Kovové letecké konstrukce část 1 Materiály

1. Kovové letecké konstrukcečást 1Materiály podle podkladů autorů Hans-Jürgen Schmidt, Bianka Schmidt-Brandecker AeroStruc – Aeronautical Engineering Vladivoj Otšenášek – SVÚM Praha upravil Milan Růžička

2. Úvod Vazby ovlivňující vlastnosti a vývoj materiálů STRUKTURA POUŽITÍ CHEMICKÉ SLOŽENÍ VLASTNOSTI VÝROBNÍ TECHNOLOGIE APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE

3. Úvod Klasifikace materiálů Materiály Kovové Nekovové Syntetické Přírodní Slitiny železa Ostatní slitiny Dřevo,kůže, ... Kompozity (CFRP),keramika, ... Ocel, litiny,...(r 7,9 g/cm³) Lehké kovy(r < 5,0 g/cm³) Těžké kovy(r > 5,0 g/cm³) Cu (9,0)Pb (11,3)Pt (21,4)Os (22,5) Li (0,5) Mg (1,7)Al (2,7)Ti (4,5) Hybridní materiály • Částicové kompozity (SiC or Al2O3 + Al alloy) • Vlákny vyztužené kovy (Glare: fiberglass + Al)

4. Úvod Podíl různých typů materiálů v dopravních letadlech

5. Přehled typů slitin Slitiny hliníku Al-Cu Zn Al-Cu-Mg stárnuté slitiny Al-Mg-Si Mg Al-Zn-Mg Al Cu Al-Zn-Mg-Cu Al-Si Mn lité slitiny Al-Si-Cu Al-Mg Si vytvrzované slitiny Al-Mn

6. Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle původních norem ČSN

7. Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle International Aluminium Association (AA)

8. Rozdělení slitin hliníku a jejich značení Značení tvářených slitin hliníku podle International Aluminium Association (AA) O - žíhaný F - z výroby H - deformačně zpevněný HXX-odlišení stupně deformačního zpevnění W - po rozpouštěcím žíhání (nestabilní stav) T - tepelně zpracovaný T1XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření a přirozeně stárnutý T2XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření, tvářený za studena a přirozeně stárnutý T3XXX– po rozpouštěcím žíhání, tváření za studena a přirozeném stárnutí T4XXX - po rozpouštěcím žíhání a přirozeném stárnutí T5XXX - ochlazený ze zvýšené teploty tváření a uměle stárnutý T6XXX - po rozpouštěcím žíhání a umělém stárnutí T7XXX - po rozpouštěcím žíhání a přestárnutí / stabilizaci T8XXX - po rozpouštěcím žíhání, tváření za studena a umělém stárnutí T9XXX - po rozpouštěcím žíhání umělém stárnutí a tváření za studena ČSN EN 573-1: „Hliník a slitiny hliníku …“ – Část 1:Číselné označování

9. Rozdělení slitin hliníku a jejich značení 1) Slitiny tvářené vytvrditelné Al-Cu, Al-Mg-Si Al-Zn nevytvrditelné Al-Mg, Al-Mn Al-Si 2) Slitiny slévárenské Al-Si, Al-Mg 3) PM slitiny (prášková metalurgie) 4) KKM (Kompozity s kovovou matricí) 5) Sdružené materiály (ARALL, GLARE)

10. Tepelné zpracování • Homogenizační (vysokoteplotní) žíhání • Odstranění vnitřních pnutí • Žíhání na měkko • Rozpouštěcí žíhání a vytvrzení • Opakované tepelné zpracování u výrobce letadel • - z důvodu nedostatečných vlastností • - z provozních důvodů (deformace za studena, například ohyb nebo prosazení)

11. Tepelné zpracování Rozpouštěcí žíhání Homogenizační žíhání Žíhání na měkko Umělé stárnutí

12. Tepelné zpracování Poznámky Vhodnou volbou parametrů stárnutí lze získat různé kombinace vlastností. Pro získání vhodných vlastností lze například umělé stárnutí provést dvoustupňově (například u některých slitin 7XXX), nebo ho lze provádět při tvářecí operaci (creep ageing). Proces stárnutí může být výrazně ovlivněn plastickou deformací po rozpouštěcím žíhání. U slitin, které stárnou přirozeně (2024) lze proces stárnutí zastavit (pozdržet) umístěním do mrazícího boxu (-18°C). Pro omezení vnitřních pnutí po rozpouštěcím žíhání je vhodné (zvláště u hmotných kusů) ochlazovat výrobek buď do teplé nebo vroucí vody, nebo lze použít jiného chladícího média (glykol). Pro použití glykolu jako chladícího média je nutné dodržet takové podmínky, které zaručí že rychlost ochlazování v celém objemu materiálu proběhne nadkritickou rychlostí.

13. Vytvrzovatelné slitiny Tvářené slitiny typu Al-Cu řady 2XXX(duraly) – AA2024 (AlCu4Mg1) AA2024 T3: Rozpouštěcí žíhání 495°C, voda 25-35°C, tváření za studena, přirozené stárnutí (4 dny) T4:Rozpouštěcí žíhání 495°C, voda 25-35°C, přirozené stárnutí (4 dny) – tepelné zpracování u odběratele T8: Rozpouštěcí žíhání 495°C, voda 25-35°C, tváření za studena, umělé stárnutí 190°C/12h

14. Vytvrzovatelné slitiny Tvářené slitiny Al-Zn řady 7XXX - AA7075 (AlZn6MgCu) AA7075 Rozpouštěcí žíhání – 475°C, voda Přirozené stárnutí - nepoužívá se Umělé stárnutí (120°C/24 hod) – T6 (115°C/5 hod +165°C/15 hod) – T73 (115°C/5 hod +165°C/15 hod) – T76 Ve stavu T6 má slitina maximální pevnost ale špatnou korozní odolnost. Přestárnutí na stavy T7X vedou sice ke zhoršení pevnosti ale ke zlepšení korozní odolnosti. Ve vývoji jsou další postupy tepelného zpracování.

15. Vytvrzovatelné slitiny Slévárenská slitina A357 –T61 (AlSi7Mg) Rozpouštěcí žíhání 538°C/10h, voda 65-100°C, umělé stárnutí 120°C/8h+154°C/8h Vstupní dveře Airbus Vstup do motoru Ø700 mm

16. Příklady použití typů materiálů A320

17. Upper shell skin panels 2024-T3 clad Frames Standard: 2024-T42 clad Machined: 7175-T73xx Seat rails 7175-T6xx Stringers 2024-T42 clad and 7075-T73xx Floor beams 7175-T73xx Support struts 7175-T73xx Lower shell skin panels 2024-T3 clad forward Příklady použití typů materiálů A320 forward fuselage

18. Příklady použití typů materiálů A380-800 structural materials share Fin box & rudder, horizontal tail plane box & elevators with monolithic CFRP Tailcone Fwd in CRFP Upper deck floor beams in CRFP GLARE Upper/side fuselage skin in GLARE 2524 GLARE CFRP pressure bulkhead 2024 6013 7xxx Welded lower fuselage panels 6013 Advanced aluminum alloys for wing covers Center wing box in CRFP Thermoplastic fixed leading edge

19. Příklady použití typů materiálů Civolní letouny slévárenská slitina Casting alloys Různé tvary odlévání do písku A 357 A 357 Al Al - - Si Si - - Mg Mg T6 T6 Sand and investment Complex castings geometry Tvářené slitiny Wrought alloys Plechy plátoványslitinou 1230 Plechy, desky, výlisky, trubky AA 2024 Al Al - - Cu Cu - - Mg Mg T3/T4 T3/T4 Sheet , thin plates , Sheet are clad 2024 extrusions , tubes with 1230 alloy AA 2524 Al Al - - Cu Cu - - Mg Mg T3/T4 T3/T4 Plechy Sheet Damage Damage 2524 tolerance tolerance AA 2618 Al Al - - Cu Cu - - Mg Mg T6/T8 T6/T8 Plechy Sheet High pro vysoké 2618 temperatures teploty Plechy,desky, trubky, tyče, výlisky Svařované díly AA 6061 Al Al - - Mg Mg - - Si Si T6 T6 Sheet , plates , forgings , Welded parts 6061, 6110A extrusions , tubes , rods AA 6013 Al - Mg - Si - Cu T6 Sheet Welded parts Plechy Svařované díly 6013, 6056 Al-Mg-Si-Cu T6 AA 7075, 7175, 7075, 7175, Plechy,desky, trubky, tyče Al Al - - Zn Zn - - Mg Mg T6, T79, T6, T79, Sheet , plates , forgings , Sheet are clad Plechy plátoványslitinou 7072 7475, 7010, 7475, 7010, 7040 T76, T74, T76, T74, extrusions , rods with 7072 alloy 7050, 7055, 7050, 7055, 7085 T73 T73 7150, 7349 7150, 7349, 7449

20. Volba materiálu Technické požadavky Únavová p. (do iniciace) Statická pevnost Corozní odolnost (stress-corrosion cracking ) Únavová p. šíření trhlin Damage tolerance Material Údržbaopravyinspekční prohlídky Lomová houž. Tuhost(E - modul Únavová odolnost (Iniciace/propace trhlin) Měr. hmotnost Cena Výrobní náklady hlediska provozu hlediska návrhu

21. Volba materiálu Technical aspects Hlavní trendy Zvyšování pevnosti Zvyšování DT odolnosti Lehčí slitiny Zvyšování korozní odolnosti Snižování výrobních nákladů V budoucnu Současnost Dříve

22. Volba materiálu • Mat. pro „statická“ zatížení • Vysokopevnostní slitiny (Rm, Rp0,2) 7XXX • 7010 T6XXX  tlustostěnné díly • 7075 T6XXX  tenkostěnné díly • Tepelné úpravy – srovnáno podle pevnosti (od max k min): • 7XXX T76, T74 and T73 • kompromis pevnost/korozní odolnost 7XXX T76 or T74 • nejlepší pro smyková napětí 7XXX T6 or T76 • Vysokomodulové (ET, EC) Al-Li alloysnapř. • 2024 T3XXX  desky, plechy, výkovky • 7149 T76  výlisky • Slitiny s vysokou mezí kluzu v tlaku (Rc0,2) • 7149 T76  výlisky • 7055/7150 T77XX  desky, plechy, výkovky • 7010 T6XX  desky, plechy, výkovky • 7075 T6XX  desky, plechy, výkovky

23. Volba materiálu • Mat. pro „únavová“ zatížení • Kompromis únava/ šíření / houževnatost • 2024 T3XXX  desky, plechy, výkovky • 7475 T73XX  desky, plechy • 6013 T6 HDT  desky, plechy • Korozní odolnost: • Nejlepší 7XXX T73 • 2024 T3 (kromě výkovků) • 6XXX (kromě 6013) • Nejhorší 7XXX T6XXX • 2024 T351 (koroze pod napětím) • Tvářitelnost, svařitelnost: • Nejlepší 5XXX • 6XXX

24. Volba materiálu Charakteristiky a použití slitin • 2XXX (Al-Cu) : • Výborná houževnatost • Dobrá odolnost únavě • Nízká rychlost šíření trhlinvhodné pro aplikace DT při tahovém zatížení • Náchylnost k vrstevnaté koroziplátování povrchů • Typické aplikace: • Potahy a podélníky dolní části křídel • Potahy trupu a podélníky • Pevné náběžné hrany • Sloty Vrstevnatá koroze

25. Volba materiálu Charakteristiky a použití slitin • 7XXX (Al-Zn) • Vyšší pevnost než 2XXX • Nižší houževnatost než 2XXX • Pomalé šíření trhlin použití jako vysopevnostní materiál pro tahové i tlakové oblasti zatížení • Použití: • Potahy a podélníky horní části křídel • Nosníky a žebra • Podélníky a přepážky trupu • Nosníky směrovek (ale A340-500/600 = CFRP) • Klapky a jejich dráhy • Lyžiny sedaček • Příčníky, vzpěry

26. Volba materiálu Porovnání odolnosti růstu trhliny proK = 20 MPam, R = 0.1 and T-L směr log (da/dN) (mm/cykl) Plechy obrobky 10-3 10-4 10-5 7055 T7751 7040 T7451 7475 T7351 2024 T42 clad 7050 T7451 7475 T751 7449 T7651 2524 T3 clad 2024 T3 clad 2524 T42 clad

27. Volba materiálu Plechy obrobky Porovnání lomové houževnatisti Kc/Kc2024pro plechy, KICpro obrobky, T-L direction 1,2 40 Kc/Kc2024 KIc MPa m 1,0 0,8 30 0,6 0,4 20 7055 T7751 7040 T7451 7475 T7351 2024 T42 clad 7050 T7451 7475 T751 7449 T7651 2524 T3 clad 2024 T3 clad 2524 T42 clad 0,2 0 10

28. Vliv technologií na vlastnosti Vliv nehomogenní deformace na strukturu a vlastnosti lisování Výrobní deformace kování válcování tvarování Deformace u odběratele povrchové úpravy TMZ

29. Vliv technologií na vlastnosti Schéma technologie výroby výlisků z vytvrzovatelné slitiny hliníku

30. Vliv technologií na vlastnosti Lisování PŘÍMÉ NEPŘÍMÉ

31. Vliv technologií na vlastnosti Lisování – tok materiálu lisovací matricí Čep: AlCu4Mg1 Vložky: AlMg3 ustálený stav konec čepu složitý výlisek

32. Nehomogenita mechanických vlastností výlisků Vliv technologií na vlastnosti

33. Nehomogenita a anizotropie vlastností

34. Nehomogenita a anizotropie vlastností Bodový odhad distribuční funkce pomocí uspořádaného náhodného výběru {N1 ≤ N2 ≤… ≤ Nn} Hodnota distribuční funkce F(Ni) Odhady distribuční funkce pomocí vztahů F(Ni)= i/(n+1) F(Ni)= (i-0,5)/n F(Ni)= (3i-1)/(3n+1) Převzato z: Jaap Shijve „ Fatigue of Structures…

35. Nehomogenita a anizotropie vlastností AA7475-T73 Báze B Báze A Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95%

36. Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (Stress Corrosion Cracking) • Korozní praskání je jev, ke kterému dochází při současném působení tahových napětí a korozního prostředí. Jedná se o jev obtížně kontrolovatelný a předvídatelný. Proto je nutná prevence. Odolnost vůči SCC je proto jedním z důležitých parametrů při návrhu materiálů pro konstrukční účely. K poruchám vlivem SCC může docházet i v případech, kdy materiál není zatěžován (například při skladování nebo při přepravě). • Tahová pnutí mohou být vnesena do materiálu různými mechanismy: • při výrobě (kování, válcování, lisování, jakákoliv deformace za studena), • při deformaci u uživatele, • při montáži, • při spojování (svařování, nýtování) a • při obrábění.

37. Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) • SCC je komplexní jev který je ovlivněn souběžně působícími korozními, mechanickými a metalurgickými faktory. Charakteristické pro výskyt a sledování SCC jsou obtížně definovatelné vlivy prostředí, neznalosti v rozdělení tahových napětí, neznalosti v v mechanismech vzniku a šíření SCC trhlin a obtížně definovatelný vliv teploty. Z těchto důvodů vyplývá obtížná kontrola tohoto typu porušení. Proto je zásadní prevence. • Při prevenci s ohledem na SCC je proto rozhodující: • volba vhodné slitiny pro dané umístění v konstrukci, • volba takových technologických operací, které minimalizují vnitřní pnutí, • minimalizace konstrukčních vlivů a navrhovat takové konstrukční řešení, které zohledňuje strukturu materiálu (anizotropie struktury - tlusté desky, ST orientace)

38. Korozní praskání (SCC) Vliv technologií na vlastnosti Válcovaná deska ze slitiny AA7075 L R p0,2 LT ST

39. Korozní praskání (SCC) Vliv technologií na vlastnosti Rozdělení vybraných slitin hliníku podle odolnosti vůči SCC do tří skupin (podle ESA – ECSS-Q-70-36).

40. Vliv technologií na vlastnosti Korozní praskání (SCC) Slitina 7075 –T6 (AlZn6MgCu) Náboj jízdního kola

41. Náboj kola Korozní praskání (SCC) Statická část lomu Výkovek Korozní část lomu Korozní část lomu Výlisek Statická část lomu

42. Vlastnosti slitin Aluminum alloys 2xxx • Porovnání slitin 2024 a 2524 • Chemické složení

43. Vlastnosti slitin Al slit. 2024 • Popis: • Slitina 2024 s úpravou T3xxx je nejvhodnější kompromis pro únavu, šíření trhliny a odolnost křehkému lomu. • hustota materiálu r = 2.80 g/cm3. • Korozní odolnost: • 2024 T3 dobrá. • Mělo by se zamezit trvalému namáhání u slit. 2024 T351 může vést k mezikrystalické korozi a trhlinám – korozní praskání.

44. Vlastnosti slitin Slit. 2024 T3/T351/T42, plátovaný plech Data: A= 99% spolehlivost / 95% confidence Data B = 90% / 95% c DataS = minimálně dosahované hodnoty dle dané specifikace

45. Vlastnosti slitin Slit. 2024 T3/T351/T42, plátovaný plech Kt = 2.5 Pravděpodobnost poruchy: P=50 %

46. Vlastnosti slitin Slitina 2524 • Popis: • Al slit. 2524 má shodné mater. vlastnosti jako 2024, kromě • šíření trhliny  má nižší rychlost šíření • lomová houževnatosje o 20 procent vyšší než 2024 • hustota materiálu r = 2.80 g/cm3. • Použití: • 2524 se užívá tam, kde se dříve užívala slit. 2024, avšak kde je vyžadována vyšší odolnost proti šíření trhliny nebo vyšší lom. houževnatost. • Korozní odolnost: • jako 2024

47. Vlastnosti slitin Slit. 2524 T3/T351, plátovaný plech speciální povrch. úprava

48. Vlastnosti slitin Slit. 2524 T42, plát. plech- spec. povrch. úprava

49. Vlastnosti slitin Porovnání šíření trhlin 2024 / 2524 T3/T351 plech R = 0.1 da/dn (mm/cykl) 2024 2524 K (MPam)

50. Vlastnosti slitin Slitiny 7xxx 7075, 7475, 7010, 7050, 7150, 7055 a 7349: