявляється, у першу чергу, у зниженні їх пластичності (відносного видовження δ) і характеристик циклічної тріщиностійкості (порога втоми ΔK_th і циклічної в’язкості руйнування ΔK_fc). Показано, що зниження механічних характеристик цих сплавів пов’язане зі змінами їх тонкої структури і мікромеханізмів руйнування, які залежать від навантаженості різних зон крила. Встановлено, що за зміною питомої електропровідності деградованих сплавів можна виконувати достовірний моніторинг цього процесу. Представлено прилади для вихрострумового неруйнівного контролю деградації структури і механічних характеристик алюмінієвих сплавів. Констатовано, що необхідно створювати нову базу даних про кореляційні залежності механічних і фізичних характеристик конструкційних алюмінієвих сплавів після тривалої експлуатації, оскільки наявні довідникові дані, отримані для термооброблених сплавів у стані постачання, для цього непридатні.
Ключові слова: елементи авіаконструкцій, тривала експлуатація, деградація матеріалів, структура, механічні характеристики, структуроскопія, вихрострумовий метод
The need to take into account the degradation of structural materials at evaluation of residual life of aircraft structure elements after long-term service is substantiated. Results of investigations of degradation of properties of aluminium alloys of D16 and V95 type in wing sheath of AN-12 plane after 40 years of service are given. Degradation is manifested, primarily, in lowering of their ductility (relative elongation δ) and cyclic crack resistance characteristics (fatigue limit ΔKth and cyclic fracture toughness ΔK_ic). It is shown that lowering of mechanical characteristics of these alloys is related to changes of their fine structure and fracture micromechanisms, which depend on load level of various wing zones. It is established that change of specifi c electric conductivity of degraded alloys allows performance of reliable monitoring of this process. Instruments for eddy current non-destructive monitoring of structure degradation and mechanical characteristics of aluminium alloys are presented. The need to create a new data base on correlation dependencies of mechanical and physical characteristics of structural aluminium alloys after long-term service is stated, as the available data derived for heat-treated alloys in as-delivered condition, are unfi t for this purpose.
Keywords : aircraft structure element, long-term service, material degradation, structure, mechanical properties, structuroscopy, eddy current method
1. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. посібник / Під заг. ред. В.В. Панасюка. – Т.9: Міцність і довговічність авіаційних матеріалів та елементів конструкцій / О.П. Осташ, В.М. Федірко, В.М. Учанін та ін. / Під ред. О.П. Осташа, В.М. Федірка. – Львів: СПОЛОМ, 2007. – 1068 с.
2. Vapor phase inhibitors to extend the life of aging aircraft / B. Bavarian, L. Reiner, H. Yuossefpour, J. Juraga // Corrosion. – 2005, Paper 05329. – P. 1–9.
3. Schijve J. Fatigue damage in aircraft structures, not wonted, but tolerated? // Int. J. Fatigue. – 2009. – 31. – P. 998–1011.
4. Учанин В. Н., Дереча В. Я. Вихретоковый метод выявления поверхностных дефектов узлов авиационной техники в условиях эксплуатации // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2006. – № 4. – С. 20–28.
5. Учанін В.М., Осташ О.П., Дереча В.Я. Роль неруйнівного контролю при реалізації сучасних концепцій безпечної експлуатації авіаційної техніки // Праці 6-ої нац. наукю-техн. конф. „Неруйнівний контроль і технічна діагностика” (UkrNDT-2009). – Київ: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2009. – С. 42–47.
6. Sheuring J. N., Grandt (Jr) A.F. Mechanical properties of aircraft materials subjected to long periods of service usage // Transactions ASME. – 1997. – 119, October. – P. 380–386.
7. Осташ О.П., Андрейко І.М., Головатюк Ю.В. Деградація матеріалів і втомна міцність тривало експлуатованих авіаконструкцій // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2006. – №4. – С. 5–16.
8. Влияние длительной эксплуатации самолетов на свойства материалов их конструкций / Г.И. Нестеренко, В.Н. Басов, Б.Г. Нестеренко, В.Г. Петрусенко// Проблемы машиностроения и надежность машин. – 2006. – №4. – С. 41–0.
9. Nesterenko G. I., Nesterenko B. G. Ensuring structural damage tolerance of Russian aircraft // Int. J. Fatigue. – 2009. – 31. – P. 1054–1061.
10. Осташ О.П. Нові підходи в механіці втомного руйнування // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2006. – №1. – С. 13–25.
11. Вплив корозивного середовища на втомну довговічність деградованих алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95 / О.П. Осташ, І.М. Андрейко, Ю.В. Головатюк, О.І. Семенець // Там само. – 2008. – № 5. – С. 75–84.
12. Смирнов А. А. Теория электросопротивления сплавов. – Киев: Изд-во АН УССР, 1960. –148 с.
13. Дорофеев А. Л., Ершов Р. Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. – Новосибирск: Наука, 1985. –183 с.
14. Берестецкий В. Б., Лившиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика. – Теоретическая физика в 10 т. – Т.4. – М.: Наука, 1989. – С. 421–422.
15. Пат. на изобретение 2327124 С2 РФ. Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов / С.Ю. Иванов, Д.В. Васильков, А.Б. Гутнер и др. – Опубл. 20.06.2008, Бюл. № 17.
16. Morozov M., Tian G. Y., Withers Ph. J. Noncontact evaluation of the dependency of electrical conductivity on stress for various Al alloys as a function of plastic deformation and annealing // J. Appl. Physics. – 2010. –108, Paper 024909. – P. 1–9.
17. Пат. № 0083032 А1США. Self-monitoring metals, alloys and materials / Neil J. Goldfine. – Опубл. 21.04.2005.
18. Rajic N., Burke S. K. and Galea S. C. An experimental study of the relationship between electrical conductivity and early fatigue damage in Al 2024 // Technical Note (DSTOTN-0387) of Aeronautical and Maritime Research Laboratory. – 2001. – P. 1–11.
19. Наумов Н. М., Микляев П. Г. Резистомерический неразрушающий контроль алюминиевых деформируемых сплавов – М.: Металлургия, 1974. – 200 с.
20. Hagemaier D. J. Applications of eddy current testing to airframes // Nondestructive Testing Handbook (Second Edition), Vol.4, Section 14. – American Society for Nondestructive Testing, 1986. – P. 369–421.
21. Неразрушающий контроль. Справ. в 7 т. / Под. общ. ред. В.В. Клюєва. Т.2, кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровський, Ю.Я. Останин. – М.: Машиностроение, 2003. – С. 340–687.
22. Фриндляндер И. Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. – М.: Металлургия, 1979. – 208 с.
23. Correlation of strength with hardness and electrical conductivity for aluminum alloy 7010 / M.A. Salazar, Y.Y. Zhao, A. Pitman, A. Greene // Materials Science Forum. – 2006. – 519–521. – P. 853–858.
24. Rummel W. D. Characterization and evaluation of 2014 aluminum alloy by eddy current conductivity techniques // Materials Evaluation. – 1966. – XIV, № 6. – P. 322–326.
25. Gur C. H., Yildiz I. Utilization of nondestructive methods for determining of effect of age-hardening on impact toughness of 2024 Al-Cu-Mg alloy // J. Nondestruct. Evaluation. – 2008. – 27. – P. 99–104.
26. Microstructural evolution of aluminum alloy 7B04 thick plate by various thermal treatments / Zh. Li, B. Xiong, Y. Zhang et al. // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2008. – 18. – P. 40–45.
27. Tsai T. C., Chuang T. H. Relationship between electrical conductivity and stress corrosion cracking susceptibility of Al 7075 and Al7475 alloys // Corrosion. – 1996. – 52, №6. – P. 414–416.
28. Starink M. J., Li X. M. A model for the electrical conductivity of peak-aged and overaged Al-Zn-Mg-Cu alloys // Metallurgical and Materials Transactions, Ser. A. – 2003. – 34A, April. – P. 899–907.
29. Retrogression and re-aging treatment of Al-9,99Zn-1,72Cu2,5Mg-0,13Zr aluminum alloy / C. Feng, Zh. Liu, A. Ning et al. // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2006. – 16. – P. 1163–1170.
30. Zaid H. R., Hatab A. M., Ibrahim A. M. A. Properties enhacement of Al-Zn-Mg-Cu alloy by retrogression and re-aging heat treatment // J. Mining and Metallurgy, Sect. B-Metall. – 2011. – 47, № 1, – P. 31– 35.
31. Hagemaier D. J. Evaluation of heat damage to aluminum aircraft structures // Materials Evaluation. –1982. – 40, №9. – P. 962–969.
32. Структурно-фазовий стан і фізико-механічні властивості деградованих алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95 /О.П. Осташ, І.М. Андрейко, Ю.В. Головатюк, Л.Б. Ковальчук // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2008. – № 6. – С. 5–11.
33. Пат. 69091 Україна. Спосіб моделювання деградації конструкційних матеріалів в об’єктах тривалої експлуатації / О.П. Осташ, В.М. Учанін, І.М. Андрейко, Ю.В. Головатюк. – Опубл. 25.04.2012, Бюл. №8.
34. Вплив тривалої експлуатації на структуру і фізико-механічні властивості алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95 / О.П. Осташ, І.М. Андрейко, Л.І. Маркашова та ін. // Фіз.хім. механіка матеріалів. – 2013. – № 1. – С. 18–27.
35. Пат. 101424 Україна. Вихрострумовий спосіб визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів / О.П. Осташ, В.М. Учанін, І.М. Андрейко, Ю.В. Головатюк. – Опубл. 25.03.13, Бюл. № 6.
36. Пат. 98206 Україна. Спосіб вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів / В.М. Учанін. – Опубл. 25.04.2012, Бюл. № 28.
37. Пат. 97304 Україна. Вихрострумовий вимірювач питомої електропровідності неферомагнітних матеріалів / В.М. Учанін, Г.М. Макаров, В.В. Черленевський. – Опубл. 10.01.2012, Бюл. 2.
38. Пат. 58670 Україна. Пристрій вихрострумового контролю параметрів виробів / В.М. Учанін, В.В. Черленевський. – Опубл. 26.04.2011, Бюл. № 8.
39. Пат. 55509 Україна. Спосіб настроювання приладів вихрострумового контролю / В.М. Учанін, В.В. Черленевський . – Опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23.
40. Наумов Н. М. Микляев П. Г. Стандартные образцы для измерения удельной электрической проводимости // Дефектоскопия. – 1979. – № 8. – С. 33–37.
Надійшла до редакції 03.04.2013
Підписано до друку 23.05.2013