7. 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 цикл напряжений, 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 ,
1	31,8	18,3	20	17,2	0,54
2	37,5	33,9	13	17,2	0,46
3	55,8	50,4	12	23,9	0,43
4	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	42	30	10	14	0,33
В95	52	44	5 - 6	12	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10⁷ ). R = 0,1 ; K_t = 1,0 ( без концентратора напряжения ) ; Частота – 40 Герц.

Материалы		Количество циклов ( N ) до разрушения.
		4 х 105	106	3 х 106	107	2 х 107
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10⁷ ). 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 105		106		3 х 106		107		2 х 107
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 ,
1	90 ( )	1,00
104	75	0,83
105	73	0,81
106	72	0,80
107	70	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, 0⁰, +20⁰, 0⁰, +20⁰, 0⁰, -20⁰, 0⁰, -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.
19	9600
20	9000
21	8600
22	8600

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 ( ).

Используя результаты, указанные в таблице, определим коэффициент вариации и коэффициент безопасности для КМ.

1. = = 8950кгс.

2.  = 223333. 3. S  = = 472,6. 4.  = = 0,0528  100 = 5,28%.

Таким образом, коэффициент вариации ( ) равен 5,28%, а истинный коэффициент вариации ϑ  ϑ_n  Испытано ( n ) 4 образца. Следовательно, поправочный коэффициент  1,44 ( по таблице из АП- 25 ); ϑ  5,28 1,44 = 7,6%; коэффициент безопасности для КМ  1,5  При ϑ = 7,6% ( 0,076 ) = 1,0. Значит  1,5 х 1,0 = 1,5.

Выводы:

1. По результатам испытаний 3-х панелей средняя разрушающая нагрузка Р_{разруш.}= 14233 кгс., при этом коэффициент вариации ϑ_n = 5,64%. При испытании 3-х образцов истинное значение коэффициента вариации равно : ϑ  ϑ_n  , где ϑ_n – коэффициент вариации при испытании n штук образцов, а Ƞ – поправочный коэффициент ( при n = 3 Ƞ = 1,5 ), т. е. ϑ  ϑ_n  = 5,64  1,5 = 8,46% ( 0,086 ), = 1,0. Значит  1,5 х 1,0 = 1,5.

По результатам испытаний 4-х панелей без усиливающих полос в районе кромки отверстия коэффициент вариации ϑ_n = 5,28%. Это свидетельствует о хорошей стабильности свойств КМУ и технологии изготовления панелей. ϑ  ϑ_n  = 5,28  1,44 = 7,06%, ( при n = 4 Ƞ = 1,44 ),.  1,5 х 1,0 = 1,5.

При таких коэффициентах вариации нет необходимости вводить дополнительный коэффициент безопасности = 1,0 ). Это означает, что максимальная эксплуатационная нагрузка составляет 67% от расчётной нагрузки - 0,67  = 0,67  45 = 30,15 .

2. Диаграмма сила – деформация линейна вплоть до разрушения, т.е. отсутствует зона пластических деформаций, при этом разрушение происходит при деформации равной 0,62% - 0 64% ( в отличии от металлов, см. выше ).

3. Во время второго этапа испытания ( испытание на усталость ) уровень напряжения в регулярной зоне был σ    = 18 т.е. равный разрушающему напряжению для панелей без усиливающих полос в районе кромки отверстия ), а отношение  0,63, т.е. панель испытывалась на усталость при 63% от разрушающей нагрузки ( при наличии концентратора напряжения ) , при этом признаков разрушения не наблюдалось. Испытание на усталость не повлияло на изменения деформаций и на изменение статической прочности панели с отверстием.

4. Применение усиливающих полос с направлением 0⁰ в зоне отверстия ( применение высокомодульного стоппера ) увеличило несущую способность панели в 1,59 раза ( .

Испытание панели № 34. Испытания проводились в два этапа.

Первый этап. Испытание пульсирующим растяжением при Р_min.= 700 кгс., P_max.= 11250 кгс., с частотой 4 герца было наработано 250000 циклов без каких-либо признаков разрушения.

Второй этап. Статическое испытание на растяжение до разрушения фиксируя показания тензодатчиков при нагрузках 5000, 10000, 15000, 18000, 20000 кгс. Результаты показаны на Рис. 10, 11, 12. Разрушающая нагрузка Р_{разруш.} = 22100 кгс. Аналогичные панели № 35 и № 36 были испытаны на статическое растяжение до разрушения с тензометрированием. Разрушающая нагрузка для панели № 35 – 21900 кгс., а для панели № 36 – 22500 кгс.

Со схемой смешанной укладки (13 слоёв) было испытано 5 панелей. Результаты статических испытаний представлены в таблице.

Номера панелей	Разрушающая нагрузка, кгс.
3	12000
5	13800
6	12200
9	12400
10	12800

Средняя разрушающая нагрузка Р_{разруш.}= 12640 кгс. Расчётный предел прочности для данной укладки σ_B  52 , а разрушающее напряжение σ_{разруш.} =  15,6 , при этом коэффициент концентрации на кромке отверстия ( для данной укладки) при соотношении = 0,2 равен 3,33 ( ).

Используя результаты, указанные в таблице, определим коэффициент вариации и коэффициент безопасности для КМ.

1. = = 12640 кгс.

2  = 508000. 3. S  = 712,74 4.  = 0,0564  100 = 5,64%.

Таким образом, коэффициент вариации ( ) равен 5,64%, а истинный коэффициент вариации ϑ  ϑ_n  = 5,64  1,37 = 7,73% ( 0,0773 ), ( при n = 5 Ƞ = 1,37 ), - см. . При таком коэффициенте вариации нет необходимости вводить дополнительный коэффициент безопасности. Это означает, что максимальная эксплуатационная нагрузка составляет 67% от расчётной нагрузки - 0,67  = 0,67  52 = 34,84

Выводы:

1. По результатам испытаний 3-х панелей средняя разрушающая нагрузка Р_{разруш.}= 22167 кгс., при этом коэффициент вариации ϑ_n = 1,38%, а ϑ  ϑ_n  = 1,38  1,5 = 2,07% ( 0,0207 ). Значит  1,5 х 1,0 = 1,5.

2. Диаграмма сила – деформация линейна вплоть до разрушения, т.е. отсутствует зона пластических деформаций, при этом разрушение происходит при деформации в районе 0,6% ( в отличии от металлов, см. выше ).

3. Во время первого этапа испытания ( испытание на усталость ) уровень напряжения в регулярной зоне был σ    = 13,85 т.е. равный разрушающего напряжения для панелей без усиливающих полос в районе кромки отверстия ), а отношение  0,51, т.е. панель испытывалась на усталость при 51% от разрушающей нагрузки ( при наличии концентратора напряжения ) , при этом признаков разрушения не наблюдалось. Испытание на усталость не повлияло на изменения деформаций и на изменение статической прочности панели с отверстием..

4. Применение усиливающих полос с направлением 0⁰ в зоне отверстия ( применение высокомодульного стоппера ) увеличило несущую способность панели в 1,75 раза ( .

Общие выводы :

1.Результаты испытаний показали хорошую стабильность характеристик.

2.Для элементов конструкций из углепластика, работающих на усталость при растяжении и для обеспечения их выносливости можно допускать уровень напряжений, составляющий 70 – 75% от предела прочности материала с соответствующей укладкой.

Особенности, характерные для рассмотренных композиционных материалов: