CC BY
19
УДК 538.971+620.179.1
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ РЕЛЬЕФ ВНЕШНЕЙ И ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУСФЕРЫ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ
СИСАНБАЕВ А.В., КРУГЛОВ А.А., ЛУТФУЛЛИН Р.Я.
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
АННОТАЦИЯ. Методом лазерной сканирующей микроскопии исследован деформационный рельеф внешней и внутренней поверхности полусферы, полученной сверхпластической формовкой из листового проката титанового сплава ВТ6 (6Л14У) с ультрамелкозернистой структурой. Проведен сравнительный анализ параметров деформационного рельефа при разном напряженно-деформируемом состоянии. С использованием результатов компьютерного моделирования установлена взаимосвязь между степенью деформации и параметрами рельефа полусферы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: титановый сплав, сверхпластическая формовка, полусфера, деформационный рельеф, лазерная сканирующая микроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
В процессе сверхпластической формовки (СПФ) на поверхности изделий образуется деформационный рельеф (ДР), обусловленный действием основного механизма сверхпластической деформации - зернограничного проскальзывания [1]. Исходная шероховатость поверхности листовых заготовок при СПФ с увеличением степени деформации трансформируется и заметно возрастает. Формирование ДР может сопровождаться растрескиванием оксидных пленок и приводить к изменению морфологии поверхности [2]. В результате, повышается вероятность возникновения зародышей микротрещин на поверхности изделий. Поверхности с концентраторами напряжений являются опасными и требуют дополнительной обработки в конструкциях, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. Внешние поверхности можно обработать известными технологическими методами. Проблемы возникают при обработке внутренних поверхностей изделий. Например, полых лопаток авиационного двигателя, имеющих замкнутые полости [3]. Современные микроскопы позволяют сканировать протяженные области с различным разрешением и исследовать морфологию ДР внешней поверхности [4]. Вместе с тем, оценка ДР внутренней поверхности требует новых подходов к разработке методик неразрушающего контроля.
Цель работы состояла в установлении методом лазерной сканирующей микроскопии зависимостей 3Б-параметров ДР внешней и внутренней поверхности полусферы после СПФ от типа напряженно-деформированного состояния (НДС) и степени деформации.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Удобным объектом для исследования ДР поверхности с разным НДС является полусфера. При СПФ полусферы на внешней поверхности действуют растягивающие напряжения, а на внутренней - сжимающие. Для получения полусфер использовали ультрамелкозернистый лист толщиной 1,0 мм из титанового сплава 6Л14У (ВСМПО-АВИСМА, г. Верхняя Салда). Средний размер зерен в листах не превышал 1,1 мкм [5].
Круглые листовые заготовки формовали аргоном в цилиндрическую матрицу диаметром 70 мм и высотой 35 мм в вакуумной камере электропечи ОКБ-8О86 при Т = (750±5) °С. Методика СПФ подробно описана в работе [6].
Бесконтактную съемку ДР поверхности исходного листа и полусферы проводили на лазерном сканирующем микроскопе LSM-5-Exciter (Carl Zeiss, Germany) [2, 7, 8]. С помощью программы 3В-анализа изображений ZEN определяли интегральные параметры морфологии ДР: среднее арифметическое отклонение (RSa), усредненный пик долины или экстремум (RSz) и эксцесс (RSku). Эксцесс (резкость) является мерой остроты пиков рельефа.
Области сканирования выбирали согласно эпюрам распределения эквивалентных деформаций по профилю полусферы. Эпюры получали путем компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS. Математическая модель процесса СПФ была построена на основе постановки и решения соответствующей краевой задачи теории ползучести с использованием степенного соотношения сверхпластичности [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты моделирования СПФ показали, что при разном НДС внешней и внутренней поверхности полусферы распределение эквивалентных деформаций (е) по толщине одинаково (рис. 1).
224Е-04 .321768 .643514 .96526 1.287
.160895 .482641 .804387 1.126 1.44!
Рис. 1. Распределение е по профилю полусферы при СПФ
В нашем случае это связано с тем, что радиус полусферы больше ее толщины в ~ 35 раз. Чем больше эта разница, тем точнее выполняется предположение о постоянстве напряжений по толщине. Деформация по профилю полусферы неоднородна и достигает максимума в полюсе. Поэтому, измерения параметров ДР на внешней и внутренней поверхности проводили в трех характерных областях с разной величиной деформации:
emin, еср и етах.
В таблице приведены параметры ДР полусферы для разных НДС по знаку и по величине е. На рис. 2 видно, что зависимости К8а от е носят линейный характер. Линия тренда для НДС растяжения соответствует К8а~2,4е+4, а для сжатия К8а~3,2е+4.
Таблица
Параметры ДР для разных НДС
Поверхность сканирования Параметры ДР
e RSa, мкм RSZ, мкм RSku
Исходный лист 0 4,0 19,8 3,0
Внешняя (растяжение) 1,1 6,2 60,0 3,4
1,4 7,5 39,9 5,5
Внутренняя (сжатие) 1,1 8,1 82,6 3,5
1,4 8,3 75,3 3,0
Таким образом, развитие зернограничного проскальзывания при СПФ и однородность эквивалентных деформаций по толщине полусферы приводят к количественной взаимосвязи между ДР внешней и внутренней поверхности. Значениями Я8а для растяжения и сжатия отличаются в ~ 1,3 раз. Вместе с тем в области етах, зависимости КБг и Я8ки от е носят нелинейный характер (рис. 3). Согласно результатам моделирования в этой области нарушаются условия сверхпластичности [7].
8
4
0
0 0,5 1 1,5
Рис. 2. Зависимости Я8а от е при разных НДС: • - сжатие и о - растяжение
80
40
0
0 0,5 1 1,5
Рис. 3. Зависимости от е при разных НДС: • - сжатие и о - растяжение
Меньшие значения и Я8г в случае НДС растяжения обусловлены
эквивалентностью деформируемого объема. Большей площади области растяжения соответствует меньшая высота сдвига. Более высокие значения Я8ки для случая НДС растяжения (рис. 4) связаны с развитием дополнительных механизмов аккомодации деформации в области етах, когда наряду с зернограничным проскальзыванием происходит растрескивание поверхностного слоя.
6
4
2
0
0 0,5 1 1,5
Рис. 4. Зависимости Я8ки от е при разных НДС: • - сжатие и о - растяжение
ВЫВОДЫ
Показана методическая возможность анализа динамики изменения морфологии ДР поверхности от степени деформации путем измерения после СПФ параметров рельефа в разных областях полусферы. Выявлена количественная взаимосвязь между параметрами ДР внешней и внутренней поверхности полусферы. Повышенная резкость рельефа области растяжения предопределяет внешнюю поверхность полусферы в качестве приоритетного объекта контроля. Таким образом, бесконтактная лазерная сканирующая микроскопия может быть рекомендована, как эффективный способ ЭБ-контроля ДР изделий, полученных по технологии СПФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kaibyshev O.A., Lutfullin R.Ya. and Safiullin R.V. The Nature of Solid State Joint Formation Under Superplasticity and Some Practical Application of This Phenomenon // Proc. of Confer. Superplasticity and Superplastic Forming / edited by A.K. Ghosh and T.R. Bieler. Las Vegas, USA, 1995. Р. 241-249.
2. Сисанбаев А.В., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.Х. ЭБ-контроль рельефа поверхности в полых гофрированных конструкциях из титановых сплавов после сверхпластической формовки // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 1. С. 117-120.
3. Лутфуллин Р.Я., Круглов А.А., Мухаметрахимов М.Х., Руденко О.А. Низкотемпературная сверхпластичность и изготовление полых конструкций из титанового сплава ВТ6 // Письма о материалах. 2015. Т. 5(2). С. 185-188.
4. Зиновьева О.С. Механические аспекты формирования мезоскопического деформационного рельефа на поверхности нагруженных поликристаллов : дис. канд. физ.-мат. наук. Томск, 2015. 156 с.
5. Kashaev R.M., Lutfullin R.Ya., Nagimov M.I. Low-temperature superplasticity of commercial sheets of the titanium alloy Ti-6Al-4V // Letters on materials. 2014. V. 4(4). P. 261-264.
6. Круглов А. А. Контроль формообразования листовых заготовок в процессах сверхпластической формовки // Кузнечно-штамповочное производство. 199Э. № 2. С. 22-2Э.
7. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Температурная зависимость деформационного рельефа наноструктурного титанового сплава после сверхпластической формовки // Перспективные материалы. 2011. № 12 (спец. вып.). С. 258-261.
8. Круглов А.А., Сисанбаев А.В., Руденко О.А., Лутфуллин Р.Я. Деформационный рельеф поверхности титанового сплава после низкотемпературной сверхпластической формовки // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № Э. С. 425-4Э0.
9. Самойлова А.Ю., Ганиева В.Р., Еникеев Ф.У., Круглов А.А. Анализ напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при сверхпластической формовке круглой мембраны Часть II. Моделирование процесса сверхпластической формовки // Письма о материалах. 201Э. T. 3(3). С. 252-256.
DEFORMATION RELIEF OUTER AND INNER SURFACE OF A HEMISPHERE OF TITANIUM ALLOYS AFTER SUPERPLASTIC FORMING
Sisanbaev A.V., Kruglov À.À., Lutfullin R.Ya.
Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia
SUMMARY. By laser scanning microscopy study of the deformation relief on the outer and inner surface of a hemisphere obtained by superplastic forming of sheet metal titanium alloy VT6 (6Al4V) with ultrafine structure. A comparative analysis of the parameters of the deformation relief with different stress-deformed state was accomplished. Using the results of computer simulation the interrelation between the degree of deformation relief and the parameters of the hemisphere has been established.
KEYWORDS: titanium alloy, superplastic forming, hemisphere, deformation relief, laser scanning microscopy.
Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМРАН, тел. (347)282-37-10, e-mail: [email protected]
Круглов Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН, e-mail: [email protected]
Лутфуллин Рамиль Яватович, доктор технических наук, заведующий лабораторией ИПСМ РАН, e-mail: lutram@anrb. ru
