CC BY
40
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected].
В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор, (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
РАЗРУШЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТА ПРИ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ СО СТРУКТУРОЙ И ТЕКСТУРОЙ ТИТАНОВОГО СПЛАВА
Выявлено влияние структуры и текстуры на характеристики разрушения полуфабрикатов из титанового сплава ПТ-ЗВкт.
Ключевые слова: вытяжка, напряжение, деформация, анизотропия, формоизменение, матрица.
Качественная штамповка тонкостенных полусферических днищ с минимальным утонением и отсутствием гофр представляет весьма сложную технологическую проблему. Для изготовления тонкостенных полусферических днищ, как правило, применяют реверсивный метод штамповки. Однако этот метод имеет существенные недостатки вследствие значительного утонения днища, наличия гофр и высокого процента брака по разрывам. Высокие требования надежности и массы конструкций обусловили необходимость поиска и разработки новых методов штамповки тонкостенных полуферических днищ.
Для изготовления полусферических тонкостенных полновысотных днищ из титанового псевдо- альфа-сплава ПТ-ЗВкт используется метод многопереходной вытяжки (ступенчатого набора) с промежуточными отжигами и окончательной калибровкой взрывом [1].
Сущность метода ступенчатого набора состоит в следующем:
- для устранения утонения стенок применяется предварительный набор металла, осуществляемый в штампах, выполняемых с обязательным обеспечением степеней вытяжки (коэффициента вытяжки), свойственных штампуемому металлу;
- устранение радиального гофрообразования осуществляется путем применения каскада цилиндрических ступеней набора металла по геометрии близкого к контуру вписанного радиуса днища;
- в предварительных операциях набор металла осуществляется не полностью (для сферических днищ - около 95 % расчетной заготовки). Недостающее количество металла в наборе восполняется в процессе окончательной вытяжки дотяжкой из фланца.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию структуры и текстуры на характеристики разрушения полуфабрикатов из титанового сплава ПТ-ЗВкт.
При отработке технологического процесса было установлено, что существенное влияние на способность формоизменения листа без трещи-нообразования оказывает исходное состояние листового полуфабриката. В связи с этим ниже исследована взаимосвязь способности листов сплава ПТ-ЗВкт к формоизменению в процессе многопереходной вытяжки, характера изломов, числа гибов в испытаниях на гиб с перегибом, типа кристаллографической текстуры и размера зерна.
Наиболее высокую штампуемость имеют листы с мелкозернистой структурой и наклонной базисной текстурой с малыми углами наклона кристаллографических плоскостей (0001) к плоскости листа (рис. 1). Они обладают высокой пластичностью при циклическом знакопеременном изгибе и характеризуются вязким механизмом разрушения (рис. 2, а). Изломы имеют ямочное строение, при этом размеры и форма ямок весьма разнородны. Кое-где на поверхности излома наблюдаются следы усталостных бороздок.
к
\
\
\
а
б
Рис. 1. Микроструктура (х200) и текстура мелко- (а) и крупнозернистых (б) листов титанового сплава ПТ-ЗВкт
К резкому снижению пластичности и даже растрескиванию металла на тех или иных переходах ступенчатого набора приводят увеличение среднего размера зерна выше 50...60 мкм и присутствие призматической ориентировки {1120} в исходных листах (рис. 1, б, 2, б и 3). На рис. 3 введены обозначения: точками о и • обозначены годные и бракованные полуфабрикаты соответственно.
Рис. 2. Электронно-микроскопические (х5000) изображения поверхности изломов пластичных мелкозернистых (а) и охрупченпых крупнозернистых (б) листов сплава ПТ-ЗВкт
Причиной отмеченных изменений в структуре и текстуре, по-видимому, является повышение температуры отжига на заключительных стадиях изготовления листов до (3-области. Значительное снижение пластичности листов с указанными структурными характеристиками, с одной стороны, связано с тем, что в поверхностных слоях листа при многократных изгибных деформациях возникает интенсивная текстура {1120} (рис.
4).
200
мкм
! 100
<с1>
50
0
0 5 10 % 20
_________________Ушо ______________
Рис. 3. Влияние размера зерна и содержания призматических компонент текстуры на поведение листов сплава ПТ-ЗВкт при штамповке
Рис. 4. Распределение объемной фракции призматических ориентировок по толщине листа сплава ПТ-ЗВкт после знакопеременного циклического изгиба до разрушения
В связи с этим наличие преимущественной ориентировки {1120} уже в исходном состоянии существенно снижает ресурс пластичности материала [2, 3] (рис. 3). Кроме того, анализ напряженно-деформированного состояния и результаты экспериментального изучения текстуры во фланце штамповки показывают, что в процессе вытяжки во фланце, испытывающем растягивающие напряжения в радиальном направлении, формируется текстура < 101 0 >, а в тангенциальном направлении в результате сжимающих напряжений образуется текстура <0001> (рис. 5), тем более интенсивная, чем сильнее была ориентировка {1120} в плоскости исходного листа.
Рис. 5. Характер кристаллографической текстуры в различных зонах штамповки из листа сплава ПТ-ЗВкт после первого перехода
Однако по мере развития текстуры <0001> в тангенциальном направлении дальнейшее течение металла во фланце резко затрудняется, поскольку при ориентации сжимающих напряжений вдоль кристаллографической оси <0001> оказываются заблокированными как основные системы
скольжения {1010} <1120 >, {0001} <1120 >, {1011} <1120> вследствие нулевых значение фактора Шмида, так и двойникование по системе {1012} < 10 11 >. В результате этого происходит интенсивное гофрообра-зование с последующим растрескиванием фланца.
Другой причиной резкого снижения пластичности листов с крупнозернистой структурой, сопровождающегося разрушением изделий в процессе многопереходной вытяжки, является смена механизма разрушения.
Характерной особенностью изломов в таких листах является наличие участков квазискола и "речного узора", типичных для хрупкого разрушения, а также наличие усталостных бороздок и вторичных трещин (см. рис. 2, б). Применение методики лаково-угольных реплик позволило обнаружить на поверхности разрушения остатки тонких пленочных выделений (рис. 6). При этом они наблюдаются только в листах с крупнозернистой структурой и достаточно выраженной призматической текстурой, характерной для обработки листов [3-области, что позволяет считать, что образование этих частиц происходит в результате высокотемпературного нагрева металла.
Рис. 6. Электоронно-микроскопическое изображение поверхности разрушения (хЗОООО) охрупченного листа сплава ПТ-ЗВкт и микродифращионная картина с частицы, указанной стрелкой
Микродифракционный анализ частиц показал, что они имеют ГЦК структуру с параметром решетки, близким к 77 (С, Ы). Однако не исключено, что это могут быть и гидриды титана, имеющие также ГЦК решетку с параметром, близким к наблюдаемому при проведении экспериментальных исследований.
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список литературы
1. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. М: Машиностроение, 1976. 350 с.
2. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.
3. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.
S.S. Yakovlev, V.D. Kuhar
THE HALF-BLANK’S FAILURE IN THE MULTIOPERATION DRAWING PROCESS AND TITANIUM ALLOY’S STRUCTURE AND TEXTURE.
The influence of titanium alloy’s structure and texture on titanium alloy’s PT-3vkt half-blank’s failure is identified.
Key words: drawing, stress, deformation, anisotropy, forming, die.
Получено: 04.08.11
УДК 621.983; 539.374
B.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор,
(4872) 35-14-82, [email protected].
C.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ОТЖИГА И ТЕКСТУРА ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА ПТ-ЗВКТ
Изложены результаты экспериментальных исследований влияния длительности отжига на текстуру листов сплава ПТ-ЗВкт.
Ключевые слова: отжиг, текстура, штамповка, температура, рекристаллизация.
В настоящее время сплавы на основе титана все шире применяются в изделиях, работающих при криогенных температурах. Одним из перспективных титановых сплавов для работы при низких температурах является сплав ПТ-ЗВкт, содержащий в качестве легирующих компонентов алюминий и ванадий. Основным методом изготовления из него крупногабаритных осесимметричных изделий является многооперационная вытяжка. Исследования показали [1], что способность титановых сплавов к глубокой вытяжке в значительной мере связана со степенью выраженности текстуры листа. Наличие определенного типа текстуры благоприятно сказывается на физико-механических свойствах изделия. В частности, при наличии базисной текстуры (0001) [10 10] или близкой к ней возрастает его конструкционная прочность (наблюдается так называемое текстурное упрочнение).
Часто при изготовлении изделий (например, тонкостенных полусферических баков) применяется многоступенчатая вытяжка, при этом перед каждым переходом производится термическая обработка, которая мо-
