Деформаційний спосіб зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів

Реферат: Винахід належить до галузі металургії, а саме до деформаційного способу зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів. Деформаційний спосіб зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів полягає в тому, що зразки титанового сплаву монотонно одновісно деформують шляхом розтягу в пружній області за кімнатної температури (18….22 °С) до значення напружень в зразках 0,1…0,2 межі текучості сплаву, а потім піддають впливу ударно-коливального навантаження з частотою 1…2 кГц, при якому сумарні напруження в зразках від дії попереднього статичного навантаження і ударно-коливального навантаження впритул досягають межі текучості сплаву, після чого повністю розвантажують. Вплив способу навантаження на вихідну структуру титанового сплаву оцінюють фізичними методами. Спосіб дозволяє досягнути значної зміни у вихідній структурі титанового сплаву і значно збільшити його пластичність, до того ж, запропонований спосіб реалізований при малих, фактично пружних, деформаціях та за кімнатної температури. UA 113792 C2 (12) UA 113792 C2 UA 113792 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, а саме до деформаційного способу зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів. На практиці для зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів використовують різні методи, котрі можна об'єднати у дві основні групи. Методи першої групи (Лясоцкая B.C. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. - М.: Экомет. 2003. - 351 с; Паршин A.M., Барсуков В.Н., Шевельков В.В. Влияние термоциклической обработки на повышение пластичности и вязкости крупнозернистых полуфабрикатов титанового сплава ВТ22 // Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и конструкционных сталей и сплавов. Л.: ЛДНТП, 1986, с. 33-37), пов'язані з термоциклічною обробкою двофазних титанових сплавів при різних температурах і відповідній часовій витримці. В результаті можна добитися зміни вихідної структури сплавів і, відповідно, підвищити пластичність і в'язкість сплавів. До недоліків цих методів слід віднести наступне: 1. Щоб досягнути значної зміни структури при термоциклічній обробці необхідно використовувати складні режими термообробки за довготривалої часової витримки. Це, як правило, пов'язано з коштовним технологічним обладнанням. 2. Сама процедура вибору оптимальної термоциклічної обробки пов'язана з численними трудомісткими фізичними дослідженнями. Методи другої групи (Бердин В.К., Караваева М.В., Нуриева С.К. Влияние вида монотонного нагружения на трансформацию пластинчатой микроструктуры в микродуплексную в титановом сплаве ВТ9 // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2001. - № 7. - С. 16-20; С.К. Утяшев Ф.З. Современные методы интенсивной пластической деформации / Уфа: УГАТУ, 2008. - 313 с), включають термосилове навантаження титанових сплавів, як при простих типах монотонного навантаження: розтяг, усадка, кручення, розтяг з одночасним крученням, так і при складних режимах термосилового навантаження, так звані методи інтенсивної пластичної деформації (ІПД): рівноканальне кутове пресування (РКК), кручення під тиском, всебічне кування та ін. Ці методи мають наступні основні недоліки: 1. Як показали багаточисельні експериментальні дослідження, при простих видах монотонного термосилового навантаження практично неможливо досягнути значної зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів, особливо при малих деформаціях. 2. Методами ІПД можна подрібнити вихідну макроструктуру двофазних титанових сплавів, впритул до субмікроструктури. Однак для реалізації цих методів необхідно використовувати складні режими термосилового навантаження і дороге технологічне обладнання. Слід підкреслити, що всі перелічені методи подрібнення вихідної макроструктури двофазних титанових сплавів реалізуються за високих температур. Виходячи з цього, актуальними залишаються дослідження, які спрямовані на розробку ефективних способів подрібнення вихідної структури двофазних титанових сплавів при різних схемах силового навантаження, особливо при малих деформаціях і при кімнатній температурі. Найбільш близьким за технічною суттю до способу, що заявляється (Влияние способа высокотемпературного нагружения на особенности дислокационного скольжения и структурных перестроек в титановом сплаве ВТ22 при малых деформациях / Мазурский М.И., Еникеев Ф.У., Васин Р.А., Муравлев А.В., Чистяков П.В., Караваева М.В. // Физика металлов и металловедение. - 1999, т. 88, № 5. - С. 90-94), є деформаційний спосіб зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів, згідно з яким зразки титанового сплаву монотонно одновісно деформують шляхом розтягу при заданій температурі до малих ступенів деформацій і потім повністю розвантажують, а вплив способу навантаження на вихідну структуру титанового сплаву оцінюють фізичними методами. Головним недоліком відомого способу є те, що за його допомогою не можливо досягнути яких-небудь значних структурних змін при малих деформаціях. В основу винаходу ставиться задача розробити ефективний і достовірний спосіб зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів при складному силовому режимі навантаження, при малих деформаціях, і, що особливо важливо, при кімнатній температурі. Поставлена задача вирішується тим, що в деформаційному способі зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів, який полягає в тому, що зразки титанового сплаву монотонно одновісно деформують шляхом розтягу при заданій температурі до малих ступенів деформації і потім повністю розвантажують, а вплив способу навантаження на вихідну структуру титанового сплаву оцінюють фізичними методами, згідно запропонованого рішення зразки титанового сплаву додатково деформують шляхом розтягу в пружній області за кімнатної температури (18…22 °С) до значення напружень в зразках 0,1…0,2 межі текучості сплаву, а потім піддають 1 UA 113792 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 впливу ударно-коливального навантаження з частотою 1…2 кГц, при якому сумарні напруження в зразках від дії попереднього статичного навантаження і ударно-коливального навантаження досягають межі текучості сплаву, і повністю розвантажують. У запропонованому способі ефективно використовується явище самоорганізації структури при динамічних незрівноважених процесах за рахунок ударно-коливального навантаження. При імпульсному введенні енергії в матеріал можна забезпечити широкий спектр регулювання міцнісних і пластичних властивостей будь-якого матеріалу, зокрема пластифікувати матеріал за рахунок створення дисипативних структур в матеріалі (Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах / Чаусов Н.Г., Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И. и др // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009, т. 75, № 6. - С. 52-59). Встановлено, що самоорганізація структур в матеріалах різних класів найбільш ефективно відбувається при частотах ударно-коливального навантаження 1…2 кГц (Strain field evolution on the surface of aluminum sheet alloys exposed to specific impact with oscillation loading /Mykola G Chausov. Valentin В Berezin, Andrii P Pylypenko and Volodymyr В Hutsaylyuk // J. Strain Analysis. 2014. Pp.1-12. DOI:10.1177/0309324714548085.). Ці частоти відповідають власним частотам сучасних гідравлічних випробувальних машин і тому реалізація запропонованого способу можлива на будь-якій гідравлічній випробувальній машині. Слід також відмітити, що при реалізації запропонованого способу обов'язково повинні виконуватися дві умови. По-перше, попереднє статичне навантаження зразка титанового сплаву розтягом необхідно проводити в пружній області до рівня 0,1…0,2 межі текучості сплаву (т). Це пов'язано з тим, що в даному випадку виключається співвісність навантаження зразка матеріалу, який закріплюється у сферичних опорах, при подальшому ударно-коливальному навантаженні. По-друге, подальший динамічний незрівноважений процес у сплаві за рахунок ударноколивального навантаження повинен відбуватися тільки в пружній області, впритул до досягнення межі текучості сплаву. В даному випадку в сплаві будуть відсутні будь-які прояви смуг локалізації пластичної деформації, через які у подальшому можуть створюватись концентрації напружень і, відповідно, може зменшуватися максимальна можлива пластична деформація. Крім того, коли зразки титанового сплаву навантажують при складному силовому режимі тільки в пружній області, впритул до межі текучості матеріалу, в матеріалі відсутні макропошкодження і тому забезпечується однорідність новоствореної дисипативної структури в матеріалі, що сприяє максимальній пластифікації сплаву при подальшому статичному розтягу. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної машини ZD100Pu. Машина обладнана пристосуванням, що дозволяє забезпечити імпульсне підвантаження зразка сплаву різної інтенсивності на будь-якій стадії статичного навантаження, тобто реалізувати динамічний незрівноважений процес в зразку сплаву за рахунок ударноколивального навантаження. Установка також обладнана комп'ютеризованою вимірювальною системою з програмним забезпеченням для проведення і обробки результатів випробувань з частотою вимірювань до 100 кГц. Випробування проводили на плоских зразках товщиною 3 мм із високоміцного двофазного титанового сплаву ВТ22. Базова експериментальна інформація про структурно-фазовий склад титанового сплаву ВТ22 у вихідному стані і після складного режиму навантаження (попередній статичний розтяг ударно-коливальне навантаження) одержано за допомогою методів оптичної, аналітичної растрової мікроскопії (SEM-515, фірми "Philips", Holland), а також мікродифракційної просвітлювальної електронної мікроскопії (JEM-200CX, фірми "Jeol", Japan), з прискорюючою напругою 200 кВ. Тонкі фольги для просвітлювальної мікроскопії підготовлювали двохступеневим методом попереднім електрополіруванням з наступним багаторазовим іонним потоншенням іонізованими потоками аргону на спеціальній установці. На фіг. 1 подана діаграма деформації сплаву після запропонованого складного режиму навантаження. До т. А на кривій зразок деформували статичним розтягом, а після піддавали ударно-коливальному навантаженню до т. В на кривій (реалізовувався динамічний незрівноважений процес), яка відповідає межі текучості сплаву. Після чого зразок повністю розвантажували. В подальшому фізичними методами досліджували структуру сплаву у вихідному стані і після запропонованого складного режиму навантаження (див. фіг. 2, 3). На фіг. 2 подані результати 2 UA 113792 C2 5 10 15 оцінки об'ємної частки Vд (%) зерен основи сплаву (-фаза) різних розмірів у вихідному стані і після запропонованого складного режиму навантаження. На фіг. 3 подані, відповідно, результати оцінки об'ємної частки Vд (%) субзерен в основі (-фаза) у вхідному стані і після реалізації запропонованого складного режиму навантаження. Аналіз фіг. 2, 3 показує, що після реалізації запропонованого складного режиму навантаження відбулось суттєве подрібнення вихідної структури титанового сплаву і субзерен в цій структурі. Причому, і відносні об'єми дрібних зерен і субзерен суттєво збільшуються в порівнянні із вихідним станом сплаву. В даному випадку процес подрібнення вихідної структури сплаву контролюється в основному фрагментацією за рахунок утворення множини нових розорієнтованих областей при ударно-коливальному навантаженні. Як результат, при подальшому статичному розтягу сплав практично в 3 рази збільшує свою пластичність (див. фіг. 4, крива 1), при цьому міцнісні властивості практично не змінюються. Тут же на фіг. 4, для порівняння, подана крива 2, яка характеризує механічні властивості сплаву при вихідній структурі при стандартному статичному розтягу. Технічним рішенням є те, що спосіб дозволяє досягнути значної зміни у вихідній структурі титанового сплаву, і значно збільшити його пластичність, до того ж, запропонований спосіб реалізований при малих, фактично пружних деформаціях, за кімнатної температури. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Деформаційний спосіб зміни вихідної структури двофазних титанових сплавів, який полягає в тому, що зразки титанового сплаву монотонно одновісно деформують шляхом розтягу при заданій температурі до малих ступенів деформації і потім повністю розвантажують, а вплив способу навантаження на вихідну структуру титанового сплаву оцінюють фізичними методами, який відрізняється тим, що зразки титанового сплаву деформують шляхом розтягу в пружній області за кімнатної температури (18…22 °С) до значення напружень в зразках 0,1…0,2 межі текучості сплаву, а потім піддають впливу ударно-коливального навантаження з частотою 1…2 кГц, при якому сумарні напруження в зразках від дії попереднього статичного навантаження і ударно-коливального навантаження впритул досягають межі текучості сплаву. 3 UA 113792 C2 4 UA 113792 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5