Методика оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении и учета влияния коррозии при расчете длительности роста усталостной трещины

УДК 621.193.013

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ КОРРОЗИОННОМ ПОРАЖЕНИИ И УЧЕТА ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИИ ПРИ РАСЧЕТЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ

А.В. ЛАПАЕВ

По заказу редакционной коллегии

Статья представлена доктором технических наук Шапкиным В.С.

В статье представлены расчетно-экспериментальные методики, которые могут быть использованы при оценке ресурса типовых зон конструкции транспортных самолетов при коррозионном поражении. Экспериментально показано, что в случае равномерной коррозии общего вида при расчете длительности роста трещины достаточно учесть повышение напряжений.

Ключевые слова: коррозионное поражение, усталость, усталостная трещина, живучесть, скорость роста трещины.

Основными условиями обеспечения безопасной эксплуатации ВС ГА является обеспечение прочности основных элементов конструкции планера при случайных, усталостных повреждениях и повреждениях от воздействия окружающей среды. Основные требования к конструкции самолетов по условию усталостной прочности изложены в авиационных правилах АП 25.571 "Анализ допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции". Основные методические рекомендации по установлению допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции ВС изложены в соответствующем разделе Методов определения соответствия МОС 25.571.

Одним из открытых вопросов является совершенствование методик установления допустимых размеров коррозионных поражений по условию усталостной прочности, оценки остаточной усталостной долговечности при коррозионном поражении материала, расчета длительности роста усталостной трещины при коррозии.

Несмотря на достаточно высокий уровень современных технологий, не удается полностью устранить в конструкции коррозионные поражения, которые способствуют возникновению усталостных трещин, снижению остаточной прочности и живучести, потери устойчивости зон конструкции. Таким образом, анализ допустимости коррозионных поражений является одним из требований обеспечения ресурса ВС по условию усталостной прочностии.

Особенно важной задачей в современных условиях эксплуатации является задача обеспечения эксплуатационной живучести конструкции при наличии коррозионных поражений. Принцип эксплуатационной живучести обеспечивает повышение надежности летательных аппаратов за счет осмотров конструкции, которые допускают образование повреждений. Оценка характеристик допустимости повреждения должны быть основаны на тщательно отобранной информации, включая результаты теоретического анализа, механических испытаний, опыт эксплуатации, результаты специальных проверок и осмотров, которые могут быть предусмотрены для конкретной типовой конструкции. Необходимо определить характеристики скорости развития повреждений, а также их влияние на прилегающие составные части в плане взаимодействия, ведущего к более быстрому или более обширному повреждению. Этот анализ должен включать места возможного образования трещин, вызываемых усталостью, коррозией, коррозией под напряжением, износом, деградацией клеевого соединения, случайным повреждением, производственными дефектами или другими недостатками в тех зонах, которые по результатам опыта эксплуатации или оценки конструкции

считаются наиболее уязвимыми. В случае усталостных трещин от коррозии для обеспечения безопасной эксплуатации ВС должны быть установлены закономерности изменения скорости их развития в условиях коррозионного поражения.

Основные результаты исследований о закономерности изменения циклической долговечности, скорости роста трещин при наличии коррозионных поражений ранее публиковались в работах [1-7].

В данной статье представлена методика оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении, позволяющая определять допустимые размеры коррозионного поражения по условию усталостной прочности на основе исследования усталостной долговечности лабораторных образцов и анализа напряженно-деформированного состояния в области коррозии. Данная методика позволяет дополнить и обосновать уже накопленный опыт оценки конструкции самолетов с точки зрения усталостной прочности при коррозинном поражении. Обобщены расчетные и экспериментальные исследования, связанные с проблемой эксплуатационной живучести при коррозионных поражениях. В результате проведенных исследований предложена методика для учета влияния коррозии при расчете длительности роста усталостной трещины.

1. Методика оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении

1.1. Основные допущения при анализе напряженного состояния для геометрической модели коррозионного поражения

Образующиеся в результате устранения коррозионных повреждений зоны на элементах конструкции планера ВС являются концентраторами напряжений. Одним из ключевых моментов в предлагаемой методике по оценке усталостной долговечности материала при коррозионном поражении является использование в качестве параметра коррозионного поражения теоретического коэффициента концентрации напряжений (КТ). Для расчета уровня концентрации напряжений проводится замена коррозионного поражения подходящей геометрической моделью.

Таким образом считаем, что:

1. Коррозия является причиной локального увеличения напряжений. Возникает концентрация напряжений в зоне коррозии.

2. Увеличение концентрации напряжений снижает усталостную прочность элемента конструкции. Чем выше концентрация, тем выше вероятность разрушения.

3. Концентрация напряжений зависит от геометрических размеров коррозии (глубина, длина, ширина) и сопряжения поверхностей.

Проанализируем расчет напряженного состояния на примере геометрической модели коррозионного поражения, представленой на рис. 1, 2.

Для выбранной модели справедливы следующие закономерности:

- зависимость изменения коэффициента концентрации напряжений от глубины дефекта КТ(И) характеризуется линейной зависимостью (рис. 3);

- зависимость изменения коэффициента концентрации напряжений не зависит от размеров полуосей эллипса, а зависит только от их соотношений. С увеличением соотношения сторон концентрация напряжений увеличивается (рис. 3);

- увеличение концентрации напряжений возникает на "дне", а также контуре коррозионного повреждения. Зарождение усталостной трещины будет происходить в зоне максимальных напряжений (рис. 2). Таким образом, при устранении коррозионного повреждения нужно стремиться к созданию максимально плавного обвода поверхности контура кратера, образующего дефекты на элементе конструкции планера.

Рис. 1. Модель коррозионного поражения

Рис. 2. Напряженное состояние для модели коррозионного поражения

т 20 30 40 50 60 70 60 90

Глубина, %

Рис. 3. Результаты регрессии расчетных значений КТ и глубины коррозии И для различных соотношений д=а/Ь

1.2. Основные положения методики оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении и полученные результаты

В качестве характеристики усталости используют кривые усталости (кривые Веллера) -зависимости числа циклов нагружения до разрушения образца от величины прикладываемого переменного напряжения. Кривая усталости аппроксимируется степенным уравнением N о~т = С, где С и т - параметры кривой.

Основные задачи, решаемые в процессе реализации методики по оценке усталостной долговечности материала с коррозионным поражением:

- установить связь в виде кривых усталости между параметром коррозии, прикладываемому напряжению и соответствующей усталостной долговечностью материала;

- установить зависимость между параметром коррозии и свойством материала сопротивляться усталости при коррозионном поражении;

- установить область значений допустимых размеров коррозионного поражения по условию усталостной прочности;

- оценить остаточную усталостную долговечность материала при коррозионном поражении.

Общая схема построения зависимости между параметром коррозии и свойством материала

сопротивляться усталости при коррозионном поражении в методике представлена на рис. 4.

Рис. 4. Общая схема построения зависимости между параметром коррозии и свойством материала сопротивляться усталости при коррозионном поражении: Кэф - эфф. коэффициент концентрации напряжений; О0, Ор - величина напряжения при базовом числе циклов; р - параметр коррозионного поражения; N - число циклов до полного разрушения образца; Кбаз - базовое число циклов; О - величина прикладываемого переменного напряжения

Формула для пересчета кривой усталости по параметру коррозионного поражения

N • [о-^ = С ,

где р - параметр коррозионного поражения; N - число циклов до полного разрушения образца;

О - величина прикладываемого переменного напряжения.

На основе испытаний лабораторных образцов с коррозией на усталостную долговечность строятся регрессионные зависимости числа циклов N до разрушения образца, как функции параметра коррозионного поражения (рис. 4 а). Полученные зависимости позволяют построить кривые в координатах o-N совместно с базовой кривой усталости, построенной для стандартных образцов (рис. 4 б). На основе таких кривых строится зависимость значений эффективного коэффициента концентрации напряжений от параметра коррозионного поражения Кэф=/ (р) на выбранной базе циклов Щаз (рис. 4 в). В расчётах усталости параметр Кэф является ключевым.

Параметр Кэф для сложных составных элементов конструкций отражает не только геометрическую концентрацию напряжений, но и условия взаимодействия деталей элемента, возможную

различную нагруженность деталей в элементе, свойства материала, нереализуемые в полосе с отверстием, а также неучтенные напряжения из-за эксцентриситетов, деформации крепежа и других факторов взаимодействия деталей в элементе. Для растягиваемой полосы с отверстием Кэф=3.

Для установления допустимого значения параметра коррозионного поражения будем считать, что разрушение от коррозионного повреждения должно произойти не ранее, чем разрушение для регулярной зоны конструкции. Характеристика сопротивления усталости регулярной зоны конструкции оценивается по результатам испытаний на усталостную долговечность стандартных плоских образцов с центральным отверстием. На графике это соответствует всем значениям параметра коррозионного поражения, для которых Кэф<3 (рис. 4 в).

Одним из ключевых вопросов, который решался при разработке методики оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении, являлся выбор параметра коррозионного поражения, характеризующего усталостную прочность.

В эксплуатации в качестве параметров, ограничивающих допустимость коррозионного поражения приемлемым является использование его геометрических размеров, таких как: глубина, длина, ширина. С точки зрения теории упругости и механики разрушения усталостная прочность конструкции характеризуется локальной концентрацией напряжений, то есть зарождение трещины будет происходить в зоне максимальной концентрации напряжений.

Таким образом, необходимо перейти к приемлемому и наиболее простому для эксплуатанта случаю оценки допустимого размера коррозионного поражения (по его геометрическим размерам), учитывая напряженно-деформированное состояние в области коррозионного поражения.

На рис. 5 изображена регрессионная зависимость значений эффективного коэффициента концентрации напряжений от параметра коррозионного поражения Кэф= / (КТ), характерная для алюминиевых сплавов. В качестве параметра используется

теоретический коэффициент концентрации напряжений КТ.

Данная зависимость получена по методике (рис. 4) на основании обработки результатов усталостных испытаний лабораторных образцов с коррозией. Для перехода к зависимостям, устанавливающим область значений допустимых размеров коррозионного повреждения (глубины, длины и ширины) (рис. 6) используются расчеты напряженного состояния для выбранной геометрической модели коррозионного дефекта ^-КТ (рис. 3). Из рис. 6 видно, что для рассматриваемой

геометрической модели максимальная глубина возможна при коррозионном

Глубина Ь, %

Рис. 6. Значения допустимых размеров/(а/Ъ, к) коррозионного повреждения для алюминиевых сплавов и 95% доверительная область

4.6

[1 1.2 1.4 16 1.8 2 2.2 2 4 2.6 2.8 3

Ш

Рис. 5. Регрессионная зависимость Кэф= / (КТ) для алюминиевых сплавов

поражении, близком к окружности. При увеличении соотношения размеров коррозионного дефекта а/Ь значение допустимой глубины будет приближаться к 10% от толщины элемента. Отметим, что в настоящее время разработчик авиационной техники устанавливает допустимое значение глубины зачистки коррозионных поражений на обшивке конструкции фюзеляжа самолетов, равное 10% от толщины элемента. Таким образом, используя данную методику, можно устанавливать ограничение на допустимые размеры коррозионного поражения дифференцированно, в зависимости от геометрии коррозионного пятна.

Используя формулу (1) для пересчета кривой усталости по параметру коррозионного поражения, можно построить кривую усталости для коррозионного поражения и оценить остаточную усталостную долговечность зоны.

2. Методика учета влияния коррозии при расчете длительности роста усталостной трещины

Характеристики живучести конструкции:

• начальный размер трещины 10, который относят:

- к начальным допустимым размерам производственных дефектов;

- к начальным размерам надежно обнаруживаемых трещин при различных видах контроля;

• регламентированное повреждение - допускаемая конечная длина трещины 1к в конструкции. Регламентированное повреждение должно обнаруживаться визуально при наружных осмотрах конструкции на оперативных формах технического обслуживания;

• остаточная прочность конструкции заданного уровня. Конструкция с регламентированными повреждениями должна выдерживать нагрузку, задаваемую Нормами прочности самолетов и равную не менее 67 % от величины расчетной прочности конструкции без повреждения;

• критический размер трещины 1С - размер трещины при достижении которого происходит её неустойчивый рост;

• длительность роста усталостной трещины от начального размера 10 до регламентированного размера 1к.

Классическим подходом исследования процесса разрушения материала является разделение процесса разрушения на этапы зарождения трещины и её развития. По мнению автора статьи, проводить оценку коррозионного поражения по условию усталостной прочности следует по аналогии с классическим подходом, но с учетом специфики влияния коррозии на протекающие процессы механического разрушения материала. При коррозионном поражении мы имеем концентратор напряжений в виде коррозионного дефекта некоторой формы. Описав коррозионный дефект геометрической моделью, мы выделяем зоны повышения концентрации напряжений, которые и будут зонами зарождения усталостных трещин. Некоторые исследования в данном направлении проведены в разделе 1 настоящей статьи. На этапе развития трещины проводятся исследования по влиянию коррозионного поражения на изменение скорости роста усталостной трещины.

Механизмы развития усталостной трещины в зоне коррозионного повреждения достаточно разнообразны и зависят от типа коррозии, характера разрушения материала под воздействием коррозионной среды, геометрии конструктивного элемента и его размеров, геометрии коррозионного пятна и, как следствие напряженного состояния в зоне дефекта, интенсивности и последовательности воздействия агрессивной среды и механического нагружения и многое другое. Анализируя факторы, влияющие на изменение скорости роста усталостной трещины, можно сделать вывод, что одной из причин увеличения скорости роста трещины при коррозионном поражении является увеличение напряжений за счет уменьшения площади поперечного сечения элемента вследствие утонения от коррозионного повреждения [1; 8]. Такой эффект является основным при определенном характере разрушения металла от воздействия агрессивной среды (равномерная коррозия общего вида). В случае более опасного характера разрушения материала от коррозии (межкристаллитная коррозия, транскристаллитная коррозия, расслаивающая кор-

розия, щелевая коррозия и т.п. [9]) следует ожидать большего увеличения скорости развития трещины, а также возникновения многоочагового усталостного разрушения в области коррозионного поражения. Таким образом, коррозия может привести к непредсказуемым изменениям в развитии трещины. Еще более усложняет исследования тот факт, что в реальных условиях идентичных коррозионных поражений не существует. Наиболее точно оценить влияние коррозионного поражения на скорость роста трещины представляется только экспериментальным путем.

Для исследования влияния коррозии на скорость роста усталостной трещины были проведены испытания стандартных плоских образцов с центральной сквозной трещиной с коррозионным поражением. Описание испытаний и некоторые результаты представлены в работе [6]. Результаты испытаний показали увеличение скорости роста усталостной трещины для равномерной коррозии общего вида. В работе [6] сделан вывод, что увеличение скорости происходит за счет уменьшения площади поперечного сечения образца, которое учитывается пересчетом напряжений в нетто сечении по формулам сопротивления материалов. В настоящей статье представим результаты анализа, подтверждающие указанный факт, используя подход с определением поправочной функции 01 (формула 4), основанный на результатах сравнения одинаковых испытаний образцов с коррозией и без коррозии.

Выражение для коэффициента интенсивности напряжений для центральной сквозной трещины имеет вид

Кх = сг

где (> - номинальные растягивающие напряжения; 0 - безразмерная поправочная функция для стандартных образцов (тип I) согласно ГОСТ 25.506-85 (в нашем случае зависит от длины трещины I и ширины образца).

В случае коррозии запишем формулу (2) в виде

^1_ — ^ ^ ^ где а1 = р  а - увеличенные напряжения в зоне коррозионного пятна за счет утонения.

С учетом (3) выражение для приведенного коэффициента интенсивности напряжений для

сквозной трещины в зоне коррозионного повреждения можно записать в виде

К = К =

а у ’

где 01 - поправка на увеличение напряжений, учитывающая утонение от локального коррозионного повреждения.

0 0.2 0.4 0.6 08

Рис. 7. Регрессия экспериментальных данных и теоретический расчет • • • - экспериментальные точки;

--- - регрессия экспериментальных точек по формуле (5);

------ теоретический расчет

Анализ результатов испытаний позволил сделать вывод, что поправочная функция Фж зависит только от глубины коррозионного поражения /?: 01 = /00. На рис. 7 представлена регрессия для анализируемых значений. Регрессия проведена гиперболической зависимостью вида

aB^at-h

На рис. 7 представлена зависимость, учитывающая увеличение напряжений в нетто сечении в результате утонения от коррозионного повреждения, полученная путем пересчета по формулам сопротивления материалов. Как видно из графиков, зависимости практически полностью совпадают.

и, м/цикл

Рис. 8. Сравнение средних участков кинетической диаграммы усталостного разрушения и 95%

доверительная область:---- - стандартные образцы;

- образцы с коррозией

Выводы

Таким образом, для расчета длительности роста усталостной трещины в случае равномерного коррозионного поражения общего характера можно использовать справочные данные по трещино-стойкости материала с учетом поправки на уменьшение толщины в результате воздействия коррозии. В случае более опасных видов коррозии такой подход не допустим. На рис. 8 представлен пример пересчета среднего участка кинетической диаграммы усталостного разрушения для образцов с коррозией. Данный подход показал практически полное совпадение с диаграммой, полученной для стандартных образцов без коррозии.

В результате расчетно-экспериментальных исследований предложена методика установления допустимых размеров коррозионных поражений по условию усталостной прочности и оценки остаточной усталостной долговечности зон конструкции с коррозионным поражением. По данной методике получена обобщенная зависимость допустимых значений размеров коррозионного поражения, характерная для алюминиевых авиационных сплавов.

Определена поправочная функция, учитывающая влияние коррозионного поражения при расчете длительности роста усталостной трещины. Экспериментально показано, что при определении длительности роста усталостной трещины для равномерной коррозии общего вида можно пользоваться стандартными справочными значениями параметров трещиностойкости материала, учитывая потерю толщины материала путем увеличения напряжений. Следует учитывать, что скорость роста усталостной трещины в зоне коррозионного повреждения будет зависеть от характера коррозионного разрушения материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акопян К.Э., Бутушин С.В., Гришин А.Н., Лапаев А.В, Семин А.В., Шапкин В.С. Теория и практика оценки коррозионных повреждений элементов конструкции планера воздушных судов / под ред. В.С. Шапкина, С.В. Бутушина. - М.: ЗАО «НЦ ПЛГ ВС ГосНИИ ГА», 2010.

2. Лапаев А.В., Сахин И.В. Некоторые вопросы оценки предельных состояний элементов авиаконструкций с коррозионными повреждениями // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2003. - С. 89-93.

3. Гришин А.Н., Лапаев А.В., Шапкин В.С. Концепция определения уровня коррозионного повреждения листового конструкционного материала на основе расчетно-экспериментальной оценки допустимых размеров коррозионного поражения // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 14-20.

4. Акопян К.Э., Байков В.М., Бутушин С.В., Лапаев А.В., Ковалевский А.С. Оценка влияния значений параметров, характеризующих коррозионное поражение листового конструкционного материала на его долговечность // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 21-25.

5. Лапаев А.В. Оценка долговечности и предельного состояния элементов конструкции с коррозионными поражениями из сплава марки 1163АТВ // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 130. - С. 119-122.

6. Байков В.М., Лапаев А.В., Шапкин В.С. Исследование характеристик усталостной долговечности и трещиностойкости при коррозионном поражении алюминиевого сплава 1163, применяемого в конструкциях современных самолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2011. - №163(1). - С. 110-116.

7. Акопян К.Э., Байков В.М., Гришин А.Н., Ковалевский А.С., Лапаев А.В., Шапкин В.С. Исследование усталостной долговечности фрагмента конструкции фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионным повреждением // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 153(3). - С. 37-43.

8. Corrosion and metal artifacts. A dialogue between conservators and archaeologists and corrosion scientists. -US NBS SP - 479 1977. 80 p.

9. ГОСТ 5272-68 Коррозия металлов. Термины.

TECHNIQUE OF THE ASSESSMENT OF FATIGUE DURABILITY OF THE MATERIAL AT CORROSION DEFEAT AND THE ACCOUNTING OF INFLUENCE OF CORROSION AT CALCULATION OF DURATION OF GROWTH OF THE FATIGUE CRACK

Lapaev A.V.

In article settlement and experimental techniques which can be used at an assessment of a resource of standard zones of a design of transport planes at corrosion defeat are presented. It is experimentally shown that in case of uniform corrosion of a general view at calculation of duration of growth of a crack it is enough to consider increase of tension.

Key words: corrosion damage, fatigue, fatigue crack, survivability, growth rate of a crack.

Сведения об авторе

Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, начальник отдела ЗСЦ СОВТ, автор 39 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.