Tässä kappaleessa on tarkoitus esittää murtumamekaanisia para
metrejä lentokonemateriaaleille, esittää tutkittava neuvosto
liittolainen lentokoneenrakennusteräs sekä neuvostoliittolaisia lentokoneenrakennusalumiineja. Kirjallisuuden avulla pyritään esittämään vastaavia länsimaisia materiaaleja. Myös analyysi- ja lujuustietoja esitetään tutkittavasta ja vertailtavista materiaa leista. Käsittely keskittyy vain muutamiin tiettyihin metallei- hin, sillä metallivalikoima ja nimenomaan seosvalikoima on laaja lentokoneina! eriaale is sa. Perusparametritiedot länsimaisille ma
teriaaleille on saatavissa kirjallisuudesta, mutta neuvostoliit
tolaisista materiaaleista, nimenomaan murtumamekaaniset paramet
rit, puuttuvat.
Tarkoituksena on löytää aluksi kirjallisuuden avulla jonkinlai
nen arvio tutkittavan teräksen murtositkeysarvosta.
3.1 Murtositkeysarvoja ja kriittisen särön pituuksia eräille länsimaisille lentokonemateriaaleille
3.1 o 1 .Hurtositkeyservoista ja niihin vaikuttavista tekijöistä
Materiaalin murtositkeysarvoa voidaan käyttää materiaalin särön- sietokyvyn mittana. Tietyllä, samalla jännitystasolla, se mate
riaali, millä on suurempi murtositkeysarvo, sietää suuremman sä
rön, ennenkuin kappale murtuu. Murtositkeysarvojen (K-j-c) määri
tystavat on standardisoitu. Tavallisesti määritetään juuri mur
tositkeysarvo tasomuodonmuutostiiassa K^c, jolloin kappaleen mi
toille asetetaan tietyt vaatimukset, kaava 20.
Kuvasta 43 nähdään alumiini-, titaani- ja terässeosten murtosit
keysarvo jen vaihtelualueet. Selvästi nähdään, että lujuuden kas
vaessa kussakin metalliryhmässä, murtositkeysarvo! pienenevät.
Likimääräisesti voidaan sanoa, että alumiiniseoksille K^c arvot ovat välillä 20-40 MNm~3/2. Teräksillä vaihtelualue on laajempi, karkeasti välillä 30-150 MNm~3/2. Tekijät, mitkä aiheuttavat vaihtelua murtositkeysarvoihin, ovat mm. metallin mikrorakenne, vals saus suunta, lämpötila, seostus, metallin lujuus ja kuormi
tuksen luonne (staattinen tai dynaaminen). Näitä tekijöitä käsi
tellään tarkemmin jäljempänä.
fp 150
s. teräkset
J i i . ■ i
1500 2000 murtolujuus MN/m2
Kuva 43. Murtositkeysarvoja murtolujuuden funktiona eräille me
talleille /2/.
Lähemmin tarkastellaan amerikkalaisia, lentokoneenrakennukses
sa yleisesti käytettyjä alumiiniseoksia, ASM:n seossarjät 2000 ja 7000. Taulukossa 4 on esitetty analyysi-, lujuus- ja murto
sitkeysarvoj a yleisimmille näiden sarjojen seoksille. Taulukko- arvot pätevät vain tietyssä lämpötilassa, sillä K^c arvo muuttuu lämpötilan mukaan. Lämpötilan laskiessa K^c arvot pienenevät. On olemassa ns. transitio K^c arvoissa lämpötilan mukaan.
Taulukossa 4 esiintyvät lämpökäsittelymerkinnät ovat seuraavat:
T3 = liuotuskäsitelty ja sen jälkeen kylmämuokattu. Kylmämuok- kaus suoritetaan joko lujuusominaisuuksien parantamiseksi tai oikaisukäsittelynä
T4 = liuotuskäsitelty - stabiili tila. Valmisteiden on annettu vanhentua huoneenlämpötilassa suhteellisen stabiiliin ra
kenteeseen .
T6 = liuotuskäsitelty ja sen jälkeen keinovanhennettu
• T8 = liuotuskäsitelty, sen jälkeen kylmämuokattu ja lopuksi kei novanhennettu. Liuotuskäsittelyn jälkeen ja ennen keinovan hennusta on suoritettu kylmämuokkaus joko lujuusominaisuuk sien parantamiseksi tai kappaleen oikaisemiseksi.
Taulukko 4. Perusparametrejä eräille ASM:n alumiiniseoksille (ASM = American Society for Metals) /42/.
Seostunnus Cu Si Mn Mg Zn Cr a
lujuuksien yksikkö MNm Kjc:n yksikkö MNm 3/^2 arvot huoneenlämpötilassa
Lujuusarvot ja murtositkeysarvot edellisessä taulukossa ovat kes
kimääräisiä arvoja eri kokeista ja useille eri valmisteille, ku
ten levyille, pursotteille ja tangoille.
Kuvassa 44 on vielä esitetty alumiiniseossarjojen 2000 ja 7000 murtositkeysarvojen vertailu keskenään. Nähdään, että 7000 sar
jan Kjc arvot samalla lujuustasolla ovat hieman suurempia. Tässä vertailussa pitää kuitenkin olla varovainen, siksi paljon murto- sitkeysarvot vaihtelevat'tuotekohtaisesti.
7000-sarja
2000 sarja а го
500 myötölujuus MNnrf^
Kuva 44. Murtositkeysarvot lujuuden funktiona kahdelle alumiini- seossarjalle /12/.
Lentokoneenrakennuksessa terästen käyttö on melko vähäistä. Ai
noastaan sellaisissa paikoissa, missä tarvitaan suurta lujuutta, tulevat terässeokset kysymykseen. Teräksiä käytetään mm. siipi- runko liitoksessa ja laskutelineitten kiinnityksissä. Seuraavassa
taulukossa esitetään muutamia amerikkalaisia, yleisesti käytet
tyjä lentokoneenrakennusteräksiä. Taulukossa 5 olevien, ns. suur-lujuusterästen, murtositkeysarvot vaihtelevat suuresti välillä 50-100 MNm . Vaihtelua aiheuttavat mm. lämpökäsittelyerot ja -3/2 materiaalien seostus. Tässä pätee sama kuin edellä taulukossa 4, että Kjc arvot ovat päteviä vain tietyssä lämpötilassa, tässä tapauksessa huoneenlämpötilassa. Teräksillä nimenomaan saattaa olla huomattava transitio arvoissa lämpötilan laskiessa.
Taulukko 5. Eräiden amerikkalaisten lentokoneenrakennusterästen perusparametrejä /25/.
P-ja S-pitoisuudet kaikilla seoksilla n. 0.01%
_ 2 Myötölujuuden yksikkö MNm Murtositkeyden yksikkö MNm-3/2
Seuraavana tarkastellaan tekijöitä, joilla on vaikutusta alumiini
• ja terässeosten murtositkeyteen.
Ensinnäkin murtositkeys voidaan määrittää joko staattisella kuor
mituksella tai nopealla dynaamisella kuormituksella. Kuormitus
nopeuden kasvu aiheuttaa murtositkeyden pienenemisen, eli KIc>K^d (KId = dynaaminen murtositkeys)
Kuvassa 45 nähdään kuormitusnopeuden vaikutus murtositkeyteen.
hidas nopea
kuormitusnopeus
Kuva 45. Murtositkeys K^c ja K^ kuormitusnopeuden funktiona/39/.
Edellä on jo käsitelty myötölujuuden vaikutusta murtositkeysar- voihin. Sekä teräksillä että alumiineilla myötölujuuden nosta
minen alentaa murtositkeysarvoja (kuva43).
Kolmas vaikuttava tekijä on lämpötila. Lämpötila vaikuttaa eri
tyisesti rakenneteräksien, joiden myötölujuus ei ole kovin suu
ri, murtositkeyservoihin„voimakkaasti. Lämpötilan laskiessa sit- keysarvot pienenevät, mikä lisää haurasmurtumariskiä. Lämpöti
lan vaikutus suurlujuusterästen ja alumiiniseosten murtositkeys- arvoihin on melko pieni normaaleissa käyttölämpötiloissa.
Materiaalin valssaussuunta vaikutta myös K_ arvoihin. Murtosit-lc
keysarvo voidaan mitata eri suunnissa kuvan 46 mukaan.
Kuva 46. Murtositkeysarvojen mittaussuunnat /34/.
Materiaalin mikrorakenteella ja seostuksella on suuri vaikutus saavutettavaan sitkeyteen. Tarkastellaan ensiksi erkaumakarkene- vien alumiiniseosten murtositkeyden riippuvuutta metallurgisista tekijöistä, ASM:n seossarjat 2000 ja 7000. Tarkastelun kohteena on nimenomaan seosaineiden ja vieraiden partikkeleiden vaikutus.
Kyseessä olevat seokset sisältävät kolmenlaisia partikkeleita:
1. Suuria Fe-, Cu- ja Si-sulkeumia, joiden läpimitta on 0.1-10pm.
2. Keskisuuret erkaumat, kuten Cr, Mn ja Zr, joiden koko on
0.05 - 0.5 pm. Nämä partikkelit kontrolloivat rekristallisaa- tiota ja rakeenkasvua.
3. Pienet erkaumat, koko 0.01 -0.5 pm, lujittavat matriisia.
Suuret sulkeumat alkavat leikkautua heti, kun perusmatriisissa tapahtuu plastista venymistä. Tämä johtuu siitä, että kovien
(elastisten) partikkeleiden ympärille syntyy suuria jännityksiä perusmateriaalin myötäessä. Yksiaksiaalisessa vedossa 25 - 50-6 sulkeumista murtuu jo venymän arvolla 0.07 alumiiniseoksissa/41/.
Murtositkeydelle on kokemusperäisesti johdettu seuraava kaava, /41/:
murtuneiden partikkeleiden halkaisija
murtuneiden partikkeleiden tilavuusmurto-osa öys ovat perusmateriaalin ominaisuuksia
Kaava on ristiriidassa sen perustiedon kanssa, että myötölujuu
den kasvu pienentää murtositkeyttä. Niinpä yhtälöä voidaan käyt
tää tilanteessa, missä myötölujuus pysyy vakiona ja muita para
metrejä (D ja f ) muutetaan. Tämän kaavan mukaan murtositkeyttä voidaan parantaa vähentämällä vieraiden partikkeleiden määrää.
Kuvassa 47 on esitetty alumiiniseoksen 7075 sitkeyden parantumi
nen pienentämällä rauta- ja piipitoisuutta.
Kaavasta 41 nähdään myös, että alumiiniseosten suhteellisen pie
net sitkeysarvot johtuvat osaksi kimmomodulin pienuudesta(Ед^ = 72 GN/m2).
Erkaumakarkenevien alumiiniseosten (0.006 3<a /E<0.0 073) murto-уь
-3/2 -3/
sitkeysarvot alenevat systemaattisesti n. 45 MNm 20 MNm 3
kun suurten sulkeumien (Fe, Si) tilavuusmurto-osa kasvaa 0.05 - 5.
Sen sijaan keskisuurilla erkaumilla ei ole suurta merkitystä sit
keydelle. Nähtävästi nämä partikkelit murtuvat vasta sitten, kun suurien partikkeleiden murtuessa syntyneet kolot alkavat yhdis
tyä., Tällöin plastinen deformaatio paikallistuu.
Murtositkeys alenee huomattavasti, kun myötölujuus kasvaa, sillä mikrokoloj en yhdistämiseen tarvittava työ pienenee lujemmilla seok
silla. Myös muokkauslujittumiskyky heikkenee lujuuden kasvaessa.
Suurlujuusteräksillä on myös havaittu samanlainen korrelaatio sit
keyden ja partikkeleiden määrän välillä.
OJ
Kuva 47. Fe- ja Si-pitoisuuksien vaikutus Al-seoksen 7075 murto- sitkeyteen. Näiden koetulosten mukaan sitkeys paranee jonkin verran rauta-'- ja piipitoisuuden pienentyessä /41/.
Taulukossa 6 on esitetty eräiden alumiiniseosten keskimääräisiä Par"tikkelikoko j a ja part ikke le iden tilavuusmurto-osia.
Taulukko 6. Neljän yleisimmän lentokoneenrakennusalumiinin par
tikkelikoot ja -tilavuusmurto-osat/41/
Materiaali-^. 2014-T6 2024-T8 7075-T3 7079-T6 Suuret sul
Pienten erkaumien vaikutus käy ilmi lämpökäsittelyjen kautta, sil
lä juuri lämpökäsittelyillä voidaan vaikuttaa suuresti alumiini
seosten murtositkeyteen. Alumiiniseosten kohdalla ei olla vielä selvillä kaikista sitkeyden, sulkeumien ja lämpökäsittelyiden välisistä suhteista/41/.
Haitallisia seosaineita, rauta ja pii, vähentämällä on kehitetty alumiiniseos Al-7475, mille sitkeysarvo K^c on n. 40 MNm -3/2
Myös 2000-sarjassa on kehitetty parannettu seos X2048, missä ku
pari pitoisuus on pienennetty 2.8-3.8%. Tällöin on saavutettu, lu juutta muuttamatta, parempia K^. arvoja (KIc=33-36 MNm ) kuin -3/2 muilla 2000-sarjan seoksilla.
Teräksillä lämpökäsittelyt ja niiden seurauksena oleva mikrora
kenne aiheuttavat vaihtelua murtositkeyteen. Lentokoneenrakennuk
sessa käytettävien suurlujuusterästen tavallinen lämpökäsittely on austenointi, sammutus ja päästö. Lopullinen mikrorakenne on tällöin päästömartensiittia, millä on hyvä väsymislujuus. Sit- keysarvot eivät kuitenkaan nouse kovin korkealle. Koska käyttö- jännitykset ovat korkeat, on kriittinen särökoko pieni. Päästö- lämpötilan nosto parantaa sitkeysominaisuuksia, mutta samalla lu
juus laskee jonkin verran, kuva 48.
cy 2000
- 1000
myötölujuus o murtolujuus o
700
pöästölämpötila, K
Kuva 48. Päästölämpötilan vaikutus teräksen AISI 4340 eräisiin ominaisuuksiin.Laadun В rikki ja fosfori pitoisuudet o- vat pienemmät /2/.
Samalla tavalla kuin alumiiniseoksilla vieraat partikkelit vai
kuttavat haitallisesti murtositkeyteen myös suurlujuusteräksillä, kuva 49.
cvi z
1000 2000
murto I uj u us, MNnrf
Kuva 49.. Rikkipitoisuuden vaikutus erään teräksen murtositkey
teen/31 /.
Toinen mahdollinen mikrorakenne suurlujuusteräksille on bainiitti nen mikrorakenne, minkä sitkeysarvot ovat jonkin verran paremmat kuin päästömartensiittisen rakenteen. Väsymislujuus sen sijaan saattaa olla hieman heikompi bainiittisella rakenteella. Kuvassa 50 nähdään mikrorakenteen vaikutus murtositkeyteen eräälle nikke
li-koboltti seesteiselle teräkselle.
Jotta suurluj uusteräksille saataisiin mahdollisimman hyvä sit
keys, voidaan ottaa huomioon seuraavat tekijät (martensiittiset teräkset) /12/ :
- eliminoidaan mahdollisimman vähäiseksi sellaiset seosaineet, kuin rikki ja fosfori
- austenointi sopivan korkeassa lämpötilassa seoskarbidien liu
ottamiseksi
- seostus siten, että saadaan edullinen lujuus välttäen yläbai- niittia ja vapaata ferriittiä
- riittävän pieni hiilipitoisuus, jotta martensiittireaktio al
kaa jo korkeissa lämpötiloissa (И korkea)
- päästölämpötilan yläraja n. 300 eC, jotta mahdollinen jäännös- austeniitti ei hajoaisi. Jäännösausteniitilla on tiettyyn mää
rään saakka (~10%) sitkeyttä lisäävä vaikutus martensiittises- sa rakenteessa.
C alabainiitti
O päästömartensiitti ш managing teräkset
900 1100 1300 1500 1700