Спосіб оцінки імпульсного введення енергії в титановий сплав при статичному розтягу

Реферат: UA 113251 C2 (12) UA 113251 C2 Винахід належить до галузі металургії, а саме до способу імпульсного введення енергії в титановий сплав. Спосіб оцінки імпульсного введення енергії в конструкційний матеріал, за який використовують зразки титанового сплаву при статичному розтягу, полягає в тому, що зразки вихідного матеріалу попередньо послідовно заливають рідким азотом, витримують в рідкому азоті не менше 60 хв., при цьому безперервно фіксують зміну поперечного розміру робочої частини кожного із зразків, зливають рідкий азот і відігрівають зразки на повітрі до кімнатної температури, потім зразки послідовно статично розтягують в пружній області до значення напружень не більше 0,2т, після чого піддають дії заданих імпульсних підвантажень, під час дії яких забезпечують сумарну величину навантаження на зразок, яка не перевищує величини, при якій напруження на зразку досягають межі текучості вихідного матеріалу т, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування. Вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною міцнісних і пластичних властивостей на різних стадіях у порівнянні з такими ж властивостями конструкційного матеріалу на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу. Запропонований спосіб враховує вплив низькотемпературних ефектів на зміну механічних властивостей титанових сплавів після ударно-коливального навантаження, при якому реалізується динамічний неврівноважений процес. В залежності від вихідної структури титанових сплавів і послідовності накладання низькотемпературних ефектів на процес імпульсного введення силової енергії в матеріал можна значно поліпшити пластичність сплаву, або навпаки - значно погіршити, без суттєвого зменшення їх міцнісних властивостей. UA 113251 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі металургії, а саме до способу імпульсного введення енергії в пластичний титановий сплав. При динамічних незрівноважених процесах, які можна реалізувати за рахунок ударноколивального навантаження, практично всі пластичні матеріали проявляють схильність до короткочасної пластифікації з одночасним "аномальним" ефектом знеміцнення за рахунок створення дисипативної структури, що має щільність менше щільності основного матеріалу. Дисипативна структура в матеріалах різних класів експериментально зафіксована методом трансмісійної мікроскопії, а висновок про нижчу щільність дисипативної структури зроблений на основі зміни рельєфу спеціального монокристального сенсора, який наклеювався на основний зразок, і де явно виявлені мікро- і макроекструзії основного зразка матеріалу (Чаусов Н., Засимчук Е., Гуцайлюк В., Волянская Е. Методы исследования свойств диссипативных структур, образующихся при импульсном вводе энергии в материал // Вісник ТНТУ, 2011, Спецвипуск, частина 2, - с. 92-97.) Після реалізації динамічних незрівноважених процесів (ДНП) при повторному статичному розтягу механічні властивості вихідних матеріалів значно змінюються. В результаті аналізу значного обсягу експериментальних даних, отриманих авторами при ударно-коливальному навантаженні на матеріалах різних класів, встановлені основні фактори, які впливають на зміну механічних властивостей матеріалу при подальшому статичному розтягу: рівень попередньої статичної деформації, при якому реалізуються імпульсні силові підвантаження; інтенсивність силових імпульсних підвантажень; багаторазовість реалізації динамічних незрівнважених процесів за рахунок імпульсних підвантажень. Всі попередні досліди з імпульсного введення енергії в матеріал проводились при кімнатній температурі (18…22 °C) і тому, нажаль, жоден із відомих способів імпульсного введення силової енергії в пластичний матеріал не дозволяє оцінити зміну механічних властивостей матеріалів при подальшому статичному розтягу з урахуванням додаткових змін температурних умов навантаження. Титанові сплави дуже чутливі до змін температурних умов навантаження, зокрема при зміні температури випробувань від кімнатної до глибокого охолодження. Навіть у випадках, коли глибоке охолодження носить тимчасовий характер, за наступної роботи матеріалу в умовах нормальних температур слід зважати на можливі залишкові явища, що пов'язані зі зміною структури матеріалів, і, відповідно, зі зміною його щільності. Враховуючи той факт, що всі просторові дисипативні структури утворюються за рахунок концентрації дефектів в об'ємі матеріалів, слід очікувати, що і сама послідовність накладання низькотемпературних ефектів на процес імпульсного введення силової енергії в матеріал (спочатку глибоке охолодження, а потім імпульсне введення силової енергії в матеріал, або, навпаки, спочатку імпульсне введення силової енергії в матеріал - а потім глибоке охолодження) також буде суттєво впливати на зміну механічних властивостей при подальшому статичному розтягу матеріалу при кімнатній температурі. Це пов'язано з тим, що в залежності від вихідної структури титанового сплаву комбінований вплив короткочасного глибокого охолодження і імпульсного введення силової енергії в сплав в деяких випадках може призвести до значного збільшення концентрації дефектів в локальних зонах матеріалу, тобто до значного зменшення його щільності і, відповідно, збільшенню залишкового об'єму матеріалу, а в деяких випадках можна очікувати протилежного ефекту за рахунок ущільнення і фрагментації структури. Слід звернути увагу ще на один важливий момент. Для багатьох матеріалів при реалізації динамічних незрівноважених процесів на пластичній стадії формування можуть відбуватися суттєві структурно-фазові зміни в матеріалах, які в подальшому, при додатковій зміні температурних умов навантаження можуть вплинути на якість таких модифікованих матеріалів. Тому бажано, щоб реалізація динамічного незрівноваженого процесу відбувалась виключно на пружній гілці деформування матеріалу. Найближчий аналог (Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова, В.Э. Вильдеман, Т.В. Турчак, А.П. Пилипенко, В.Н. Параца. Особенности деформирования пластичних материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.-2009. - Т.75. -№6. - с. 52-59), згідно з яким зразки матеріалу статично розтягують при кімнатній температурі (18…22 °C) до різних ступенів пластичної деформації і додатково піддають дії заданих імпульсних підвантажень, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування, а вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною механічних властивостей на різних стадіях у порівнянні з механічними властивостями матеріалу на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу. 1 UA 113251 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Головним недоліком аналога є те, що за його допомогою також неможливо оцінити зміну механічних властивостей титанових сплавів після імпульсного введення силової енергії в матеріал з урахуванням додаткових змін температурних умов навантаження. Задача винаходу - розробити ефективний і достовірний спосіб оцінки впливу імпульсного введення силової енергії в пластичний титановий сплав на зміну механічних властивостей при подальшому статичному розтягу з урахуванням додаткових змін температурних умов навантаження. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб імпульсного введення енергії в пластичний титановий сплав при статичному розтягу, який полягає в тому, що зразки пластичного матеріалу статично розтягують при кімнатній температурі (18…22 °C) до різних ступенів пластичної деформації і додатково піддають дії заданих імпульсних підвантажень, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування, а вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною міцнісних і пластичних властивостей на різних стадіях в порівнянні з міцнісними і пластичними властивостями конструкційного матеріалу на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу, згідно з пропонованим рішенням зразки пластичного титанового сплаву спочатку послідовно заливають рідким азотом, витримують в рідкому азоті не менше 60 хв., при цьому безперервно фіксують зміну поперечного розміру робочої частини кожного із зразків, зливають рідкий азот і відігрівають зразки на повітрі до кімнатної температури, а потім зразки додатково послідовно статично розтягують в пружній області до значення напружень не більше 0,2σт і піддають дії заданих імпульсних підвантажень, при яких при заданому рівні імпульсного підвантаження сумарна величина навантаження на зразку не перевищує величини, при якій напруження на зразку досягають межі текучості вихідного матеріалу т, після цього зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування та згідно з пропонованим рішенням зразки пластичного титанового сплаву заливають рідким азотом і витримують в рідкому азоті після попереднього статичного навантаження, наступного імпульсного підвантаження в пружній області і повного розвантаження. У запропонованому способі ефективно використовується технічна можливість різкої зміни температурних умов навантаження за рахунок короткочасного глибокого охолодження сплаву в рідкому азоті. При цьому цю операцію можна робити як до імпульсного введення силової енергії в сплав, так і після імпульсного введення силової енергії в сплав. Попередніми дослідами авторів встановлено, що всі основні структурні зміни в титанових сплавах при охолодженні протікають протягом 60 хв. витримки в середовищі рідкого азоту. Об'єктивним індикатором даного процесу є оцінка зміни щільності сплаву, наприклад, за рахунок безперервного вимірювання поперечного розміру робочої частини кожного із зразків. Збільшення поперечного розміру робочої частини зразка в процесі глибокого охолодження як раз і вказує на появу залишкового об'єму зразка матеріалу за рахунок значних структурних змін. Природа таких структурних змін може бути різною, не виключається і створення додаткової пошкодженості в сплаві. Тому при імпульсному введенні силової енергії в матеріал зі значними структурними змінами в результаті глибокого охолодження слід очікувати більш значних проявів ефектів від імпульсного введення силової енергії, в порівнянні з вихідним станом. В запропонованому способі виключається вплив пошкоджень при попередньому статичному навантаженні, так як відомо, що при навантаженні матеріалу в пружній області до рівня 0,2т, пори і мікротріщини, які зароджуються, при розвантаженні повністю заліковуються. Тобто при реалізації динамічного незрівноваженого процесу в матеріалі відсутнє поле початкових пошкоджень за рахунок попереднього статичного навантаження. Цьому також сприяють умови, при яких при заданому рівні імпульсного підвантаження сумарна величина навантаження на зразку не перевищує величини статичного навантаження, яка відповідає межі текучості вихідного титанового сплаву. В даному випадку динамічний незрівноважений процес повністю реалізується на ділянці пружності матеріалу, при цьому відсутні будь-які прояви смуг локалізації пластичної деформації, в яких з'являється додаткова пошкодженість матеріалу, що в подальшому може вплинути на зміну механічних властивостей. Слід також відмітити, що при реалізації динамічних незрівноважених процесів обов'язкова умова попереднього статичного навантаження зразка матеріалу в пружній області також пов'язана з тим, що в даному випадку виключається неспіввісність навантаження зразка матеріалу, який закріплюється в сферичних опорах при передачі силового імпульсу. Випробування реалізовані на базі модернізованої випробувальної машини ZD-100Pu. Машина обладнана пристосуванням, що дозволяє забезпечити імпульсні підвантаження зразка матеріалу різної інтенсивності на будь-якій стадії статичного навантаження. 2 UA 113251 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 із титанового сплаву ВТ-15 товщиною 2 мм і шириною 8 мм та титанового сплаву ВТ-22 товщиною 3 мм і шириною 10 мм. Дослідження полягали в наступному. Спочатку кожний зразок із досліджуваних сплавів послідовно заливали рідким азотом і витримували в рідкому азоті 60 хв., при цьому безперервно фіксували зміну ширини робочої частини кожного із зразків. Типові приклади такої безперервної фіксації зміни робочої частини зразків із різних титанових сплавів подані на граф.1. Із граф.1 можна побачити, що природа структурних змін, які виникають при глибокому охолодженні досліджуваних титанових сплавів, принципово відрізняється. На граф. 1а представлений загальний вигляд вимірювального пристосування для досліджень, а на граф. 16 - результати досліджень. В титановому сплаві середньої міцності ВТ-15 фіксується зростання ширини робочої частини зразків в процесі глибокого охолодження (крива 1), що вказує на зростання залишкового об'єму сплаву в результаті структурних змін. Навпаки, в високоміцному титановому сплаві ВТ-22 (крива 2) відмічається зменшення ширини робочої частини зразків в процесі глибокого охолодження, що пов'язано з ущільненням вихідної структури. Виявлені структурні зміни в титанових сплавах з різною вихідною структурою при короткочасному глибокому охолодженні значно впливають на механічні властивості сплавів. Статичний розтяг таких зразків після відігрівання на повітрі до кімнатної температури показує характерну зміну механічних властивостей, в порівнянні з механічними властивостями при стандартному статичному розтягу титанових сплавів з вихідними структурами (граф.2). Тут крива 1 і крива 3 відповідно, діаграми деформацій сплавів ВТ-15 і ВТ-22 в вихідному стані за кімнатної температури, а крива 2 і крива 4, відповідно, діаграми деформацій сплавів ВТ-15 і ВТ22 в вихідному стані після годинної витримки у середовищі рідкого азоту. Повні розвантаження зразків із титанового сплаву ВТ-22 на різних стадіях деформування проводили з метою оцінки зміни модуля пружності в процесі навантаження (граф.2). Після відігрівання зразків на повітрі до кімнатної температури їх додатково послідовно статично розтягували в пружній області до значення напружень не більше 0,2т і піддавали дії заданих імпульсних підвантажень, за яких при заданому рівні імпульсного підвантаження сумарна величина навантаження на зразку не перевищувала величини, при якій напруження на зразку досягали межі текучості вихідного матеріалу т, після цього зразки повністю розвантажували і повторно статично розтягували до руйнування. На граф. 3 подані результати подібних випробувань на зразках із титанового сплаву ВТ-15 при заключному статичному розтягу до руйнування. Тут, для порівняння, представлені діаграми деформацій титанового сплаву ВТ-15 в вихідному стані при кімнатній температурі, і в вихідному стані після годинної витримки у середовищі рідкого азоту, відповідно, крива 1 і крива 2. Експериментально встановлено, що імпульсне введення силової енергії в титановий сплав ВТ15 після короткочасного глибокого охолодження (Fімп=17,31 кН) покращує його пластичні властивості (див. криву 3 на граф. 3), однак пластичність сплаву після такого складного режиму навантаження менше пластичності сплаву в вихідному стані (порівняй криві 1 і 3 на граф. 3). Слід відмітити, що аналогічна процедура імпульсного введення силової енергії в сплав при кімнатній температурі без попереднього глибокого охолодження (Fімп=16,9 кН) практично не впливає на зміну механічних властивостей сплаву (див. криву 4 на граф. 3). З метою виявлення впливу послідовності накладання низькотемпературних ефектів на процес імпульсного введення силової енергії в титановий сплав ВТ-15 серію зразків спочатку послідовно статично розтягували в пружній області до значення напружень не більше 0,2т і піддавали дії заданих імпульсних підвантажень, при яких при заданому рівні імпульсного підвантаження сумарна величина навантаження на кожному із зразків не перевищувала величини, при якій напруження на зразку досягали межі текучості вихідного матеріалу т. Після цього зразки повністю розвантажували і заливали рідким азотом, витримували в рідкому азоті 60 хв., при цьому також безперервно фіксували зміну поперечного розміру робочої частини кожного із зразків. Далі зливали рідкий азот, відігрівали зразки на повітрі до кімнатної температури і повторно статично розтягували до руйнування. На граф. 3 подана типова діаграма деформацій сплаву після такого складного режиму навантаження (Fімп=16,74 кН) (крива 5). Як можна побачити із порівняння кривих 3 і 5 на граф. 3 глибоке охолодження сплаву ВТ-15 після імпульсного введення силової енергії в сплав є самим небезпечним режимом навантаження. В даному випадку пластичність сплаву зменшується практично в 2,3 разу, в порівнянні з вихідним станом. 3 UA 113251 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Цікаво відмітити, що безперервна фіксація ширини робочої частини зразка в процесі глибокого охолодження після імпульсного введення силової енергії в сплав також вказує на значне зростання залишкового об'єму матеріалу (див. криву 1 на граф. 4). Аналогічні дослідження з оцінки впливу глибокого охолодження на зміну механічних властивостей сплаву ВТ-22 після імпульсного введення силової енергії подані на граф.5. Тут криві 1 і 2, відповідно, діаграми деформацій сплаву при стандартному статичному розтягу в вихідному стані при кімнатній температурі, і у вихідному стані після глибокого охолодження. Крива 3 - діаграма деформацій сплаву при складному навантаженні: статичний розтяг реалізація ДНП в пружній області (Fімп=46,8 кН) - глибоке охолодження - наступний статичний розтяг. Для порівняння на граф.5 також подана крива деформацій сплаву при складному навантаженні при кімнатній температурі: статичний розтяг - реалізація ДНП в пружній області (Fімп=47,2 кН) - наступний статичний розтяг (крива 4). Повні розвантаження зразків із титанового сплаву ВТ-22 на різних стадіях деформування проводили з метою оцінки зміни модуля пружності в процесі навантаження (див. граф. 5). В першу чергу слід звернути увагу на той факт, що ширина зразків із титанового сплаву ВТ22 після імпульсного введення силової енергії в процесі подальшого глибокого охолодження також значно збільшується (див. криву 2 на граф.4). Це вказує на появу залишкового об'єму сплаву у зв'язку з суттєвими структурними змінами в процесі імпульсного введення енергії. В результаті, механічні властивості сплаву при подальшому статичному розтягу погіршуються, в порівнянні з механічними властивостями сплаву тільки після операції глибокого охолодження, (порівняйте криві 2 і 3 на граф.5). Однак пластичність сплаву навіть при такому складному режимі навантаження значно покращується, в порівнянні з випробуванням сплаву з вихідною структурою при стандартному статичному розтягу (порівняйте криву 1 і криву 3 на граф.5). Із граф.5 також можна побачити, що наступне глибоке охолодження сплаву ВТ-22, після введення імпульсної силової енергії в сплав при кімнатній температурі, може значно погіршити пластичні властивості сплаву при подальшому статичному розтягу при кімнатній температурі, в порівнянні з процесом введення імпульсної силової енергії в сплав без глибокого охолодження (порівняйте криві 3 і 4 на граф. 5). Аналіз проведених дослідів показав, що накладання на процес імпульсного введення силової енергії в пластичні титанові сплави додаткових змін температурних умов навантаження призводить до суттєвих змін механічних властивостей при подальшому статичному розтягу при кімнатній температурі. При цьому експериментально встановлено, що в залежності від вихідної структури титанових сплавів і послідовності накладання низькотемпературних ефектів на процес імпульсного введення енергії в матеріал можна як значно поліпшити пластичність титанових сплавів, так і значно погіршити, без суттєвого зменшення їх міцнісних властивостей. Слід особливо підкреслити, що введена в спосіб процедура безперервної фіксації поперечного розміру робочої частини зразків в процесі глибокого охолодження виявилась дуже корисною в плані прогнозування подальшої зміни механічних властивостей титанових сплавів при імпульсному введенні силової енергії. Коли в процесі глибокого охолодження відмічається суттєве збільшення залишкового об'єму зразків (в даному випадку за рахунок збільшення поперечного розміру зразка), то слід очікувати погіршення механічних властивостей титанових сплавів, зокрема пластичності від комбінованого впливу глибокого охолодження та імпульсного введення силової енергії в матеріал. Коли, навпаки, в процесі глибокого охолодження збільшення залишкового об'єму зразків не відмічається, то слід очікувати поліпшення пластичних властивостей від комбінованого впливу глибокого охолодження і імпульсного введення силової енергії в матеріал. Згідно з пропонованим рішенням застосування запропонованого винаходу дозволяє ефективно і достовірно врахувати комбінований вплив короткочасного глибокого охолодження та імпульсного введення силової енергії на зміну механічних властивостей пластичних титанових сплавів при подальшому статичному розтягу при кімнатній температурі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб оцінки імпульсного введення енергії в конструкційний матеріал при статичному розтягу, який полягає в тому, що зразки вихідного матеріалу статично розтягують при кімнатній температурі (18…22 °C) до різних ступенів деформації, після чого піддають дії заданих імпульсних підвантажень, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування, а вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною міцнісних і пластичних властивостей на різних стадіях у порівнянні з міцнісними і пластичними 4 UA 113251 C2 5 10 властивостями конструкційного матеріалу на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу, який відрізняється тим, що як конструкційний матеріал використовують зразки титанового сплаву, які попередньо послідовно заливають рідким азотом, витримують в рідкому азоті не менше 60 хв., при цьому безперервно фіксують зміну поперечного розміру робочої частини кожного із зразків, зливають рідкий азот і відігрівають зразки на повітрі до кімнатної температури, потім зразки послідовно статично розтягують в пружній області до значення напружень не більше 0,2т, а під час дії заданих імпульсних підвантажень забезпечують сумарну величину навантаження на зразок, яка не перевищує величини, при якій напруження на зразку досягають межі текучості вихідного матеріалу т. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що зразки титанового сплаву заливають рідким азотом і витримують в рідкому азоті після попереднього статичного навантаження, наступного імпульсного підвантаження в пружній області і повного розвантаження. 5 UA 113251 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 6