close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методов прогнозирования механических свойств и обрабатываемости резанием деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от химического состава.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ДАВЫДЕНКО Роман Алексеевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ И ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ РЕЗАНИЕМ
ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ
СПЛАВОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Специальность: 05.16.01. – «Металловедение и термическая
обработка металлов и сплавов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2013 г.
Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки
материалов» федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования «МАТИ – Российский
государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».
Научный руководитель:
- доктор технических наук, профессор
Егорова Юлия Борисовна
Официальные оппоненты:
- Полькин Игорь Степанович,
доктор технических наук, профессор,
ОАО «ВИЛС», главный научный сотрудник
- Дзунович Дмитрий Анатольевич
кандидат технических наук, доцент,
ОАО «ВНИИНМ», главный специалист
Ведущая организация:
- ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный
университет имени первого Президента России
Б.Н.Ельцина»
Защита диссертации состоится 19.12.2013 года в 1430 часов на заседании
диссертационного Совета Д 212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский
государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по
адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в двух
экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу:
121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ.
Факс: (495)417-89-78
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.
Автореферат разослан 19.11.2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета
2
Скворцова С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В нашей стране в 2010 году по инициативе ВИАМ,
Российской академии наук и ряда других крупных научных центров была
принята Технологическая платформа «Материалы и технологии металлургии»,
в рамках которой, в частности, предусматривается разработка технологии
создания
систем
высокоэффективных
моделирования,
расчета
технологических
и
проектирования
процессов;
прогнозирование
оптимальных свойств и структуры; создание новых компьютерных методов
диагностики и контроля материалов и конструкций.
Установление количественных связей механических и технологических
свойств конструкционных материалов, в том числе и титановых сплавов, с их
химическим составом является актуальной проблемой металловедения. Общие
закономерности для прочностных свойств α-, псевдо α- и α+β-титановых
сплавов в зависимости от химического состава уже в основном установлены.
Однако какие-либо обоснованные общие закономерности связи других
механических свойств промышленных титановых сплавов с их химическим
составом до сих пор не выявлены. Вместе с тем за годы исследования титана и
его сплавов накоплен большой экспериментальный, теоретический и
практический материал по металловедению и термической обработке, в
частности, обоснованы основные принципы легирования титановых сплавов,
разработаны методы и режимы их термической обработки, установлены
зависимости механических свойств от химического состава, структуры,
режимов
термической
обработки.
Кроме
этого,
на
предприятиях,
выпускающих полуфабрикаты и изделия из титановых сплавов, к настоящему
времени накоплено много данных входного и выходного контроля по
химическому составу и механическим свойствам. Это позволяет применить
статистический подход к разработке методов прогнозирования механических
и технологических свойств различных полуфабрикатов из титановых сплавов.
Все вышесказанное позволяет констатировать, что исследование
статистических закономерностей механических и технологических свойств
3
промышленных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от
химического состава, установление их количественной взаимосвязи и
разработка
на
этой
основе
достоверных
методов
прогнозирования
механических свойств и обрабатываемости резанием является актуальной
научной и практической задачей.
Цель настоящей работы состояла в установлении статистических
закономерностей влияния химического состава и структуры на механические
свойства
и
характеристики
обрабатываемости
резанием
различных
полуфабрикатов из титановых сплавов и разработке на этой основе методов
прогнозирования их механических и технологических свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Обобщить и статистически проанализировать литературные данные
по химическому составу, механическим свойствам, обрабатываемости
резанием различных полуфабрикатов из отечественных и зарубежных
титановых сплавов разных классов в отожженном состоянии.
2. Собрать и обобщить результаты промышленного контроля
химического состава и механических свойств различных полуфабрикатов
(слитки, прутки, поковки) из титановых сплавов, изготовленных на разных
предприятиях с 1970 по 2011 гг.
3. Провести корреляционно-регрессионный анализ для исследования
зависимостей механических свойств
и коэффициента обрабатываемости
резанием от содержания легирующих элементов, примесей, параметров
структуры, а также проанализировать взаимосвязь механических свойств для
различных полуфабрикатов.
4. На основе проведенных исследований разработать математические
модели
для прогнозирования механических свойств и обрабатываемости
резанием титановых сплавов. Провести проверку предложенных моделей.
4
Научная новизна работы:
1. Доказана возможность использования эквивалентов по алюминию и
молибдену для прогнозирования прочностных и пластических свойств
различных
деформированных
полуфабрикатов
из
титановых
сплавов.
Построены диаграммы, позволяющие оценить с вероятностью 0,95 уровни
предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков
диаметром 8-60 мм титановых сплавов всех классов
в зависимости от
эквивалентов по алюминию и молибдену.
2. Установлено, что коэффициенты регрессии, характеризующие
влияние эквивалентов по алюминию и молибдену на предел прочности,
относительное удлинение, поперечное сужение и ударную вязкость, не зависят
от видов деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов. На основе
проведенных
исследований
уточнены
коэффициенты
упрочнения
для
прочностных эквивалентов по алюминию (60±5 МПа/%*) и молибдену (50±5
МПа/%).
3. Показано, что для штампованных поковок сплава ВТ3-1 после
изотермического отжига доля вариации механических свойств, обусловленная
колебаниями химического состава, составляет ~40%, а влиянием типа и
параметров структуры - ~20%. Для количественной оценки предела прочности
в уравнение регрессии введена поправка, которая зависит от типа и
параметров структуры.
Практическая значимость работы:
1. Получены уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать
кратковременные механические свойства отожженных прутков и поковок из
титановых сплавов в зависимости от содержания легирующих элементов и
примесей, выраженного через эквиваленты по алюминию и молибдену.
2.
Разработана
методика
оценки
обрабатываемости
резанием
деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от
*
здесь и далее указаны % по массе.
5
химического состава и физико-механических свойств. Методика позволяет
определять
режимы
обеспечивающие
термической
повышение
обработки
эффективности
и
режимы
механической
резания,
обработки
титановых сплавов.
Результаты работы использованы ЗАО «Имплант МТ» при назначении
режимов термической обработки и режимов резания при изготовлении
изделий медицинского назначения, что подтверждено соответствующим
актом.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на
10 научно-технических конференциях, в том числе: на ХХХVI - ХХХIX
Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения»
(Москва, МАТИ, 2010-13), на 65-ой Международной научно-технической
конференции
ААИ
«Приоритеты
развития
отечественного
автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва,
МГТУ МАМИ, 2009), на Всероссийских конференциях молодых ученых и
специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, МВТУ им. Н.Э.
Баумана, 2010, 2011), на Международной научно-технической конференции
«Автомобили и тракторостроение в России: приоритеты развития и
подготовка кадров» (Москва, МГТУ МАМИ, 2010), на Всероссийской научнотехнической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010»
(МАТИ, 2010), на ХХХХ юбилейной Международной научно-практической
конференции «Неделя науки СПбГПУ» (С-Петербург, 2011).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21
работе, в том числе в 4 ведущих рецензируемых журналах, входящих в
перечень ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце
автореферата.
Объем диссертации, ее структура. Диссертация изложена на 114
страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 80 таблиц. Работа
состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литературы из
наименований и приложений.
6
Глава 1. Состояние вопроса.
В
главе
рассмотрены
основные
принципы
легирования
и
существующие виды классификации титановых сплавов. Проанализированы
результаты
исследований
по
влиянию
легирующих
элементов
на
механические свойства титановых сплавов. Особенно много исследований
проводилось в отраслевых институтах в 1960-80-х годах на стадии
становления титановой промышленности. Основной вклад в теорию и
практику легирования титановых сплавов внесли сотрудники ВИАМа (С.Г.
Глазунов, В.Н. Моисеев, А.И. Хорев, Е.А. Борисова, О.П. Солонина и др.) и
ИМЕТа (И.И. Корнилов с сотрудниками). Основополагающие закономерности
были обобщены в монографиях В.Н. Моисеева, С.Г. Глазунова, А.И. Хорева,
Б.А. Колачева, А.А. Ильина. Вместе с тем исследований по математическому
прогнозированию свойств титановых сплавов опубликовано намного меньше.
Большинство из них посвящено оценке уровня предела прочности от
содержания легирующих элементов, прочностных эквивалентов, приведенных
концентраций, параметров структуры и фазового состава. Прогнозирование
относительного удлинения, поперечного сужения и других механических
свойств исследовано в значительно меньшей степени и в основном в рамках
сплавов одной системы легирования. В главе дана общая характеристика
обрабатываемости
резанием
повышения эффективности
зарубежных титановых
и
рассмотрены
существующие
механической обработки
сплавов. На основе
способы
отечественных
и
анализа опубликованной
литературы поставлена цель и сформулированы задачи исследования.
Глава 2. Объекты и методика исследований.
Исходными данными для исследований послужили результаты
экспериментов, опубликованные в различных литературных источниках,
данные промышленного контроля и результаты собственных исследований.
Из данных, приведенных в литературных источниках, в качестве
объектов исследований были выбраны отожженные катаные и кованые прутки
7
диаметром 8-60 мм и листы толщиной 1,5-8,0 мм 174 промышленных и
модельных отечественных и зарубежных титановых сплавов.
Объектами
исследования
также
послужили
полуфабрикаты,
изготовленные на различных предприятиях с 1970 по 2011 гг.: слитки и
кованые прутки сечением 14х14 мм из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, Grade 2, Grade
4, ВТ5, ВТ5-1, СТ6, 3М, ПТ-7М, ОТ4-1, ОТ4-1В, ОТ4-0, ОТ4, ВТ6, Grade 5,
Grade 23, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ25У (3900 слитков, 5874 образцов
для механических испытаний); кованые прутки диаметром 60-90 мм сплавов
ВТ5-1, Grade 5, ВТ23 (100 образцов); прессованные прутки диаметром 14-40
мм из сплавов ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6, ВТ3-1 (204
образца); штампованные поковки из сплавов ВТ3-1 и ВТ6 (15 типоразмеров,
500 образцов). Все исследованные полуфабрикаты были подвергнуты отжигу
по стандартным режимам в соответствии с инструкцией ВИАМ №685-76. От
каждого прутка или поковки испытывали 2-5 ударных и разрывных образцов.
Механические испытания проводили в соответствии с ГОСТ 1497-61, ГОСТ
1497-84, ГОСТ 9454-78, ASTM E 8. По результатам механических испытаний
определяли: временное сопротивление разрыву σв, условный предел текучести
σ0,2, относительное удлинение δ, поперечное сужение ψ, ударную вязкость
KCU. Металлографические исследования проводили в соответствии с
инструкцией ВИАМ №1054-78. Коэффициент обрабатываемости резанием kv
оценивали, как скорость резания для данного материала по отношению к
скорости резания при точении стали 45 (при постоянной стойкости резца 60
мин).
Для всех слитков и полуфабрикатов каждого сплава были рассчитаны
структурные и прочностные эквиваленты по алюминию и молибдену по
формулам:
Alстр
экв  % Al  %Sn/3  %Zr/6  10%O  %C  2% N ,
Moстр
экв  % Mo  %Nb/3,3  %W/2  %V/1,4  %Cr/0,6  %Mn/0,6  %Fe/0,4  %Ni/0,8;
Alпрэкв  % Al  %Sn/2  %Zr/3  3,3% Si  20%O  33% N  12%C ,
8
Mo прэкв
 % Mo  %V/1,7  %Mn  %W  %Cr/0,8  %Fe/0,7  %Nb/3,3  %Cu/3,6  %Ni/1,4.
Статистический анализ проводили с помощью пакета прикладных
программ «Stadia 7». В работе была проведена статистическая обработка
результатов промышленного контроля. Для каждого фактора был определен
размах,
выборочное
среднее,
доверительный
интервал
среднего
с
надежностью 0,95, дисперсия, стандартное отклонение, ширина «трехсигмового» интервала, коэффициент вариации. Были построены гистограммы,
проведена проверка нормальности распределения. Анализ соответствия
химического состава и механических свойств полуфабрикатов требованиям
нормативной документации, а также статистическую оценку их стабильности,
проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 50779 и требованиями
руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04-2010 «Оценка
качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их
производства».
Для
исследования
зависимостей
механических
свойств
и
обрабатываемости резанием титановых сплавов от различных факторов
проводили
корреляционно-регрессионный
анализ.
Для
оценки
силы
статистической связи между исследуемыми факторами были рассчитаны
коэффициенты парной и множественной (линейной и нелинейной) корреляции
R.
Проверку
значимости
коэффициентов
корреляции
и
регрессии,
адекватности регрессионной модели осуществляли с надежностью 0,95
несколькими способами: с помощью коэффициента детерминации R2,
критериев Фишера и Стьюдента.
Глава 3. Статистическое исследование химического состава и
механических свойств слитков и деформируемых полуфабрикатов
титановых сплавов
В главе представлены результаты статистического анализа
химического состава и механических свойств титановых сплавов для
различных массивов литературных, экспериментальных и промышленных
данных.
9
На основе анализа литературных данных проведено статистическое
исследование зависимости прочностных и пластических свойств отожженных
прутков ø 8-60 мм от эквивалентов по алюминию и молибдену для
отечественных и зарубежных титановых сплавов разных классов. С
повышением структурного и прочностного эквивалентов по алюминию Al стр
экв
и Al прэкв предел прочности повышается, а относительное удлинение снижается
для всех классов исследованных сплавов. В зависимости от структурного
эквивалента по молибдену предел прочности сначала повышается, достигает
а затем снижается. На регрессионных
максимума при Moстр
экв =8-12%,
стр
зависимостях σв- Moстр
экв , δ - Moэкв , таким образом, можно выделить 3 участка:
1) в интервале Moстр
экв =0-8% (α-; псевдо α-; α+β-сплавы):
2

стр
σв=390 +65[Al] стр
экв +42[Mo] экв ; R=0,94, R =0,88, S =35 МПа;
2
стр
стр 2
δ=28 -1,8[Al] стр
экв -0,8[Mo] экв + 0,035([Mo] экв ) ; R=0,86, R =0,74, S=2,2%
2) в интервале Moстр
экв =8-12% (α+β-сплавы переходного класса):
2
σв=800 +50[Al] стр
экв при R=0,89, R =0,8, S=59 МПа
2
δ=22-1,33[Al] стр
экв при R=0,85, R =0,74, S=2,8 %;
3) в интервале Moстр
экв =12-33% (псевдо β-; β-сплавы):
2
стр
стр 2
σв=1100+46[Al] стр
экв -24[Mo] экв +0,4([Mo] экв ) ; R=0,63, R =0,4, S=87МПа;
2
стр
δ=21,4 -1,32[Al] стр
экв +0,025[Mo] экв ; R=0,53, R =0,28, S=4,4%.
На основе обобщения массивов литературных данных для титановых
сплавов всех классов (α, псевдо α, α+β, псевдо β, β) были построены
стр
диаграммы в координатах «σв– Moстр
экв » и «δ- Moэкв » при разных значениях
Al стр
экв , которые позволяют оценить с вероятностью 0,95 уровни предела
прочности и относительного удлинения отожженных прутков (рис. 1).
На следующем этапе было проведено статистическое исследование
результатов промышленного контроля слитков, кованых и прессованных

S – статистическая ошибка модели.
10
прутков α-, псевдо α-, α+β-сплавов, штампованных поковок из α+β-сплавов
ВТ3-1 и ВТ6, изготовленных на различных предприятиях.
1400
1000
600
α+βсплавы
переходα-, псевдо-α и ного
α+β-сплавы класса
0
10
псевдо-β и β-сплавы
20
30
- σв» при разных
Рис. 1. Прочностная диаграмма в координатах « Mo стр
экв
цифры
значениях структурного эквивалента по алюминию Al стр
экв ;
соответствуют сплавам: 1 – ВТ5-1; 2 – ВТ20; 3 – ВТ18У; 4 – ВТ41; 5 – ВТ6; 6 –
ВТ3-1; 7 –ВТ23; 8 – ВТ16; 9 – ВТ22; 10 – ВТ23; 11 – ВТ19; 12 – ВТ15; 13 –
4201; 14 – 4206 (отожженные прутки диаметром 8-60 мм).
С 1970-х по 2011 г. произошло значимое изменение содержания
алюминия и примесей внедрения. В 2000-2011 гг. сузился диапазон значений
содержания алюминия, и повысилась однородность слитков по сравнению с
1970-ми гг., при этом практически для всех исследованных сплавов диапазон
значений и «трех-сигмовый» интервал для алюминия сдвинулся к верхнему
пределу поля допуска.
Среднее содержание кислорода и азота снизилось почти в два раза: с
0,11 до 0,06 % и 0,02 до 0,01 % соответственно (рис.2, а). Это в свою очередь
привело к снижению прочностных эквивалентов сплавов (рис.2, б). Если для
слитков, выплавленных в 1970-х гг., среднее содержание примесей внедрения,
пр
эквивалентное алюминию, составляло [Al] стр
экв ~1,9% и [Al] экв ~2,9%, то в 2009-
пр
11 г. эти же характеристики равны [Al] стр
Это, прежде
экв ~1,1 и [Al] экв ~1,9%.
11
всего, связано с повышением чистоты титановой губки из-за уменьшения
содержания
примесей
и
внедрением
в
производство
нового
более
эффективного вакуумного оборудования.
Прочностные и пластические характеристики кованых и прессованных
прутков могут изменяться в довольно широких пределах, как для конкретной
плавки, так и в пределах партии слитков сплава. В пределах партии
полуфабрикатов одного сплава размах предела прочности и условного предела
текучести составляет 40-200 МПа. Стандартное отклонение соответствует 1550 МПа. Более высокий разброс значений имеют пластические свойства. Для
большинства сплавов минимальные значения относительного удлинения и
поперечного сужения меньше максимального в 1,5-2 раза.
Спр.,%
Эквив,
Fe
0,12
Al прэкв
O
2
Al стр
экв
0,06
Si
1
C
Moстр
экв
Zr
N
H
123
123
123
123
123
123
123
1 2 3
1 2 3
Moпрэкв
1 2 3
1 2 3
а
б
Рис. 2. Среднее содержание примесей (а) и их эквиваленты по алюминию и
молибдену (б) в слитках титановых сплавов в 1970-х (1), 2000-х (2), 2009-11 г.
(3)
Сравнение механических свойств кованых прутков, изготовленных по
одной технологии, показало, что в 2000-х гг. временное сопротивление
разрыву уменьшилось в среднем на 30-80 МПа (в зависимости от марки
сплава)
по сравнению с 1970-ми гг., при этом значения относительного
удлинения и ударной вязкости повысились. Это может быть обусловлено
снижением содержания примесей в слитках титановых сплавов.
В
работе
был
проведен
корреляционно-регрессионный
анализ
зависимости механических свойств кованых и прессованных прутков
диаметром 14-90 мм от содержания легирующих элементов и примесей,
12
структурных и прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену, а также
исследованы взаимосвязи механических свойств для частных и обобщенных
выборок. В табл. 1 для примера представлена часть корреляционной матрицы
для обобщенной партии кованых прутков сечением 14х14 мм 1970-75 и 19992003 гг. Полученные данные показывают, что между всеми факторами
наблюдаются значимые корреляционные связи: коэффициенты корреляции
(по модулю) равны 0,52-0,99. Необходимо отметить, данные 1970-х и 2000-х
гг. практически совпадают. С увеличением структурных и прочностных
эквивалентов по алюминию и молибдену наблюдается повышение временного
сопротивления
разрыву
и
условного
предела
текучести,
при
этом
пластические характеристики снижаются.
Таблица 1
Факторы
σв
σ0,2
σв
Корреляционная матрица*
σ0,2**
δ
ψ
KCU
1
0,99
1
-0,91
-0,92
1
δ
-0,92
-0,84
-0,78
0,84
1
ψ
-0,83
0,85
-0,87
-0,61
0,81
0,83
1
KCU
-0,88
0,79
0,78
стр
0,93
0,96
-0,90
-0,81
-0,81
Al экв
0,92
-0,83
-0,78
-0,77
стр
0,78
0,84
-0,67
-0,52
-0,54
Моэкв
0,82
-0,65
-0,61
-0,58
пр
0,95
0,98
-0,93
-0,84
-0,89
Al экв
0,95
-0,88
-0,79
-0,91
пр
0,79
0,88
-0,73
-0,58
-0,56
Моэкв
0,83
-0,71
-0,66
-0,62
Примечание: * в числителе – 1999-2003 гг., в знаменателе - 1970-75 гг.; ** - данных за 197075 гг. нет.
На
следующем
этапе
объектами
исследования
послужили
штампованные поковки сплавов ВТ3-1 и ВТ6. Как и для прутков, прочностные
и пластические свойства поковок могут изменяться в довольно широких
пределах. Колебания механических свойств могут существенно зависеть от
химического состава и структуры, во многом определяемой конкретной
13
технологией штамповки, габаритами поковок и режимами термической
обработки. Поэтому для исключения этих факторов было исследовано влияние
структуры и химического состава на механические свойства образцов,
вырезанных в продольном направлении из поковок одного типоразмера сплава
ВТ3-1 (табл. 2).
Таблица 2
Статистические характеристики эквивалентов и механических свойств
поковок из сплава ВТ3-1 (продольное направление, 92 образца, 2005-10 гг.)
Статистические
характеристики
Диапазон
по
нормативной
документации
Диапазон
значений по факту
Выборочное
среднее
Стандартное
отклонение
Коэффициент
вариации, %
δ,
ψ,
МПа
%
%
KCU,
МДж
м2
-
9501200
≥10
≥25
≥0,3
9,7-10,8
4,5-5,3
10241116
12,822,4
27,149,0
0,310,68
6,0
10,1
4,9
1068
17,6
38,1
0,43
0,28
0,42
0,40
0,32
22,1
2,1
4,1
0,07
3,6
7,0
3,9
6,5
2,0
11,9
10,7
16,2
Al стр
экв
Мо стр
экв
Al прэкв
Мо прэкв
%
%
%
%
-
-
-
7,6-8,3
5,4-6,5
7,9
σв,
Металлографический анализ показал, что исследованные поковки имели
структуры I, II, III и V типов в соответствии с типовой шкалой структур сплава
ВТ3-1 (табл. 3). При этом 75% образцов имели равноосную структуру, из них
30 % относится к типу I (равноосная с почти глобулярными α-зернами 2-6
подтипов), 45% - к типу II (равноосная с несколько вытянутыми α-зернами 1-6
подтипов). При переходе от 1 к 6 подтипу наблюдается увеличение размеров
структурных составляющих. 17 % образцов имели смешанную структуру III
типа (преимущественно 4 и 5 подтипов). Структура V типа (2-го подтипа)
встречалась у 8% образцов. Механические свойства поковок с разным типом
структуры приведены в табл. 3. При переходе от структуры I типа к V типу
(т.е. от равноосной к смешанной и далее к пластинчатой) наблюдается
снижение предела прочности в среднем приблизительно на 20 МПа:
пр
 o  235  61  5  Al пр
экв  50  5  Moэкв  5,1T  6,2 П ,
где Т – тип структуры, П – подтип структуры.
14
Таблица 3
Механические свойства образцов сплава ВТ3-1 с разным типом структуры
Тип
KCU, МДж/м2
σв, МПа
δ, %
ψ, %
структуры Т
(доля образцов,
%)
диапазон
среднее*
диапазон
среднее*
диапазон
среднее*
диапазон
среднее*
10471116
1077
±9,5
14,822,0
17,8
±0,7
27,145,2
38,7
±1,5
0,310,68
0,49
±0,04
10291105
1066
±8,7
12,822,4
17,2
±0,8
27,148,2
39,7
±1,4
0,310,60
10241100
1060
±9,3
14,021,2
18,5
±1,2
36,049,0
43,2
±1,9
0,360,53
0,40
±0,04
10241094
1054
±8,8
14,019,2
16,7
±1,3
27,144,8
38,0
±1,6
0,330,48
0,40
±0,05
I (30 %)
II (45%)
0,41
±0,02
III (17 %)
V (8%)
Примечание: * - указан доверительный интервал с надежностью 0,95.
Полученные результаты (табл. 4) показывают, что для 92 образцов доля
вариации предела прочности, обусловленная влиянием химического состава,
составляет около 40%, влиянием структуры – 20 %. Остальная доля вариации
может быть обусловлена факторами, которые сложно учесть. Для 87 образцов
с I, II и III типом структуры было оценено влияние химического состава,
подтипа структуры и размеров α-зерна на механические свойства (табл. 4).
Доля вариации предела прочности из-за колебаний химического
состава составляет около 60 %, а из-за изменения размеров структурных
составляющих – 15-20 %. Зависимость предела прочности от толщины α-зерен
аα для структур I и II типа имеет вид:
 в   0  133  a 1 / 2 ,
где σ0=1015±10 МПа (I тип) и 1000±10 МПА (II тип). Статистические
характеристики модели: R=0,65, R2=0,43, S=17 МПа.
15
Таблица 4
Результаты корреляционного анализа зависимости предела прочности от типа
структуры, параметров структуры и эквивалентов по алюминию и молибдену
для поковок одного типоразмера из сплава ВТ3-1
Статистическая
партия
92 образца;
I-V типы структур
27 образцов;
I тип структуры
43 образца;
II тип структуры
17 образцов;
III тип структуры
Факторы
Al прэкв ;
Moпрэкв
Коэффициент
корреляции
0,62
Доля вариации,
%
38
0,47
22
0,45
20
0,42
18
0,77
59
0,37
15
тип и подтип структуры
подтип структуры,
толщина α-зерен
подтип структуры,
толщина и длина α-зерен
Al прэкв ; Moпрэкв
подтип структуры
Зависимость предела прочности поковок сплава ВТ3-1 от толшины аα и
длины lα α-зерна для структуры II типа имеет вид:
 в   0  58  a 1 / 2  30  l 1 / 2 ,
где свободный член σ0 определяется по соотношению:
пр
 o  235  5  59  4,8  Al пр
экв  47  3,7   Moэкв , МПа.
Статистические характеристики модели: R=0,76, R2=0,58, S=15 МПа.
В работе было проведено сравнение различных линейных и
нелинейных регрессионных моделей, полученных для исследованных видов
полуфабрикатов.
Зависимости
механических
свойств
от
содержания
легирующих элементов и примесей для разных статистических массивов
отличаются друг от друга. Это может быть связано с недостаточным
представительством выборки для получения значимых коэффициентов
регрессии в случае линейных и, тем более, нелинейных моделей. Если
учитывать влияние каждого элемента (10-15 легирующих компонентов и
примесей) и их парные линейные и нелинейные взаимодействия, необходимо
найти ~103-104 коэффициентов, что осуществить довольно сложно, а для
практических задач нецелесообразно.
16
Вместе с тем при сравнении моделей, содержащих эквиваленты по
алюминию и молибдену и полученных для различных видов полуфабрикатов,
было установлено, что эти интегральные характеристики обладают большей
статистической устойчивостью, при этом корреляционная связь механических
свойств с прочностными эквивалентами более сильная по сравнению со
структурными эквивалентами. Коэффициенты регрессии, характеризующие
влияние эквивалентов по алюминию и молибдену, для различных массивов
приблизительно одинаковы. На основе обобщения результатов проведенных
исследований были уточнены коэффициенты упрочнения для прочностных
эквивалентов по алюминию (60±5 МПа/% м.) и молибдену (50±5 МПа/% м), а
также подтверждена их достоверность и надежность:
пр
 Врасч   0  (60  5)Alпр
экв  (50  5)Moэкв .
Полученная
модель
имеет
очень
высокие
(1)
статистические
характеристики: коэффициент корреляции 0,97, коэффициент детерминации
0,94. Увеличение прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену на
1% приводит к повышению прочности прутков α-, псевдо α-, α+β-сплавов в
среднем на 55-65 МПа и на 45-55 МПа в соответствии с (1). При этом
относительное удлинение снижается на 1,0-2,0 % и 0,5-1,0 %, поперечное
сужение – на 2,0-3,0 % и 0,3-0,7 %, ударная вязкость – на 0,09-0,12 и 0,08-0,11
МДж/м2.
Свободные члены σ0 моделей для предела прочности различных
промышленных полуфабрикатов лежат в интервале 300-400 МПа и зависят от
содержания неучтенных примесей, количества легирующих элементов в
сплаве и их взаимодействия между собой, параметров структуры, конкретного
фазового состава и т.п., так что σ0 можно представить в виде:  0  k  235, где
kσ – эмпирический (поправочный) коэффициент, который зависит от типа
полуфабриката и конкретной технологии его изготовления, и может быть
определен на основе данных статистического контроля.
17
При исследовании взаимосвязей механических свойств различных
полуфабрикатов было обнаружено, что более высокие коэффициенты
корреляции наблюдаются для σв-δ, σв-ψ, σв-KCU, σв-σ0,2 по сравнению с
другими
парными
взаимодействиями.
Несвободные
члены
уравнений
(коэффициенты регрессии) практически совпадают для различных моделей и
статистических массивов, так что в интервале σв=600-1200 МПа, в котором
находятся значения предела прочности прутков большинства промышленных
сплавов, обобщенные линейные зависимости имеют вид:
δ= (35±1,0)-(0,022±0,001)σв,
ψ= (77±3,0)-(0,04±0,003)σв,
KCU=(2,3±0,5) -(0,0016±0,0005)σв.
В более широком интервале σв=350-1500 МПа наилучшее соответствие
с фактическими значениями дают нелинейные модели σв-δ, σв-ψ, σв-KCU (рис.
3). Конкретный вид и разброс значений δ, ψ, KCU в пределах общей
зависимости определяются значением свободного члена, который зависит от
марки сплава, вида полуфабриката и режима отжига.
δ, %
40
20
0
400
800
1200
σв, МПа
Рис. 3. Регрессионная зависимость относительного удлинения от
предела прочности отожженных прутков 14-90 мм α-, псевдо α- и α+βтитановых сплавов:
δ=(84,5±3,5)-(0,19±0,012)σв+(1,74±0,14)·10-4σв2-(5,6±0,5)·10-8σв3;
R=0,87, R2=0,75, S=3,1%.
18
Глава 4. Статистический анализ связи физико-механических свойств
и обрабатываемости резанием отечественных и зарубежных титановых
сплавов с их химическим составом
В главе приведены результаты исследования корреляционных связей
коэффициента обрабатываемости резанием kv с эквивалентами по алюминию и
молибдену и физико-механическими свойствами титановых сплавов после
отжига. Коэффициент обрабатываемости kv понижается с увеличением
предела прочности, модуля упругости, эквивалентов по алюминию и
молибдену и с уменьшением относительного удлинения, коэффициента
теплопроводности λ (табл. 5).
Таблица 5
Результаты регрессионного анализа зависимости коэффициента
обрабатываемости резанием титановых сплавов от различных факторов
№
Регрессионная модель
1 k  0,11  0,04    5,7  10 4   2
v
R
0,87
R2
0,76
S
0,05
2
0,96
0,92
0,04
0,97
0,94
0,03
0,98
0,96
0,03
k v  0,99  8,54 10 4  в  1,03 10 7  в  0,015 
2
0,00212  2,12 10  5  в  
3 k  0,7  0,03[ Al ]пр  1,9  10 4 ([ Al ]пр ) 2  0,04[ Mo]пр  0,001([ Mo]пр ) 2
v
экв
экв
экв
экв
стр
стр
cnр

4
2
4 k  0,6  0,042[ Mo]  6,9  10 ([ Mo] )  0,0238[ Al ] 
v
экв
экв
экв

6
4
2
3
Al экв
0,0144([ Al ]стр
экв )  5,259  10 (Мо экв )  9,4  10
стр
 0,0235Moэкв Al экв
стр

стр 3
стр
Обрабатываемость резанием α+β- и псевдо β-титановых сплавов
существенно зависит от фазового состава и структуры, так что ее можно
регулировать с помощью термической обработки. После закалки из α+βобласти с критических температур скорость резания α+β-титановых сплавов
(например, ВТ6, ВТ23, ВТ14, ВТ3-1) можно повысить в 1,2-1,5 раза по
сравнению
с
закалки+старения
характеристиками
отожженным
титановые
состоянием:
сплавы
обрабатываемости
kvзак=(1,2÷1,5)kvотж.
После
обладают
наиболее
низкими
резанием:
kvзак+ст=(0,6÷0,7)kvзак
=(0,7÷0,8)kvотж. На основе проведенного анализа была уточнена классификация
19
отечественных и зарубежных деформируемых титановых сплавов по
обрабатываемости резанием в отожженном состоянии.
Глава 5. Области практического применения результатов работы
Проведенные исследования выявили значимые (с надежностью 0,95)
статистические
зависимости
между
механическими
свойствами
полуфабрикатов и эквивалентами по алюминию и молибдену. Полученные в
ходе
анализа
коэффициенты
корреляции
и
детерминации
(>0,9)
свидетельствуют о том, что доля вариации механических свойств более чем на
90% определяется влиянием химического состава. Статистические ошибки
прогнозирования связаны, прежде всего, с разбросом механических свойств
конкретных полуфабрикатов, которые, в свою очередь, могут быть
обусловлены колебаниями химического состава в объеме каждого слитка (или
деформированного полуфабриката) и в пределах марки сплава; фазовым
составом и структурой, сформировавшимися в процессе обработки давлением
и термической обработки; конкретными методиками и ошибками химического
анализа и механических испытаний, а также другими случайными факторами,
которые сложно учесть. В работе было проведено сравнение данных
статистического контроля
химического состава и механических свойств
полуфабрикатов из титановых сплавов, изготовленных на различных
предприятиях:
СМК,
СТК,
СМПП,
ВИЛС,
ВСМПО,
Криворожский
турбинный завод «Восход», «Ижорские заводы». На основе проведенных
исследований были статистически обоснованы уравнения регрессии, которые
позволяют осуществлять экспресс-оценку и прогнозирование вероятностных
значений
кратковременных
механических
свойств
деформированных
полуфабрикатов с ошибками, определяемыми современным технологическим
уровнем производства. Получены модели, позволяющие прогнозировать
коэффициент обрабатываемости резанием титановых сплавов в зависимости
от химического состава, физико-механических свойств, режимов термической
обработки. В работе была проведена проверка предложенных моделей,
20
которая показала хорошее соответствие расчетных и реальных значений
механических свойств исследованных полуфабрикатов из титановых сплавов.
Результаты работы использованы ЗАО «Имплант МТ» при назначении
режимов термической обработки и резания при изготовлении изделий
медицинского назначения, что подтверждено соответствующим актом.
Результаты работы можно использовать при разработке новых
титановых сплавов; для обоснования возможности замены дорогих или
токсичных легирующих элементов эквивалентными количествами более
дешевых или нетоксичных элементов в традиционных титановых сплавах и
сплавах медицинского назначения; при обосновании выбора сплавов для
конкретного назначения и сплавов-дублеров для ремонта изделий; для
прогнозирования
вероятностных
значений
расчетных
характеристик
механических свойств при проектировании новых изделий.
Основные выводы по работе:
1.
Обоснованы
принципы
прогнозирования
прочностных
и
пластических свойств деформированных полуфабрикатов из титановых
сплавов на основе представлений об эквивалентах по алюминию и молибдену.
Построены диаграммы, позволяющие оценить с вероятностью 0,95 уровни
предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков
диаметром 8-60 мм титановых сплавов всех классов в зависимости от
структурных эквивалентов по алюминию и молибдену.
2. Установлены средние значения и разброс содержания легирующих
элементов, примесей, эквивалентов по алюминию и молибдену, механических
свойств слитков, кованых и прессованных прутков различных титановых
сплавов, штампованных поковок сплавов ВТ3-1 и ВТ6, изготовленных на
различных предприятиях с 1970 по 2011 гг.
3. Показано, что среднее содержание кислорода и азота снизилось
почти в два раза с 1970-х гг. по 2011 г.: с 0,11 до 0,06 %м. и 0,02 до 0,01 % м.
соответственно. Это в свою очередь привело к снижению прочностных
свойств полуфабрикатов на 30-80 МПа.
21
4. Установлено, что коэффициенты, характеризующие влияние
эквивалентов по алюминию и молибдену на предел прочности, относительное
удлинение, поперечное сужение и ударную вязкость, не зависят от видов
деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в отожженном
состоянии. На основе проведенных исследований уточнены коэффициенты
упрочнения для прочностных эквивалентов по алюминию (60±5 МПа/%) и
молибдену (50±5 МПа/%)
5.
Статистически
обоснованы
количественные
взаимосвязи
механических свойств деформированных полуфабрикатов α-, псевдо α-, α+βсплавов после отжига: установлено, что в интервале 600-1200 МПа повышение
предела прочности на 100 МПа сопровождается снижением относительного
удлинения в среднем на 2,0-2,5%, поперечного сужения – 3,0-5,0 %, ударной
вязкости – 0,15-0,20 МДж/м2.
6. Показано, что для штампованных поковок сплава ВТ3-1 после
изотермического отжига доля вариации механических свойств, обусловленная
колебаниями химического состава, составляет ~40%, а влиянием типа и
параметров структуры - ~20%. Для количественной оценки предела прочности
в уравнение регрессии введена поправка, которая зависит от типа и
параметров структуры.
7. На основе корреляционно-регрессионного анализа получены модели,
позволяющие прогнозировать коэффициент обрабатываемости резанием
титановых сплавов в зависимости от химического состава, физикомеханических свойств, режимов термической обработки.
8. В работе показана принципиальная возможность прогнозирования
вероятностных значений (с надежностью 0,95) механических свойств
деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов на основе данных
промышленного контроля с ошибками, определяемыми современным уровнем
развития производства.
22
Основное содержание диссертации отражено в публикациях:
Статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Егорова, Ю.Б. Корреляция относительного удлинения титановых сплавов с
их химическим составом / Ю.Б. Егорова, Р.А. Давыденко //
Материаловедение. - 2012. - № 9. - С. 26-31.
Егорова, Ю.Б. Способы повышения эффективности механической
обработки титана и его сплавов / Ю.Б. Егорова, С.В. Скворцова, Р.А.
Давыденко, Н.Г. Митропольская // Материаловедение. – 2012. - № 7. - С.812.
Егорова, Ю.Б. Титан и титановые сплавы в автомобилестроении / Л.В.
Давыденко, С.Б. Белова, Р.А. Давыденко // Автомобильная
промышленность. – 2010. - № 10. - С. 41-43.
Егорова, Ю.Б. Связь физико-механических свойств и обрабатываемости
резанием отечественных титановых сплавов с их химическим составом /
Ю.Б. Егорова, Е.Н. Егоров, Р.А. Давыденко // Автомобильная
промышленность. – 2011. - № 12. - С. 30-33.
Публикации в научных журналах и изданиях
Егорова, Ю.Б. Классификация деформируемых титановых сплавов по
обрабатываемости резанием / Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, И.М.
Мамонов, Р.А. Давыденко // Научные труды МАТИ. – 2010. - вып. 17 (89).
- С. 29-34.
Егорова, Ю.Б. Оценка физико-механических свойств титановых сплавов на
основе эквивалентов по алюминию и молибдену / Ю.Б. Егорова, Р.А.
Давыденко, Е.В. Чибисова // Новые материалы и технологии. – НМТ-2010.
Материалы Всеросс. научно-техн.конференции, Москва, 16-18.11.2010. –
2010. т.1. - С 64-65.
Егорова, Ю.Б. Оценка однородности химического состава слитков
титановых сплавов / Ю.Б. Егорова, Ф.С. Мамонова, Р.А. Давыденко //
Научные труды. – 2011. - Вып. 18 (90). - С. 24-31.
Егорова, Ю.Б. Сравнение химического состава и механических свойств
слитков титановых сплавов, выплавленных в период с 1970 по 2011 годы /
Ю.Б. Егорова, И.М. Мамонов, Р.А. Давыденко // Труды МАТИ (Вестник
МАТИ) – 2013. - Вып. 20 (92). - С. 4-10.
23
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа