Коррозионная стойкость композиционных материалов.

В настоящее время в конструкциях самолётов из композиционных материалов в основном применяются стеклопластики и углепластики, которые сами по себе не подвержены коррозии. Это обстоятельство не требует применять (в отношении этих материалов) специальных антикоррозионных мер защиты, а также проводить дорогостоящий ремонт по причине коррозии. Отсутствие коррозии КМ позволило фирме Boeing на дальномагистральном самолёте 787 увеличить влажность воздуха в пассажирском салоне, тем самым повысить комфортность, что привлекает пассажиров. В конструкциях из стеклопластиков и из углепластиков, при применении крепёжных элементов, необходимо применять крепёжные элементы, разработанные специально для соединения композиционных материалов. Такие крепежные элементы разработаны и выпускаются ОАО Нормаль, г. Нижний Новгород. Для углепластиков, крепёжные элементы выпускаются из титановых сплавов ВТ–16, ВТ1–00 или из 12Х18Н9 (например, ОСТ1 30081 – 90). Это объясняется тем, что на прямой контакт с углепластиком допускаются только титановые или коррозионностойкие сплавы. В противном случае будет развиваться коррозия контактирующих с углепластиком металлов. На это есть соответствующий документ ВИАМа, а АР МАК строго за этим следит.

На самолёте 787 фирмы Boeing широко применены крепежные элементы представленные ниже (источник – Интернет). В России таких крепежных элементов нет.

 

Если на углепластиковую конструкцию устанавливается кронштейн из алюминиевого сплава, то между ними необходимо поместить прокладку из стеклопластика размером на 10 – 15 мм. превышающей размеры подошвы кронштейна по всему контуру. Стеклопластик не является коррозионноактивным по отношению к любым металлам. Но то, что касается применения для КМ (и для стеклопластиков, и для углепластиков) указанных выше крепёжных элементов, то это объясняется тем, что для композиционных материалов из – за пониженной прочности связующего на сжатие необходимо соблюдать требования, указанные в ОСТах (в ОСТах регламентируется величина удельного давления на пакет со стороны замыкающей головки).

Вывод – композиционные материалы являются корозионностойкими материалами.

8. Выносливость Д16, В95 и композиционного материала КМУ- 4Э. (источник [ 46 ] для КМУ-4Э).

Пределом выносливости при заданном R называется наибольшая величина максимального напряжения (σ_max = σ_m + σ_a) цикла, не вызывающего разрушение при произвольном увеличении числа циклов, где: R – коэффициент асимметрии цикла, σ_m – среднее напряжение усталостного цикла нагружения для гладкого образца, т.е. полусумма максимального и минимального напряжений, σ_a – переменное напряжение усталостного цикла гладкого образца или амплитуда циклических напряжений. R = = .

Усталостная прочность характеризуется номинальной амплитудой напряжений, приводящей к разрушению образца при определённом среднем напряжении и определенном числе циклов. Величины амплитуды напряжений, средних напряжений и числа циклов до разрушения (N) взаимозависимы и все три требуют точного согласования.

Различают несколько типов циклов нагружения. 1. Асимметричный цикл при растягивающей нагрузке. Этот цикл для пассажирских самолетов наиболее распространённый. При полёте в спокойном воздухе крыло изгибается вверх, при этом нижняя поверхность крыла растягивается, а верхняя – сжимается напряжением σ_m. При попадании самолёта в неспокойный воздух (самолёт испытывает болтанку) на напряжение σ_m накладывается знакопеременная нагрузка ± σ_a. Напряжения σ_m ± σ_a полностью определяют циклнапряжений, обычно осуществляемый в усталостных испытаниях. С точки зрения усталостной прочности нижняя (растянутая) поверхность крыла является более опасной, чем верхняя поверхность крыла. При применении металлов, марку материалов для нижней и верхней поверхностей крыла выбирают исходя из условий обеспечения усталостной прочности. Как правило, чем выше прочность у металла, тем ниже относительное удлинение при растяжении и тем ниже усталостная прочность и предел выносливости. 2. Пульсирующий цикл. Пульсирующая нагрузка (напряжения изменяются в пределах σ_a ± σ_a или - σ_a ± σ_a) характеризуется повторяющимся приложением и снятием растягивающей (или сжимающей) нагрузки. Среднее значение этой нагрузки равно положительному или отрицательному значению её амплитуды. 3. Симметричный цикл нагружения или знакопеременная нагрузка (напряжения изменяются в пределах 0 ± σ_a) есть цикл, в котором максимальные растягивающие и сжимающие нагрузки равны по величине. Таким образом, средняя нагрузка такого цикла равна нулю. Такой цикл характерен для деталей, работающих на изгиб в условиях вращения.

В приведены пределы выносливости при осевом нагружении, определённые на базе N = 10⁶ циклов до разрушения для некоторых зарубежных алюминиевых сплавов.

№ алюм. сплав.		,	ε, %	σa,
	31,8	18,3		17,2	0,54
	37,5	33,9		17,2	0,46
	55,8	50,4		23,9	0,43
	67,1	61,6	12,5	25,6	0,38

 

где: - предел прочности материала, условный предел текучести – напряжение, при котором остаточные деформации равны 0,1%, что можно экспериментально точно определить для каждого материала, ε – относительное удлинение при разрыве, σ_a – предел выносливости.

В , стр. 141 приводятся данные по пределу выносливости (σ_a) для отечественных алюминиевых сплавов на базе 10⁷ циклов.

Алюм. сплавы		,	ε, %	σa,
Д16Т					0,33
В95			5 - 6		0,23

 

Из таблицы видно, что материал Д16Т по относительной усталостной прочности в 1,4 раза лучше, чем материал В95. Не смотря на то, что по В95 выигрывает у Д16Т, последний применяется в элементах конструкции планера самолёта, работающих на растяжение при наложении на растягивающую нагрузку знакопеременной нагрузки. К таким конструкциям относятся: нижняя панель крыла и верхняя поверхность фюзеляжа.

Вывод. Для конструкций планера самолёта из алюминиевых сплавов, работающих на растяжение + знакопеременная нагрузка, для обеспечения выносливости необходимо исходить из того, чтобы уровень напряжения в конструкции не превышал 33% от предела прочности материала. Это приводит к увеличению веса конструкции.

Усталость. Выносливость(при N=2·10 ⁷ ). R = 0,1; K_t = 1,0 (без концентратора напряжения); Частота – 40 Герц.

Материалы	Количество циклов (N) до разрушения.
4 х 10^5	10^6	3 х 10^6	10^7	2 х 10^7
Д16АТ		12,8	11,9	10,8	10,3	10,0
В95п.ч.Т1	12,5	11,0	10,5	10,2	10,0

Усталость. Выносливость(при N=2·10 ⁷ ). R = 0,1; K_t =2,6 (с концентратором напряжения в виде отверстия диаметром (d) 5мм.при ширине образца (B) 30мм., отношение ; Частота – 40 Герц.

Материалы	Количество циклов (N) до разрушения.
4 х 10^5	10^6	3 х 10^6	10^7	2 х 10^7
Д16АТ		10,2	8,9	8,6	8,2	8,0
В95п.ч.Т1	10,5	9,0	8,0	7,2	7,0

Для углепластика марки КМУ – 4Э 0,1 П, удельный вес которого , ⁰ = 90 , усталостная прочность при симметричном изгибе для однонаправленного материала:

N циклов	σa,
	90 ()	1,00
10^4		0,83
10^5		0,81
10^6		0,80
10^7		0,78

Из таблицы видно, что для обеспечения выносливости конструкций из углепластика можно допускать уровень напряжений, составляющий 70 – 75% от предела прочности материала. Например, для смешанной укладки слоёв (0₂, 90, ± 45, 0, 9̅0)_s - 13 слоёв (кодовое обозначение в соответствии с , стр. 192 -198) предел прочности ( теоретический и практический равен 52 Значит можно допустить в конструкции 52 · 0,7 = 36,4 . Эффективность применения КМУ по сравнения с Д16Т составляет: · = · = 5,04, т.е. при обеспечении выносливости конструкция из КМУ в 5 раз легче, чем конструкция из Д16Т.

Ниже представлены результаты экспериментальных исследований усталостной прочности панелей с отверстием, изготовленных из материала КМУ – 4Э на основе ленты углеродной ЭЛУР – 0,1 с толщиной монослоя (одного слоя) = 0,125 мм. Экспериментальные работы (наклейка тензодатчиков, проведение статических и усталостных испытаний, фиксирование показаний тензодатчиков) были проведены в ЦАГИ в 1989 году сотрудником НИО – 18 Ушаковым А. Е. Все рисунки, представленные ниже, взяты из отчёта без каких – либо изменений. Всего было испытано 36 панелей с различными схемами укладок (укладки показаны на Рис. 1), но только панель № 32 и панель № 34 были испытаны пульсирующим растяжением с последующим статическим растяжением до разрушения с фиксированием показаний тензодатчиков. Данные панели были изготовлены с усиливающими вставками по кромке отверстия (см.Рис.2). Данное усиление осуществлялось путём расположения между основных слоёв углепластика дополнительных слоёв того же материала с ориентацией 0⁰ (в направлении действия нагрузки). Таким образом укладка и количество слоёв в регулярной зоне и в зоне отверстия были разные. Для панели № 32: - в регулярное зоне укладка была +20⁰, -20⁰, -20⁰, +20⁰, +20⁰, -20⁰, -20⁰, +20⁰ (8 слоёв); в зоне отверстия укладка была +20⁰, 0⁰, -20⁰, 0⁰, -20⁰, 0 ⁰, +20⁰, 0⁰, +20⁰, 0⁰, -20⁰, 0 ⁰, -20⁰, 0⁰, +20⁰ (15 слоёв). С аналогичными укладками были изготовлены панели № 31 и № 33, но они были испытаны только на статическое растяжение до разрушения. Для панели № 34: - в регулярное зоне укладка была 0⁰, 0⁰, 90⁰, +45⁰, -45⁰, 0⁰, 90⁰, 0⁰, -45⁰, +45⁰, 90⁰, 0⁰, 0⁰ (13 слоёв); в зоне отверстия укладка была 0⁰, 0⁰, 0⁰, 0⁰, 90⁰, 0⁰, +45⁰, 0⁰, -45⁰, 0⁰, 0⁰, 0⁰, 90⁰, 0⁰, 0⁰, 0⁰, -45⁰, 0⁰, +45⁰, 0⁰, 90⁰, 0⁰, 0⁰, 0⁰, 0⁰ (25 слоёв). С аналогичными укладками были изготовлены панели № 35 и № 36, но они были испытаны только на статическое растяжение до разрушения. Жирно выделены дополнительные слои.

Особенности данных панелей. 1. Эти панели с концентратором напряжения в виде круглого отверстия. 2. Отношение диаметра отверстия (d) к ширине панели (B) равно = = 0,2.

Подготовка к испытаниям панелей № 32 и № 34. Перед проведением испытаний на панелях были наклеены тензодатчики для фиксирования удлинений при определённой нагрузке. На Рис.4 и Рис.9 показаны схемы наклейки тензодатчиков. На Рис.5,6,10,11 представлены показания тензодатчиков в зависимости от величины нагрузки, а на Рис.7,12 – показания тензодатчиков по ширине панелей.

Испытание панели № 32. Испытание проводилось в 3 этапа.

Первый этап. Статическое испытание растяжением до Р = 9000 кгс. с замером деформаций при Р = 3000, 6000 и 9000 кгс. Результаты представлены на Рис.6.

Второй этап. Испытание пульсирующей растягивающей нагрузкой по схеме, представленной на Рис.5а. Было наработано 344000 циклов при Р_min.= 800 кгс. и Р_max. = 9000 кгс. без признаков разрушения.

Третий этап. Испытание статическое на растяжение до разрушения с замером деформаций при Р = 5000, 9000, и 12000 кгс. датчиками, расположенными в сечениях I и II (см. Рис.5 б). На Рис.7 представлены значения деформаций до и после усталостного испытания. Р_{разруш.}= 14300 кгс.

Статическим испытанием до разрушения были испытаны ещё 2 панели – панели №31 и №33. Характер разрушения 3-х панелей показан на Рис.8. Для панели № 33 Р_{разруш.}= 15000 кгс.

Со схемой укладки ± 20⁰ (8 слоёв) было испытано 4 панели. Результаты статических испытаний представлены в таблице.

Номера панелей	Разрушающая нагрузка, кгс.

 

Средняя разрушающая нагрузка Р_{разруш.}= 8950 кгс. Расчётный предел прочности для данной укладки σ_B = 45 , а разрушающее напряжение σ_{разруш.} = = 17,9 , при этом коэффициент концентрации на кромке отверстия (для данной укладки) при соотношении = 0,2 равен 2,51 ().