nsojoutСтроительство: наука и образованиеConstruction: Science and Education2305-5502ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/2305-5502.2024.1.5nsojout-156Research ArticleСтроительные конструкции. Основания и фундаменты. Технология и организация строительства. Проектирование зданий и сооружений. Инженерные изыскания и обследование зданийBuilding structures. Soils and foundations. Technology and organization of construction. Designing of buildings and constructions. Engineering survey and inspection of buildingsИсследование физико-механических характеристик алюминиевых сплавов 1915Т, 1565ч и 6082-Т6 при низких температурахInvestigation of physical and mechanical characteristics of aluminium alloys 1915T, 1565ch and 6082-T6 at low temperaturesШуваловА. Н.ShuvalovA. N.

Александр Николаевич Шувалов — кандидат технических наук, доцент кафедры испытания сооружений

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ ID: 737861, Scopus: 7005121558

Aleksandr N. Shuvalov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Testing of Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

ID RSCI: 737861, Scopus: 7005121558

Ashuvalov@mgsu.ruhttps://orcid.org/0009-0009-5545-5284КорневО. А.KornevO. A.

Олег Александрович Корнев — заместитель директора Научно-исследовательского института экспериментальной механики

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ ID: 878952, Scopus: 57204881147

Oleg A. Kornev — Deputy Director of the Research Institute of Experimental Mechanics

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

ID RSCI: 878952, Scopus: 57204881147

KornevOA@mgsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8862-8139ЕрмаковВ. А.ErmakovV. A.

Валентин Алексеевич Ермаков — кандидат технических наук, доцент кафедры испытания сооружений

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ ID: 671368, Scopus: 57202806137, ResearcherID: AFZ-4645-2022

Valentin A. Ermakov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Testing of Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

ID RSCI: 671368, Scopus: 57202806137, ResearcherID: AFZ-4645-2022

Ermakov@mgsu.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation2024300320241417394Copyright © Шувалов А.Н., Корнев О.А., Ермаков В.А., 20242024Шувалов А.Н., Корнев О.А., Ермаков В.А.Shuvalov A.N., Kornev O.A., Ermakov V.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nso-journal.ru/jour/article/view/156Введение

Введение. Алюминиевые сплавы характеризуются отсутствием порога хладноломкости, обладают высокими параметрами прочности и пластичности при низких температурах. Однако нормами не предусмотрено проектирование алюминиевых конструкций, воспринимающих циклические силовые воздействия при пониженных температурах. В связи с этим возникает необходимость изучения свойств и механизмов деформации и разрушения алюминиевых сплавов для оценки возможности их применения в условиях Крайнего Севера, а также для внутренних оболочек изотермических резервуаров.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследованы механические свойства конструкционных алюминиевых сплавов из серии отечественных 1915, 1565ч и зарубежных разработок 6082 (аналог АД35). Испытаны образцы на одноосное растяжение, ударную вязкость, усталостную прочность, определены характеристики статической трещиностойкости. Испытания проведены с использованием машин Instron 8802, Instron 1000HDX, LabTex, маятникового копра Instron 450MPX по соответствующим ГОСТам России.

Результаты

Результаты. Получены экспериментальные зависимости прочностных и упругих (предела прочности, условного предела текучести, модуля упругости), а также деформативных характеристик (относительного удлинения и сужения площади поперечного сечения образцов) исследованных сплавов от температуры испытаний. Показано изменение характера деформирования алюминиевых сплавов при понижении температуры. Приведены результаты сопротивления деформации и разрушению в условиях ударного изгиба и внецентренного растяжения в интервале температур от –104 до +20 °С. Оценена вязкость разрушения (трещиностойкость) по критериям механики разрушения при испытании стандартных образцов с усталостными трещинами. Представлены ограниченные пределы выносливости на базе 2 · 106, 107 циклов исследованных сплавов при положительных и отрицательных температурах.

Выводы

Выводы. Полученные результаты позволяют обоснованно осуществлять выбор материалов, назначать нагрузки при проектировании конструкций из алюминиевых сплавов и оценивать их срок службы.

Introduction

Introduction. Aluminium alloys are characterized by the absence of a cold fracture threshold, have high strength and ductility characteristics at low temperatures. However, the norms do not provide the design of aluminium structures that take cyclic force effects at low temperatures. In this regard, there is a need to study the properties and mechanisms of deformation and destruction of aluminium alloys to assess the possibility of their use in the Far North, as well as well as for the inner shells of isothermal reservoirs.

Materials and methods

Materials and methods. The mechanical properties of structural aluminium alloys 1915, 1565ch and 6082 (similar to AD35) were studied. The specimens were tested for uniaxial tensile strength, impact toughness and fatigue strength, and the characteristics of static crack resistance were determined. The tests were carried out using Instron 8802, Instron 1000HDX, LabTex machines and Instron 450 MPX pendulum coper according to the relevant GOST standards of Russia.

Results

Results. Experimental dependences of strength and elastic characteristics (tensile strength, offset yield strength, modulus of elasticity), as well as deformative ones (relative elongation and contraction of the cross-sectional area of specimens) of the studied alloys on the test temperature are obtained. The change of character of deformation of aluminium alloys with decrease in temperature is shown. The results of deformation and fracture resistance under conditions of impact bending and eccentric tension in the temperature range from –104...+20 °C are presented. Fracture toughness (crack resistance) was estimated according to the criteria of fracture mechanics when testing standard specimens with fatigue cracks. The paper also shows the limited limits of endurance based on 2 · 106, 107 cycles of the studied alloys at positive and negative temperatures.

Conclusions

Conclusions. The obtained results make it possible to reasonably select materials, assign loads when designing structures made of aluminium alloys and evaluate their service life.

алюминиевые сплавыиспытанияпониженные температурыпрочностьдеформативностьтрещиностойкостьусталостьaluminium alloystestslow temperaturesstrengthdeformabilitycrack resistancefatigueReferencesБотвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. М. : Наука, 2008. 333 с.Botvina L.R. Destruction: kinetics, mechanisms, general patterns. Мoscow, Nauka, 2008; 334. (rus.).Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность : в 2 ч. Новосибирск : Наука, 2005. 493 с. EDN QMENHR.Mahutov N.A. Structural strength, resource and man-made safety : in 2 parts. Novosibirsk, Nauka. 2005; 493. EDN QMENHR. (rus.).Дриц А.М., Овчинников В.В. Сварка алюминиевых сплавов. М. : Руда и металлы, 2020. 476 с.Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Aluminium alloys welding. Moscow, Ore and metals, 2020; 476. (rus.).Патент RU № 2431692. Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава / Орыщенко А.С., Осокин Е.П., Барахтина Н.Н., Дриц А.М., Григорян В.А., Соседков С.М., Арцруни А.А., Хромов А.П., Цургозен Л.А.; заявл. № 2010125006/02, 20.10.2011.Patent RU No. 2431692. Aluminum-based alloy and product made from this alloy / Oryshchenko A.S., Osokin E.P., Barakhtina N.N., Drits A.M., Grigoryan V.A., Sosedkov S.M., Artsruni A.A., Khromov A.P., Tsurgozen L.A.; application No. 2010125006/02, 10/20/2011.Дриц А.М., Соседков С.М., Орыщенко А.С., Осокин Е.П., Барахтина Н.Н. Новый свариваемый сплав системы алюминий–магний для коммерческого транспорта и судостроения // Алюминий 21/Плоский прокат : 1-я Междунар. конф. 2011.Drits A.M., Sosedkov S.M., Oryshchenko A.S., Osokin E.P., Barahtina N.N. New weldable aluminum–magnesium alloy System for Commercial transport and shipbuilding. Aluminum 21/Flat rolled products : 1st international conference. 2011. (rus.).Орыщенко А.С., Осокин Е.П., Барахтина Н.Н., Дриц А.М., Соседков С.М. Алюминиево-магниевый сплав 1565ч для криогенного применения // Цветные металлы. 2012. № 11. С. 84–90. EDN PIQMXF.Oryshchenko A.S., Osokin E.P., Barakhtina N.N., Drits A.M., Sosedkov S.M. Aluminum-magnesium alloy 1565 ch (1565ч) for cryogenic application. Non-ferrous metals. 2012; 11:84-90. EDN PIQMXF. (rus.).Дриц А.М., Овчинников В.В. Свариваемый алюминиевый сплав 1565Ч // Машиностроение и инженерное образование. 2014. № 4 (41). С. 6–12. EDN TGLASZ.Drits A.M., Ovchinnikov V.V. 1565 aluminum alloy to be welded. Mechanical Engineering and Engineering Education. 2014; 4(41):6-12. EDN TGLASZ. (rus.).Овчинников В.В. Перспективы развития высокотехнологичных деформируемых алюминиевых сплавов для сварных конструкций. Часть 1 // Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 2 (51). С. 24–38. EDN ZBPVBL.Ovchinnikov V. Perspectives for development of high technology deformed aluminum alloys for welded constructions. Part 1. Mechanical Engineering and Engineering Education. 2017; 2(51):24-38. EDN ZBPVBL. (rus.).Лукиенко М.И. Исследование прочности и технологичности листовых резервуарных конструкций из алюминиевых сплавов : дис. … канд. техн. наук. М., 1980. 199 с.Lukienko M.I. The study of the strength and manufacturability of sheet tank structures made of aluminum alloys : thesis of candidate of technical sciences. Мoscow, 1980; 199. (rus.).Пригожкин М.Д. Сравнение эффективности строительных стальных и алюминиевых сплавов при различных условиях эксплуатации // NovaInfo.Ru. 2014. № 24. С. 20–23. EDN SXFSPF.Prigozhkin M.D. Comparison of the efficiency of building steel and aluminum alloys under different operating conditions. NovaInfo.Ru. 2014; 24:20-23. EDN SXFSPF. (rus.).Кауфман Дж.Г., Уэндерер Е.Т. Механические свойства при растяжении и чувствительность к надрезу некоторых алюминиевых сплавов серии 7ХХХ при температурах до 4К // Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах : сб. науч. тр. Металлургия, 1983. С. 163–175.Kaufman D.G., Uenderer E.T. Tensile mechanical properties and notch sensitivity of some 7XXX series aluminum alloys at temperatures up to 4K. Mechanical properties of structural materials at low temperatures : collection of scientific papers. Metallurgy, 1983; 163-175. (rus.).Полмеар Я. Легкие сплавы: от традиционных до нанокристаллов. М. : Техносфера, 2008. 463 с. EDN QMZYTD.Polmear Ya. Light alloys: from traditional to nanocrystals. Moscow, Technosphere, 2008; 463. EDN QMZYTD. (rus.).Estrin Y., Kubin L.P. Plastic instabilities: phenomenology and theory // Materials Science and Engineering: A. 1991. Vol. 137. Pp. 125–134. DOI: 10.1016/0921-5093(91)90326-IEstrin Y., Kubin L.P. Plastic instabilities: phenomenology and theory. Materials Science and Engineering: A. 1991; 137:125-134. DOI: 10.1016/0921-5093(91)90326-IКриштал М.М. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность пластической деформации (аналитический обзор). Часть I. Феноменология зуба текучести и прерывистой текучести // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № 5. С. 5–29. DOI: 10.24411/1683-805X-2004-00207Krishtal M.M. Instability and mesoscopic heterogeneity of plastic deformation (analytical review). Part I. Phenomenology of tooth fluidity and intermittent fluidity. Physical Mesomechanics. 2004; 7(5):5-29. DOI: 10.24411/1683-805X-2004-00207 (rus.).Криштал М.М. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность пластической деформации (аналитический обзор). Часть II. Теоретические представления о механизмах неустойчивости пластической деформации // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № 5. С. 31–45. DOI: 10.24411/1683-805X-2004-00214Krishtal M.M. Instability and mesoscopic heterogeneity of plastic deformation (analytical review). Part II. Theoretical concepts of the mechanisms of instability of plastic deformation. Physical Mesomecha-nics. 2004; 7(5):31-45. DOI: 10.24411/1683-805X-2004-00214 (rus.).Шуклинов А.В., Денисов Е.К., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шибков А.А. Переход от устойчивой к скачкообразной деформации, вызванный изменением состава и структуры сплава Al-Mg // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 3. С. 30–35. EDN KBYEWN.Shuklinov A.V., Denisov E.K., Mikhlik D.V., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Shibkov A.A. The transition from stable to abrupt deformation caused by a change in the composition and structure of the Al-Mg alloy. Deformation and Destruction of Materials. 2008; 3:30-35. EDN KBYEWN. (rus.).Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А. и др. Влияние выделений вторичной фазы на скачкообразную деформацию алюминиево-магниевого сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 6. С. 12–17. EDN KBYFBX.Shibkov A.A., Mazilkin A.A., Protasova S.G., Mikhlik D.V., Zolotov A.E., Zheltov M.A. et al. The effect of secondary phase emissions on the discontinuous deformation of aluminum-magnesium alloy AMg6. Deformation and Destruction of Materials. 2008; 6:12-17. EDN KBYFBX. (rus.).Шибков А.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Шибков Е.А., Кочегаров С.С. Динамическая твердость и образование полос Портевена – Ле Шателье при ударном индентировании // Физика твердого тела. 2023. Т. 65. № 4. С. 594–603. DOI: 10.21883/FTT.2023.04.55296.23. EDN YEWCHC.Shibkov A.A., Zolotov A.E., Denisov A.A., Gasanov M.F., Shibkov E.A., Kochegarov S.S. Dynamic hardness and formation of Portevin-Le Chatelier bands during impact indentation. Solid State Physics. 2023; 65(4):594-603. DOI: 10.21883/FTT.2023.04.55296.23. EDN YEWCHC. (rus.).Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С. Коррозия и механическая неустойчивость алюминиевых сплавов : монография. Тамбов : Изд-во ТГУ, 2017. 155 с.Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F., Kochegarov S.S. Corrosion and mechanical instability of aluminum alloys : monograph. Tambov, Publishing House of TSU, 2017; 155. (rus.).Dubey R., Jayaganthan R., Ruan D., Gupta N.K., Jones N., Velmurugan R. Energy absorption and dynamic behaviour of 6xxx series aluminium alloys : a review // International Journal of Impact Engineering. 2023. Vol. 172. P. 104397. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104397Dubey R., Jayaganthan R., Ruan D., Gupta N.K., Jones N., Velmurugan R. Energy absorption and dynamic behaviour of 6xxx series aluminium alloys : a review. International Journal of Impact Engineering. 2023; 172:104397. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104397Лабур Т.М. Прочность и особенности разрушения сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов при низкой температуре // Автоматическая сварка. 2011. № 5. С. 18–25.Labur T.M. Strength and fracture characteristics of welded joints of high-strength aluminum aluminum alloys at low temperature. Automatic Welding. 2011; 5:18-25. (rus.).Клевцов Г.В., Ганеев А.В., Семенова И.П., Валиев Р.З. Особенности ударного разрушения ультрамелкозернистых материалов, полученных при интенсивной пластической деформации // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2013. № 4–1 (182). С. 182–189. EDN RSZXAV.Klevtsov G.V., Ganeev A.V., Semenova I.P., Valiev R.Z. Some features of the impact fracture of ultrafine grained materials obtained by intensive plastic deformation. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics. 2013; 4-1(182):182-189. EDN RSZXAV. (rus.).Одесский П.Д., Ведяков И.И. Сталь в строительных металлических конструкциях. М. : Металлургиздат, 2018. 906 с. EDN UOIAZL.Odesskij P.D., Vedyakov I.I. Steel in building metal structures. Мoscow, Metallurgizdat, 2018; 906. EDN UOIAZL. (rus.).Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Семенова И.П., Исламгалиев Р.К., Рааб Г.И. Влияние типа кристаллической решетки на закономерности ударного разрушения материалов в субмикрокристаллическом состоянии // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013. Т. 18. № 4–2. С. 2002–2003. EDN RAISQZ.Klevtsov G.V., Valiyev R.Z., Klevtsovа N.A., Semenova I.P., Islamgaliyev R.K., Raab G.I. Influence of crystal lattice type on regularities of impact fracture of materials in sub microcrystal state. Bulletin of the Tambov University. Series: Natural and Technical Sciences. 2013; 18(4-2):2002-2003. EDN RAISQZ. (rus.).Одесский П.Д., Ведяков И.И. Ударная вязкость сталей для металлических конструкций. М. : Интермет Инжиниринг, 2003. 231 с. EDN QMZLLJ.Odesskij P.D., Vedyakov I.I. Impact strength of steels for metal structures. Moscow, Intermet Inzhiniring, 2003; 231. EDN QMZLLJ. (rus.).Зинхем Р.И., Дедрик Дж.X. Разрушение. Том 6. Разрушение металлов / пер. с англ. В.А. Займовский, Д.В. Лаптев ; под ред. М.Л. Бернштейна. М. : Металлургия, 1976. С. 296–369.Zinhem R.I., Dedrik D.X. An advanced treatise. Volume VI. Fracture of metals. Zajmovskij V.A., Laptev D.V. Edited by Bernshtejn M.L. Moscow, Metallurgy, 1976; 296-369. (rus.).Kumar V., Singh I.V., Mishra B.K., Jayaganthan R. Improved fracture toughness of cryorolled and room temperature rolled 6082 Al Alloys // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2014. Vol. 27. Issue 2. Pp. 359–367. DOI: 10.1007/s40195-014-0057-zKumar V., Singh I.V., Mishra B.K., Jayaganthan R. Improved Fracture Toughness of Cryorolled and Room Temperature Rolled 6082 Al Alloys. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2014; 27(2):359-367. DOI: 10.1007/s40195-014-0057-zChakraborty P., Tiwari V. Dynamic fracture behaviour of AA7475-T7351 alloy at different strain rates and temperatures // Engineering Fracture Mechanics. 2023. Vol. 279. P. 109065. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2023.109065Chakraborty P., Tiwari V. Dynamic fracture behaviour of AA7475-T7351 alloy at different strain rates and temperatures. Engineering Fracture Mechanics. 2023; 279:109065. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2023.109065Москвичев В.В., Махутов Н.А., Черняев А.П., Букаемский А.А., Буров А.Е., Зырянов И.А. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем : монография. Новосибирск : ГУП Академический научно-издательский производственно-полиграфический и книгораспространительский центр РАН «Издательство “Наука”». Обособленное подразделение «Сибирская издательская фирма “Наука”», 2002. 334 с. EDN VDPUMN.Moskvichev V.V., Makhutov N.A., Chernyaev A.P., Bukaemskiy A.A., Burov A.E., Zyryanov I.A. et al. Crack resistance and mechanical properties of structural materials of technical systems. Novosibirsk, GUP Academic Scientific Publishing Production, Printing and Book Distribution Center of the Russian Academy of Sciences “Publishing House «Nauka»”. Separate division “Siberian Publishing Company «Nauka»”, 2002; 334. EDN VDPUMN. (rus.).Баско Е.М. О ресурсе безопасной эксплуатации изотермических стальных резервуаров для хранения жидкого аммиака // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 3. С. 51–55. EDN HUMCAD.Basko E.M. Resource of safe operation of isothermal steel tanks for liquid ammonia storage. Industrial Laboratopy. Materials Diagnostics. 2006; 72(3):51-55. EDN HUMCAD. (rus.).Дорошенко Ф.Е. Особенности продления ресурса резервуаров РВСПК 50 000 // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 6. С. 17–18. EDN HUIYSH.Doroshenko F.E. Features of extending the life of RVSPK 50,000 tanks. Industrial and Civil Engineering. 2006; 6:17-18. EDN HUIYSH. (rus).Купреишвили С.М. Механика разрушения вертикальных цилиндрических резервуаров // Промышленное и гражданское строительство. 2004. № 5.С. 40–42. EDN PLFWJH.Kupreishvili S.M. Mechanics of destruction of vertical cylindrical tanks. Industrial and Civil Engineering. 2004; 5:40-42. EDN PLFWJH. (rus.).Кондрашова О.Г., Назарова М.Н. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2004. № 2. С. 19. EDN TWVUMF.Kondrashova O.G., Nazarova M.N. Causal analysis of vertical steel tank accidents. Oil and Gas Business. 2004; 2:19. EDN TWVUMF. (rus.).Ханухов Х.М., Алипов A.B. Нормативно-техническое и организационное обеспечение безопасной эксплуатации резервуарных конструкций // Предотвращение аварий зданий и сооружений : сб. науч. тр. 2011. № 10. С. 384–422.Hanuhov H.M., Alipov A.B. Regulatory, technical and organizational support for the safe operation of tank structures. Prevention of accidents in buildings and structures : collection of scientific papers. 2011; 10:384-422. (rus.).Степнов М.Н., Гиацинтов Е.В. Усталость легких конструкционных сплавов. М. : Машиностроение, 1973. 317 с.Stepnov M.N., Giacintov E.V. Fatigue of light structural alloys. Moscow, Mashinostroenie, 1973; 317. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.