Influence of Technology of Hot Forming of Plates from Aluminum Alloys Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu on Resistance to Fatigue Fracture

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. One of the primary objectives in the development of promising aircraft products is to reduce the weight of the aircraft structure. This problem can be solved by applying new low density materials such as aluminum alloys alloyed with lithium (for example, Al-Cu-Li-Zn) in the design of parts. The use of these materials in aircraft construction is limited by the processing technology, which must be such as not to damage the material and not reduce its strength properties. Such technologies include processing by pressure with heating, when creep processes are activated and the material passes into a state close to superplasticity. The purpose of the work: assessment of the effect of pressure shaping of aluminum alloys Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu in creep mode on strength. The paper investigates the influence of the technology of pressure shaping of aluminum alloys Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu on the resistance to fatigue failure. The work uses a method that allows to determine the ultimate stresses using diagrams of the accumulation of irreversible deformations; method of forming thick plates (40 mm) in the creep mode. The previously selected optimum temperatures for forming the plates are used. A non-contact coordinate measuring system is used to perform surface inspection after shaping. Fractography of the fracture of samples of alloy Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu after fatigue failure is performed. Mathematical modeling of the deformation process of plates in creep mode is carried out in the MSC.Marc package. As a result, a conservative evaluation of the endurance limit for aluminum alloys Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu is obtained. The shaping of thick plates in the creep mode is carried out. More than 80% of the board surface is formed with a deviation of less than 1 mm from the target size. Fatigue tests of samples made of molded panels of alloys Al-Cu-Li-Zn and Al-Zn-Mg-Cu are carried out, fatigue curves are plotted. The fractography of the surface of the fatigue fracture showed the presence of oxides in the samples of alloy Al-Cu-Li-Zn, in contrast to alloy Al-Zn-Mg-Cu. The results of fatigue tests are discussed, showing that the characteristics of the technological process of shaping and heat treatment do not deteriorate the fatigue properties of the investigated alloys. Comparative tests show that alloy Al-Cu-Li-Zn has higher fatigue characteristics. Mathematical modeling show that the use of the Boyle-Norton steady-state creep law is not enough to describe the process of plate forming. The necessity of setting the inverse problem of creep age forming is noted, where the coordinates of the punches of the loading device should act as boundary conditions.

About the authors

K. V. Zakharchenko

Email: Zaharchenkok@mail.ru
Ph.D. (Engineering), 1. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 15 Akademika Lavrentieva Prospekt, Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, Zaharchenkok@mail.ru

V. I. Kapustin

Email: Fatigue.nstu@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, 1. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; 2. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 15 Akademika Lavrentieva Prospekt, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, Fatigue.nstu@mail.ru

A. Yu. Larichkin

Email: larichking@gmail.com
Ph.D. (Physics and Mathematics), 1 Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 15 Akademika Lavrentieva Prospekt, Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. Novosibirsk State University, 1 Pirogova Str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, larichking@gmail.com

Y. L. Lukyanov

Email: Lukyanov@hydro.nsc.ru
Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 15 Akademika Lavrentieva Prospekt, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, Lukyanov@hydro.nsc.ru

References

  1. Развитие и применение высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu для авиакосмической техники / И.Н. Фридляндер, О.Г. Сенаторова, Е.А. Ткаченко, И.И. Молостова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2008. – № 8. – С. 17–21.
  2. Оглодков М.С. Закономерности изменения структуры и свойств катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 в зависимости от технологических параметров производства и термической обработки: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 2013. – 26 с.
  3. Перспектива применения плит из высокопрочного сплава В-1461 пониженной плотности в самолетных конструкциях / Л.Б. Хохлатова, Н.И. Колобнев, М.С. Оглодков, А.А. Филатов, Ю.А. Попова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2014. – № 2. – С. 16–22.
  4. Изменение фазового состава в зависимости от режимов старения и структуры полуфабрикатов сплава В-1461 / Л.Б. Хохлатова, Н.И. Колобнев, М.С. Оглодков, Е.А. Лукина, С.В. Сбитнева // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2012. – № 6 (684). – С. 20–24.
  5. К вопросу обработки материалов давлением в режиме ползучести / Б.В. Горев, И.Д. Клопотов, Г.А. Раевская, О.В. Соснин // Прикладная механика и техническая физика. – 1980. – Т. 21, № 5 (123). – С. 185–191.
  6. Патент 2056197 Российская Федерация. Способ формообразования деталей и устройство для его осуществления / П.В. Миодушевский, Г.А. Раевская, О.В. Соснин. – № 5037750/08; заявл. 15.04.1992; опубл. 20.03.1996.
  7. Патент 2251464 Российская Федерация. Устройство формования / И.Д. Клопотов, И.В. Любашевская, Г.А. Раевская, Л.Л. Рублевский, О.В. Соснин. – № 2002119982/02; заявл. 22.07.2002; опубл. 10.05.2005.
  8. The influence of coating technologies on stress-strain characteristics of the sample at periodic loading / K.V. Zakharchenko, V.I. Kapustin, V.P. Zubkov, A.V. Talanin, E.A. Maksimovski // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 894, N 1. – P. 012032. – doi: 10.1088/1742-6596/894/1/012032.
  9. Raevskaya G.A., Zakharchenko K., Larichkin A. Determination of optimum parameters of the technological process for plates forming from V95 and V-1461 alloys in creep applied in aircrafts constructed by "Sukhoi design bureau" // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 894, N 1. – P. 012078. – doi: 10.1088/1742-6596/894/1/012078.
  10. Физическое моделирование технологического процесса формообразования элементов конструкций из алюминиевого сплава B95 в условиях ползучести / А.Ю. Ларичкин, К.В. Захарченко, Б.В. Горев, В.И. Капустин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 1 (70). – P. 6–15. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-1-6-15.
  11. Peterson R.E. Stress concentration factors. – New York: Wiley, 1974. – 235 p.
  12. Influence of the creep ageing process on the fatigue properties of components from V95pchT2 (analog 7175T76) and V95ochT2 (analog 7475) aluminium alloys / A. Larichkin, K. Zakharchenko, B. Gorev, V. Kapustin, E. Maksimovskiy // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 894, N 1. – P. 012050. – doi: 10.1088/1742-6596/894/1/012050.
  13. Ерисов Я.А., Гречников Ф.В., Оглодков М.С. Влияние режимов изготовления листов из сплава В-1461 на кристаллографию структуры и анизотропию свойств // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2015. – № 6. – С. 36–42. – doi: 10.17073/0021-3438-2015-6-36-42.
  14. Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. – M.: Металлургия, 1981. – 280 с.
  15. О возможности получения термостабильных высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с нанофазным упрочнением 1 121 / В.А. Троянов, А.Н. Уксусников, О.Г. Сенаторова, В.Г. Пушин // Вторые Московские чтения по проблемам прочности материалов, посвященные 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна: тезисы докладов. – М.; Черноголовка, 2011. – С. 152.
  16. Шанявский A.A. Моделирование усталостных разрушений металлов: синергетика в авиации. – Уфа: Монография, 2007. – 500 с.
  17. Brown M.W., De los Rios E., Miller K.J. Environmentally assisted cracking // Proceedings ECF 12: Fracture from Defects. – Cradley Heath, 1998. – Vol. 3. – P. 1091–1248.
  18. Corrosion fatigue // Fatigue ’;99: Proceedings 7th International Fatigue Congress / ed. by X.R. Wu and Z.G. Wang). – Beijing, China, 1999. – Vol. 4. – P. 2197–2365.
  19. Математическое моделирование процессов ползучести металлических изделий из материалов, имеющих разные свойства при растяжении и сжатии / С.Н. Коробейников, А.И. Олейников, Б.В. Горев, К.С. Бормотин // Вычислительные методы и программирование. – 2008. – T. 9, № 1. – C. 346–365.
  20. Бормотин К.С., Вин А. Метод динамического программирования в задачах оптимального деформирования панели в режиме ползучести // Вычислительные методы и программирование. – 2018. – T. 19, № 4. – С. 470–478. – doi: 10.26089/NumMet.v19r442.
  21. Large creep formability and strength–ductility synergy enabled by engineering dislocations in aluminum alloys / Ch. Liu, J. Yang, P. Ma, Z. Ma, L. Zhan, K. Chen, M. Huang, J. Li, Zh. Li // International Journal of Plasticity. – 2020. – P. 102774.
  22. Effect of creep-aging on precipitates of 7075 aluminum alloy / Y.C. Lin, Y.-Q. Jiang, X.-M. Chen, D.-X. Wen, H.-M. Zhou // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 588. – P. 347–356. – doi: 10.1016/j.msea.2013.09.045.
  23. Effects of creep-aging parameters on aging precipitates of a two-stage creep-aged Al–Zn–Mg–Cu alloy under the extra compressive stress / Y.C. Lin, X.-B. Peng, Y.-Q. Jiang, C.-J. Shuai // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 743. – P. 448–455. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.01.238.
  24. Бормотин К.С., Белых С.В., Вин А. Математическое моделирование обратных задач многоточечного формообразования в режиме ползучести с помощью реконфигурируемого устройства // Вычислительные методы и программирование. – 2016. – T. 17, № 3. – С. 258–267. – doi: 10.26089/NumMet.v17r324.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».