авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Влияние структуры и концентраторов напряжений на механические свойства титановых псевдо – – сплавов 5в и 5вл для деталей энергомашиностроения

На правах рукописи

Горунов Андрей Игоревич ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ ПСЕВДО – – СПЛАВОВ 5В И 5ВЛ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЯ Специальность 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор БАГМУТОВ Вячеслав Петрович.

СОКОЛОВ Геннадий Николаевич Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Оборудование и технология сварочного производства», профессор;

ТРАВИН Всеволод Вениаминович кандидат технических наук, ОАО «Калужский турбинный завод», г. Калуга, специальное конструкторское бюро, начальник бюро.

Ведущая организация Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, г. Москва.

Защита состоится «27» декабря 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «27» ноября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Кузьмин Сергей Викторович -2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время наблюдается расширение сферы применения титановых сплавов в приоритетных областях современной науки и техники (космические, авиационные и транспортные системы, морское судостроение, военная техника, биоматериалы и др.). Сплавы 5В успешно используются в узлах судовых паротурбинных установок, в узлах и деталях подвода острого пара к турбине, лопаток, дисков, диафрагм, роторов, крепежных деталей и др. Литейные конструкционные титановые сплавы, применяемые в судостроении, отличаются технологичностью, высоким уровнем коррозионно-механических свойств, работоспособностью в морской воде. Литейные сплавы 5ВЛ нашли широкое применение для изготовления лито-сварных конструкций, литых корпусов двигателей, турбин, крыльчаток и т.д. Большой вклад в изучение структуры и свойств титановых сплавов внесли: Капырин Г.И., Колачев Б.А., Ушков С.С., Чечулин Б. Б., Моисеев В.Н., Глазунов С.Г. и др.

Ограниченное количество экспериментальных данных по исследованию конкретных конструкционных титановых сплавов осложняет проблему оптимизации их структуры и свойств. Особенно актуальны эти задачи для литейных сплавов, которые в отличие от деформируемых характеризуются крупнозернистой и неоднородной структурой, не позволяющей достичь в ряде случаев заданного комплекса свойств. При этом измельчение структуры литого титана за счет фазовой перекристаллизации при нагреве практически невозможно, т.к. разность удельных объемов кристаллических решеток и - модификаций титана относительно невелика, в ~20 раз меньше, чем у железа.

Не менее значимой является задача изучения связи структуры с накоплением повреждений и разрушением титановых псевдо – – сплавов с учетом влияния сложного напряженного состояния, формируемого в концентраторе напряжений.

Исследованиями в области концентрации напряжений и пластических деформаций сплавов занимались: Махутов Н.А., Коновалов Л.B., Гурьев А.В., Давиденков Н.Н., Спиридонова Н.И., Водопьянов В.И., Скуднов В.А., Петерсон Р., Бриджмен П. и др.

Принимая во внимание, что разрушение изделий чаще всего происходит с поверхности детали преимущественно в зонах концентраторов, актуальными представляются исследования структуры и свойств поверхностных слоев и роли поверхностного упрочнения в решении проблемы повышения надежности и долговечности изделий с концентраторами.

В силу этого актуальной представляется исследование метода комплексной электромеханической обработки (ЭМО) поверхности деталей из титана и его соединений в условиях градиентных импульсных высокотемпературных и силовых полей, позволяющего эффективно и целенаправленно формировать требуемые служебные свойства изделий, выбирать оптимальные режимы упрочняющих поверхностных обработок.

Углубленное расчетно-экспериментальное исследование на разных масштабных уровнях должно способствовать выявлению роли структуры в процессах деформирования и разрушения, а также влияния напряженного состояния и состояния структуры поверхности, формируемой в зоне концентратора напряжений, на служебные свойства изделий энергомашиностроения.

Актуальность выбранной темы исследования подтверждена ее выполнением в рамках хоздоговора №5/044-08/152 – 2008 с ФГУП ЦНИИ КМ “Прометей”, Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Водопьянову В.И. за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.

-3 инновационной России на 2009 – 2013 годы» №14.740.11.0597, № 16.740.11.0141, № 16.740.11.0017.

Цель работы: Повышение комплекса механических свойств литейных и деформированных титановых псевдо - – сплавов для изделий энергомашиностроения с учетом конструктивных и технологических факторов.

Задачи исследования.

1. Выявить закономерности формирования локальных деформаций и их распределения по структурным составляющим литейных сплавов по сравнению с деформированными в рамках комплексного исследования накопления повреждений, морфологии изломов, механизмов разрушения и изменения механических свойств.



2. Оценить влияние структуры сплава и параметров круговых концентраторов разной остроты на развитие локальных деформаций на микро- и макроуровне.

3. Исследовать зависимость коэффициента чувствительности к концентрации напряжений в связи со структурным состоянием сплавов и параметрами концентраторов.

4. Разработать методику прогнозирования механических свойств титановых сплавов с концентраторами разной остроты на основе единой (обобщенной) диаграммы деформирования.

Научная новизна работы состоит в выявлении взаимосвязей между структурой, накоплением повреждений, разрушением и механическими свойствами титановых псевдо – – сплавов с учетом концентратора напряжений на макро- и микроуровне.

1. Выявлены закономерности формирования локальных пластических деформаций для литейного и деформируемого сплавов, проявляющиеся в формировании пор и микротрещин на границах зерен, особенно в местах стыка трех зерен. Установлено, что максимальные значения коэффициента концентрации структурных деформаций для сплава 5ВЛ в два раза больше, чем для сплава 5В.

Исчерпание локальной пластичности в зонах интенсивных деформаций приводит к снижению предельных макродеформаций в три раза.

2. Установлено, что независимо от структурного состояния предельная макродеформация в зоне концентрации определяется преимущественно параметрами концентратора, а предельная локальная микродеформация в вершине концентратора – исходной пластичностью, слабо зависящей от параметров концентратора. Выявлена единая зависимость предельной макродеформации от жесткости напряженного состояния.

3. Разработана новая экспериментально-расчетная методика, позволяющая прогнозировать деформационно-прочностные характеристики материалов путем восстановления истинной диаграммы деформирования образца с заданным кольцевым концентратором.

4. Установлено, что высокодисперсная структура, получаемая в поверхностном слое сплава 5ВЛ после ЭМО, приводит к снижению коэффициента концентрации структурных деформаций по сравнению с исходной крупнозернистой структурой в два раза.

Практическая значимость работы.

1. Разработана технология испытания на растяжение цилиндрических образцов, обеспечивающая на стадии шейкообразования образца, вплоть до разрушения, прямое экспериментальное определение истинных значений напряжений в условиях, приближенных к линейному напряженному состоянию, и позволяющая в этих же условиях определять соответствующие истинные значения деформаций, что повышает точность и достоверность результатов механических испытаний.

-4 2. Установлены режимы электромеханической обработки, позволяющие получать в поверхностном слое образцов из титановых сплавов ультрамелкозернистую структуру и, как следствие, высокие значения твердости.

В рамках выполнения хоздоговорной темы №5/044-08/152 – 2008 с ЦНИИ КМ «Прометей» установлено влияние структуры и концентраторов напряжений на механические свойства образцов, выполненных из литейных и деформированных титановых псевдо – – сплавов, что использовано при разработке материалов изделий энергомашиностроения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (Киев, 2010 г.;

Санкт-Петербург, 2010 г.), на 4-х Всероссийских научно-практических конференциях (г. Камышин, 2008-2009 гг., г.

Москва, 2008 г., 2010 г.), на 5-и региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008-2012 гг.), на двух Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (г. Магнитогорск, 2008-2009 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2007-2012 гг.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 5 статей в сборниках научных трудов, тезисов докладов, получено 2 патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 190 источников. Работа изложена на 150 страницах, включая 52 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и научная новизна.

В первой главе проанализировано состояние проблемы влияния структуры титановых сплавов на их служебные свойства. На основе проведенного анализа поставлена цель работы и сформулированы задачи исследования.





Во второй главе описаны используемые материалы, оборудование и методы исследований. Исходными материалами являлись образцы литейных и деформированных титановых псевдо--сплавов 5ВЛ и 5В. Исследование выполнено на пятикратных цилиндрических образцах, гладких и с кольцевыми концентраторами напряжений, диаметром 10 мм. Радиус R концентратора варьировался от 0,02 мм до.

Отношение d/D задавали равным 0,7, где d – диаметр образца в надрезе, D – наибольший диаметр расчетной части.

Для металлографии и фрактографических исследований применяли оптический микроскоп МЕТАМ ЛВ–32, входящий в программно-аппаратный комплекс Видео ТесТ – Структура, и растровый электронный микроскоп JEOL JSM–7500F (далее РЭМ) при увеличениях до 10000 крат.

Для изучения напряженно-деформированного состояния и разрушения в зонах концентрации при статических нагружениях использовалась испытательная установка УМЭ-10ТМ с механическим приводом и электронно-механической записью диаграммы деформирования. Измерение диаметров цилиндрических образцов с криволинейной поверхностью (в зоне шейки и концентратора) при выполнении данной работы проводили на инструментальном микроскопе БМИ-1Ц с ценой деления 1 мкм.

Кроме того, была усовершенствована конструкция микрометра типа МК модели 211221.

Для измерения полей деформаций в зонах концентрации в качестве основных применялись метод сеток и метод реперных точек, разработанный на кафедре «Сопротивление материалов» ВолгГТУ.

Для упрочнения поверхности образцов титановых сплавов проводили электромеханическую обработку, заключающуюся в поверхностном пластическом -5 деформировании роликом пропусканием между деталью и роликом электрического тока.

Микротвердость упрочненного слоя и основы образца определяли на микротвердомере ПМТ–3М при нагрузке на индентор 0,5 Н в соответствии с ГОСТ 9450–76 с применением программно-аппаратного комплекса ВидеоТесТ - Структура.

В третьей главе изучена структура, накопление повреждений, локальных деформаций, дефектов структуры в литом и деформированном состоянии во взаимосвязи их с механическими свойствами.

Проведено исследование неоднородности локальных пластических деформаций деформируемого 5В и литейного 5ВЛ титановых сплавов на базе измерения 50 мкм.

Для количественной оценки размаха локальной деформации от средней предложено использовать коэффициент концентрации структурных деформаций К:

K=i/ср, (1) где i и ср – локальная деформация i - того участка и средняя деформация вдоль реперной линии, соответственно. Среднюю деформацию ср вдоль реперной линии определяли по формуле 1n i, ср = (2) n где n – число микроучастков.

Установлено, что для сплава 5ВЛ локальные деформации в два раза превышают среднюю, закрепляются очаги повышенной и пониженной деформаций, распределение локальных деформаций имеет волнообразный характер, соизмеримый с размерами зерна, и остается стабильным в процессе пластического деформирования. На рисунке отчетливо прослеживается влияние структуры на закономерности накопления локальных деформаций.

К База 0,05 мм К L Коэффициент деформации, i /ср Рис. 1 – Распределение а) коэффициента концентрации структурных деформаций вдоль L, мм 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6. L, мм геометрической оси - -1 Длина реперной линии, мм образца (а - 5В;

б - 5ВЛ) К и фотография 3 База 0,05 мм Коэффициент деформации, i/ср б) микроструктуры исследуемого фрагмента поверхности образца сплава 5ВЛ (в) с нанесенной реперной 6,5 L, мм 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 линией. Направление - растяжения по Длина реперной линии, мм горизонтали, в) L - длина реперной линии.

-6 Для сплава 5ВЛ в интервалах 2,2-2,3 и 5,2-5,3 мм длины реперной линии, коэффициент концентрации структурных деформации достигает величины 2,8. В то же время можно наблюдать почти недеформируемые области на интервалах 0-0,3 мм;

3,6 4 мм.

Существенно другой характер распределения локальных деформаций для 5В, для которого характерно квазиоднородное распределение деформаций. В отличие от сплава 5ВЛ максимальные локальные деформации 5В в 1,5 раза ниже.

На рисунке 2 представлена структура, характерная для сплава 5ВЛ после деформации. Полосы скольжения, формируемые в теле зерна, упираются в его границу, встречаясь с полосами скольжения соседнего зерна. В месте их стыка формируется трещина. При этом интенсивные сдвигообразования захватывают лишь часть зерна, а образующийся рельеф типа «лимонной корки» является результатом совместной деформации нескольких зерен, осуществляемой сдвигом и поворотом целых зерен и их частей.

а) 0,2 мм б) 0,2 мм Рис. 2 - Типичные фрагменты структуры поверхности деформируемого образца сплава 5ВЛ с трещинами С использованием растровой электронной микроскопии изучена структура поверхности разрушения литейного и деформируемого сплавов. В литейном сплаве на поверхности излома отчетливо проявляется фасетка скола, характерная для хрупкого разрушения, остальная часть – ямочное строение, наблюдаемое при вязком характере разрушения (рисунок 3, а, в). Поверхность излома деформируемого сплава мелкоячеистая, характерная для пластичных сплавов (рисунок 3, б, г).

Рис. 3 - Фрактографические картины гладких образцов а б 5ВЛ (а, в) и 5В (б, г) в г Из рисунка 4 видно, что для сплава 5В характерна ровная гладкая деформированная поверхность образца с явно выраженной шейкой. Вид поверхности -7 излома сплава 5В – чашечный (рисунок 4, б). Сплав 5В разрушается при значительно меньших деформациях, шейка практически не выражена, а на поверхности образца формируется рельеф в виде «лимонной корки», отражая сильное межзеренное взаимодействие в процессе деформации. Зарождение трещин и разрушение произошло при незначительных сосредоточенных деформациях.

Рис. 4 - Вид образцов после разрыва: а – 5ВЛ, б – 5В.

а б Излом поверхности разрушения сплава 5ВЛ представляет собой отдельные глобули, по размерам и форме сопоставимые с размерами зерен (рисунок 4, а). Можно наблюдать блестящие плоскости скола как под углом 45 к направлению растяжения, так и совпадающие с направлением растяжения, а также ямки, отражающие рост пор или пустот в процессе растяжения.

На рисунке 5 представлены диаграммы растяжения деформируемого 5В и литейного 5ВЛ сплавов. Для обоих сплавов характерны близкие к друг другу значения предела текучести 0.2 : 788 МПа для деформируемого и 773 МПа для литейного.

Несколько большая разница выявлена для предела прочности: в – 906 МПа для 5В и 834 МПа для 5ВЛ, что на 8% меньше. Условные диаграммы растяжения по интенсивности изменения максимальной нагрузки позволяют выявить стадии равномерной деформации и шейкообразования, начало которой соответствует максимальной величине растягивающей нагрузки. Этот момент деформирования четко фиксируется на диаграмме сплава 5В, которая имеет куполообразный вид, а для сплава 5ВЛ кривизна кривой растяжения при приближении нагрузки к наибольшей Fmax изменяется незначительно, что затрудняет определение величины равномерной деформации.

S, МПа Рис. 5 - Диаграммы 4 растяжения сплавов 5ВЛ и 1000 5В, соответственно: 1,2 – условные (в 1 координатах ~ ), 3,4 – истинные (в координатах S ~e) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0. e, Стадия шейкообразования для 5ВЛ скоротечна и сопровождается малыми деформациями. Для сплава 5В стадия шейкообразования составляет большую часть деформации образца. При этом остаточное относительное сужение при разрыве для 5В составляет 37,5%, для 5ВЛ – 13%. Низкие значения пластичности 5ВЛ связаны с преобладанием хрупкой зоны над вязкой (рисунок 3). Наличие зон вязкой и хрупкой составляющей сплава 5ВЛ дает основание полагать, что большую роль в формировании комплекса свойств играет как макро-, так и микропластическая деформация. Анализ изменения напряжений в истинных координатах (рисунок 5, -8 кривые 3 и 4) показал, что при растяжении обоих сплавов отсутствует стадия разупрочнения.

В четвертой главе показано влияние концентраторов на сопротивление деформированию и разрушению для деформируемого и литейного титановых сплавов.

Предложена методика построения единой кривой растяжения образцов с кольцевыми концентраторами разной остроты в условиях полномасштабной текучести.

На рисунке 6 приведены экспериментальные результаты испытания образцов сплавов 5В и 5ВЛ с различными концентраторами. По оси ординат отложены значения максимальных условных напряжений при разрыве образцов с надрезом н в в минимальном сечении и относительного остаточного сужения при разрыве н в к зависимости от логарифма исходного теоретического коэффициента концентрации напряжений. По изменению н для исследуемых сплавов можно выделить две в области, граница между которыми обозначена предельным коэффициентом концентрации напряжений п.

Наблюдения за характером разрушения образцов с концентраторами позволили установить, что при исходном концентраторе напряжений п трещина зарождается в центре минимального сечения (полномасштабная текучесть), а при п на поверхности концентратора достигается предельное состояние раньше, чем в центре минимального сечения (хрупкое разрушение).

б) в) 1600 1500 Рис. 6 - Изменение Максимальное напряжение в, МПа Относительное сужение, % механических свойств (а) и 1400 н микрофотографии изломов 1300 сплава 5В (б, в) и 5ВЛ (г, д) 1200 гладких (а, г) и предельно 1100 острых (в, д) образцов 1000 900 а) 800 п1 п2 2 3 5 6 7 8 9 Коэффициент концентрации напряжений т д) г) На рисунке 6 можно заметить, что для литейного сплава как при п, так и при п характерен вязкий, ямочный излом, с большими перепадами рельефа по высоте, а также блестящие фестонистые поверхности, характеризующие хрупкое разрушение.

-9 Часть фасеток представляет собой сколы по телу зерна, некоторые фасетки выглядят как вырывы по границам исходного – зерна. Все фасетки имеют следы пластической деформации – ямки.

Ямки на поверхности излома сплава 5В значительно мельче как на фасетках псевдоскола, так и на вязких участках. Большинство фасеток покрыто ручьистым узором, перпендикулярным фронту роста трещины. Вязкие участки и фасетки на изломах 5В выглядят более сглаженными по сравнению с изломами 5ВЛ. Такое выравнивание рельефа объясняется мелким внутренним строением – зерна. Хрупкая составляющая сплава 5ВЛ представлена небольшим количеством фасеток квазискола.

На фасетках видна мелкая ямочная структура, образовавшаяся в результате микропластической деформации. Разрушение происходит по элементам крупнопластинчатого строения: сколы при разрушении проходят по пакетам – пластин и по отдельным – пластинам внутри исходного – зерна.

Такое различие в структурах проявляет себя и в распределении макро- и микродеформаций в условиях концентрации напряжений (рисунок 7).

0. 0., 0., 0. 0. 0.3 0. 0. 0. 0. li eli=ln(li+1/li) 0.15 0. 0. e=2ln(di/di+1) di 0. 0. 0.05 0.1 0.15 0. 0 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.04 0. 0 0.12 0. 16 0. а),, б) Рис. 7 – Распределение микродеформаций е для сплавов 5В (а) и 5ВЛ (б) в зависимости от величины макродеформаций е при различных радиусах R в вершине надреза. Значения R указаны около соответствующих кривых. Д – область разброса значений предельных продольных локальных деформаций Для литейного сплава, в отличие от деформируемого, характерны меньшие значения предельных микро- и макродеформаций. Причем для деформируемого сплава изменение предельных значений микродеформаций для всех образцов варьировалось в пределах от 0,33 до 0,41 при средней величине e, равной 0,36. Для литейного сплава разброс измеренных значений микродеформаций существенен, практически одинаков для всех значений исходного концентратора и колеблется в пределах от 0,08 до 0, при средней e, равной 0,16.

Разработана методика, позволяющая оценивать механические свойства и конструктивную прочность стержневых элементов с кольцевыми концентраторами напряжений. Все диаграммы растяжения 5В и 5ВЛ могут быть описаны степенными функциями вида S = С e m (3) Параметр деформационного упрочнения m m = const, в то время как другой параметр С монотонно возрастает при увеличении значения и уменьшении радиуса R, т.е. при увеличении остроты концентратора. Для гладких образцов S0 = С0 e m (4) На рисунке 8 проиллюстрировано приведение истинной кривой деформирования образца с концентратором (кривая 2) к единой кривой деформирования (кривая 1) на основе подхода, разработанного ранее Багмутовым В.П., с использованием принципа - 10 сжатых отображений. Точку Тq истинной кривой образца с концентратором можно привести к точке Тq0 обобщенной кривой, в качестве которой принята кривая растяжения гладкого образца, по маршруту Тq Тq Тq0. При этом операторы отображения будут определяться как = S q 0 S q и e = eq / eq 0 (рисунок 8).

S Луч L Луч q Tq Sq Tq Sq = Sq Tq S q Tq L q P ep eq e eq Рис. 8 - Последовательное преобразование кривой растяжения (2) образца с конечным коэффициентом концентрации в кривую растяжения гладкого образца (1) На этом этапе движению точки Tq ( S q0, e q ) до положения Tq 0 ( S q 0, e q0 ) соответствуют два уравнения:

S q0 = C 0 e q, m (5) m S q 0 = С 0 eq0, Введем оператор преобразования e = e q e q 0, имеем связь между операторами e и :

1/ m 1/ m S q S q 1/ m e e = = =, (6) S q0 S q0 В этом случае e в зависимости от определится по итерационной схеме () ( 1) em n, n = 1,2,..., (e ) n +1 = (7) где = e p e q0, n – число шагов итерации.

Исходя из анализа экспериментальных данных, оказалось целесообразным оператор определить через коэффициент приведения напряжений, представленный в работах Бриджмена, следующим образом:

= = (1 + 4 / ) ln(1 + / 4) (8) Метод по существу является аналитическим, удобным для применения в расчетной инженерной практике.

Взаимосвязь диаграмм деформирования гладких образцов и образцов с концентраторами позволяет, идя обратным путем, по обобщенной диаграмме деформирования определять истинные диаграммы деформирования деталей с - 11 кольцевыми выточками при ограниченном числе экспериментальных данных. На рисунке 9 представлено применение метода для описания свойств сплава 5В.

Рис. 9 - Истинные кривые растяжения 1. 2. 2. образцов 5В с концентраторами, рассчитанные по обобщенной диаграмме деформирования R = и истинной диаграмме деформирования образца с концентратором R=2.0 мм (точки – эксперимент) Для построения кривых с радиусами R=1,5 и R=2,4 достаточно иметь истинную диаграмму растяжения гладкого образца R= и, для оценки чувствительности сплава к концентрации напряжений, испытать образец с кольцевым концентратором напряжений, например, R=2,0.

Получена обобщенная зависимость относительного изменения предельной пластичности в зависимости от жесткости напряженного состояния, формирующегося в концентраторе при растяжении цилиндрических образцов с надрезом.

1, Относительное изменение Рис. 10 - Влияние жесткости пластичности, k/ напряженного состояния на 0, относительное изменение пластичности: 1 – сплав 0, 37ОП;

2 – сталь А50В;

3 – 0, сплав 5В;

0,2 4 – сталь 15Х2НМФА-А 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Жесткость напряженного состояния, Снижение пластичности с ростом жесткости напряженного состояния для различных сплавов можно описать единой кривой (рисунок 10).

В пятой главе исследована возможность управления структурой поверхностного слоя титанового псевдо – – сплава методом поверхностного пластического деформирования с одновременным нагревом зоны контакта путем пропускания электрического тока в паре "инструмент–деталь". Параметром, с помощью которого осуществлялось управление процессом, являлась величина плотности тока.

При постоянных значениях скорости перемещения обрабатываемой поверхности относительно ролика, равной 0,6 м/мин, и усилия прижатия ролика, равного 500 Н, оценивали изменение микротвердости поверхностного слоя в зависимости от величины плотности тока между обрабатываемой поверхностью и роликом. Показано (рисунок 11), что при увеличении плотности тока величина микротвердости возрастает и достигает максимального значения при плотности тока 400–450 А/мм2. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к снижению эффекта упрочнения.

- 12 HV0.05(I)/ HV0. 1.6 Рис. 11 - Влияние плотности тока на микротвердость 1.5 5В поверхностного слоя: HV0.05(I) – 1. показатель микротвердости 1. поверхности после ЭМО;

1.2 HV0.05 – значения исходной микротвердости 1. 100 200 300 400 500 600 J, А/мм Повышение микротвердости связано с формированием мелкокристаллической структуры. На рисунке 12, а, б представлены микрофотографии структуры упрочненного поверхностного слоя. Как следует из представленной микрофотографии, не отмечается заметной разницы в структуре упрочненного поверхностного слоя.

0,02 мм 0,02 мм а б Рис. 12 - Структура исходного металла (слева) и упрочненного поверхностного слоя сплавов 5ВЛ (а) и 5В (б) титановых сплавов после ЭМО Важным фактором влияния на структурно–фазовые превращения является величина температуры. В процессе ее повышения динамические процессы преобразования структуры могут происходить в –, + –, и – областях, а резкое высокоскоростное охлаждение может фиксировать метастабильную структуру, которая будет оказывать влияние на последующие механические свойства.

Высокодисперсная структура, получаемая в поверхностном слое сплава 5ВЛ после ЭМО приводит к снижению уровня неоднородности локальных микродеформаций по сравнению с исходной крупнозернистой структурой (рисунке 13, б).

Это связано с тем, что в структуре после ЭМО произошло измельчение кристаллитов с образованием, за счет высокоскоростного нагрева и охлаждения, высокодисперсных зерен, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа.

- 13 а) Рис. 13 – Структура упрочненного сплава 5ВЛ (а), изменение коэффициента концентрации деформаций вдоль реперной линии сплава 5ВЛ после ЭМО (б) и К б) в исходном (в). Направление растяжения - по горизонтали, L - длина реперной линии 1 a 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6. L, мм - мм К3 База 0,05 мм КК 3 База 0,05 мм Коэффициент деформации, i/ср г) в) L, мм 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6, - Меняя параметры обработки, можно получать различные структуры. На рисунке 14 представлена микрофотография структуры по толщине слоя образца после ЭМО. Показано, что структура поверхностного слоя резко отличается от структуры основы сплава. По его толщине формируется слоистая структура в виде пластинок, размер которых не превышает 3 мкм. В продольном направлении размеры элементов структуры соизмеримы с размером зерна основы.

Рис. 14 - Микрофотография поперечного шлифа с упрочненным поверхностным слоем 50 мкм Проведенные исследования показали принципиальную возможность получения поверхностного упрочненного слоя механо-термической обработкой изделий из титановых псевдо – – сплавов с сохранением исходной структуры основы.

Общие выводы 1. Установлено, что крупнокристаллической (литой) структуре сплава 5ВЛ свойственны более высокие локальные пластические деформации. Выявлены закономерности формирования локальных пластических деформаций для литейной и деформируемой структур, проявляющиеся в зарождении пор и микротрещин на границах зерен, особенно в местах стыка трех зерен. При этом максимальные значения коэффициента концентрации структурных деформаций для сплава 5ВЛ в два раза больше, чем для сплава 5В. Исчерпание локальной пластичности в зонах интенсивных - 14 деформаций приводит к снижению предельных макродеформаций в три раза.

Показано, что снижение пластичности литейного сплава может быть объяснено высокой неоднородностью участия структуры в формировании деформированного состояния, более ранним образованием повреждений типа пор и трещин и, как следствие, практически отсутствием стадии шейкообразования.

2. Предложен способ построения истинной диаграммы растяжения, приведенной к линейному напряженному состоянию на стадии шейкообразования путем прямого определения деформационно - прочностных характеристик, что позволило исключить влияние шейки на оценку механических свойств.

3. Выявлены и определены зоны чувствительности к концентрации напряжений литейных и деформированных сплавов в зависимости от коэффициента концентрации напряжений. Пониженное предельное значение коэффициента чувствительности к концентрации напряжений, оцениваемое отношением нв/в, для литейного сплава на 25% ниже, чем деформируемого, что объясняется высоким уровнем внутренних структурных локальных деформаций и, соответственно, накоплением повреждений в структуре литейного сплава.

4. Установлены закономерности накопления локальных деформаций на макроуровне по всему деформируемому объему в металле в зоне концентратора и на микроуровне в зоне вершины концентратора, а именно, в условиях полномасштабной текучести величина предельной деформации в вершине концентратора для обоих типов структур (литейная и деформированная) слабо зависит от параметров концентратора и близка к исходной предельной пластичности сплава.

Макроскопическая локальная деформация по минимальному сечению образца для обоих типов структур существенно зависит от остроты концентратора d/R.

5. Предложена экспериментально-расчетная методика, позволяющая привести истинную диаграмму деформирования образца с кольцевым концентратором к единой диаграмме деформирования гладкого образца. На основе разработанного подхода решена обратная задача учета влияния напряженного состояния как на сопротивление пластическому деформированию, так и на величину пластических деформаций.

6. Выявлено повышение микротвердости в упрочненных слоях исследуемых сплавов, снижение коэффициента концентрации структурных деформаций, объясняемое особенностями формирования микрокристаллической структуры, выявленной как металлографическими, так и рентгеноструктурными исследованиями.

Полученные положительные результаты формирования в поверхностных слоях титановых псевдо – – сплавов 5В и 5ВЛ мелкозернистой структуры эффективным методом ЭМО могут быть успешно использованы для тяжелонагруженных изделий и деталей машиностроения, имеющих концентраторы напряжений.

Полученные результаты исследования деформаций литейных титановых сплавов типа 5ВЛ в зонах концентрации использованы в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» с целью повышения прочности силовых элементов машиностроительных изделий.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

Журнальные статьи из списка ВАК:

1. Багмутов, В.П. О влиянии структуры на пластическую деформацию и разрушение деформируемого и литейного титановых псевдо--сплавов / В.П.

Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И. Горунов // Деформация и разрушение материалов. 2011. - № 12. - C. 30-34.

- 15 2. Багмутов, В.П. Закономерности сопротивления пластическим деформациям при растяжении цилиндрических образцов с кольцевым надрезом / В.П. Багмутов, В.И.

Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И. Горунов // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3 : межвуз. сб. науч.

ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - C. 105-109.

3. Багмутов, В.П. О влиянии структурного состояния и концентраторов на сопротивление разрушению цилиндрических образцов / В.П. Багмутов, В.И.

Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И. Горунов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4 : межвуз. сб. науч.

ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4. - C. 99-103.

4. Багмутов, В.П. Способ прогнозирования диаграмм деформирования цилиндрических образцов с кольцевым надрезом / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И. Горунов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 5. - C. 62-67.

5. Руцкий, Д.В. Неоднородность механических свойств в длинномерных изделиях машиностроения / Д.В. Руцкий, С.И. Жульев, К.Е. Титов, С.Б. Гаманюк, А.И.

Горунов, Ю.М. Шелухина // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2:

межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - C. 138-141.

Остальные публикации:

6. Багмутов, В.П. Изучение влияния концентрированных потоков энергии на структуру и свойства титановых псевдо-альфа-сплавов / В.П. Багмутов, В.И.

Водопьянов, И.Н. Захаров, А.И. Горунов // Влияние внешних энергетических воздействий на структуру, фазовый состав и свойства материалов : [коллективная монография] : матер. [доклады] междунар. конф. / СибГИУ, Моск. гос. индустриал. ун т, Ин-т машиноведения РАН [и др.]. - Новокузнецк, 2012. - C. 294-299. - (Серия "Фундаментальные проблемы современного материаловедения").

7. Шишмаков, А.Е. Исследование возможностей упрочнения поверхностного слоя титановых сплавов путем энергосберегающих технологий / А.Е. Шишмаков, А.С.

Кодиленко, В.И. Водопьянов, И.Н. Захаров, А.И. Горунов // Тезисы докладов смотра конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского гос. техн. ун-та, Волгоград, 15-18 мая 2012 г. / ВолгГТУ, Совет СНТО.

- Волгоград, 2012. - C. 56.

8. Водопьянов, В.И. Зависимость предельной пластичности от жесткости напряженного состояния при испытании цилиндрических образцов с кольцевым надрезом / В.И. Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И. Горунов, С.Б. Гаманюк // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV Всерос. конф., г.Камышин, 18-20 октября 2006 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. - Камышин, 2006. Т.1. - C. 66-69.

9. Водопьянов, В.И. К построению диаграммы деформирования после образования шейки / В.И. Водопьянов, О.В. Кондратьев, С.Б. Гаманюк, А.И. Горунов // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос. н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Камышин, 2008. - C. 31-33.

10. Багмутов, В.П. Закономерности разрушения при растяжении образцов с кольцевыми концентраторами / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И. Горунов // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VI - 16 всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 1 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - C. 31-33.

11. Горунов, А.И. Изучение конструкционной прочности и структуры сплава 5ВЛ с кольцевыми концентраторами напряжений / А.И. Горунов // Физико-химия и технология неорганических материалов: матер. VII российской ежегодной конф.

молодых науч. сотрудников и аспирантов, 8-11 нояб. 2010 г. / РАН, Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова. - М., 2010. - C. 127-128.

12. Горунов, А.И. Изучение конструкционной прочности сплавов, ослабленных кольцевыми концентраторами напряжений / А.И. Горунов, В.П. Багмутов, В.И.

Водопьянов //Актуальные проблемы прочности. АПП-2010 : матер. 49-й междунар.

конф., г. Киев, Украина, 14-18 июня 2010 г. / Нац. техн. ун-т Украины "КПИ" [и др.]. Киев, 2010.- С. 83.

13. Багмутов, В.П. О сопротивлении разрыву цилиндрических образцов с кольцевыми концентраторами / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И. Горунов // XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давиденкова (13-15 апреля 2010 г., Санкт Петербург) : сб. матер. Ч. 2 / Санкт-Петерб. гос. ун-т [и др.]. - СПб., 2010. - C. 201-202.

14. Багмутов, В.П. Влияние концентраторов и структуры на предельную пластичность титанового псевдо--сплава / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И.

Горунов // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов (DFMN-2011) : сб.

матер. IV междунар. конф. (Москва, 25-28 окт. 2011 г.) / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН [и др.]. - М., 2011. - C. 276-277.

15. Багмутов, В.П. К вопросу оценки предельных значений напряжений и деформаций при растяжении образца / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И. Горунов // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VII всерос. науч. практ. конф. (г. Камышин, 22–23 дек. 2010 г.). В 5 т. Т. 1 / ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - C. 12-14.

16. Горунов, А.И. Разработка методики исследования влияния жесткости напряженного состояния на конструкционную прочность / А.И. Горунов, С.Б.

Гаманюк, В.И. Водопьянов // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. науч. докл. н.-практ. конф., Москва, 25- июня 2008 г. / Моск. гос. строит. ун-т [и др.]. - М., 2008. - C. 288-289.

17. Багмутов, В.П. Влияние напряженного состояния на сопротивление деформированию титанового псевдо--сплава в различных структурных состояниях / В.П. Багмутов, В.И. Водопьянов, А.И. Горунов // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VIII всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 23- нояб. 2011 г. В 3 т. Т. 1 / КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - C. 11-14.

Патенты:

18. Пат. 2304274 РФ, МПК G 01 N 3/00. Разрывная машина / В.И. Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И. Горунов, С.Б. Гаманюк;

ВолгГТУ. - 2007.

19. Пат. 2319944 РФ, МПК G 01 N 3/00. Способ определения максимальных истинных напряжений и деформаций / В.И. Водопьянов, О.В. Кондратьев, А.И.

Горунов, С.Б. Гаманюк;

ВолгГТУ. - 2008.

- 17 Личный вклад автора.

Автором проведена оценка совместного влияния структуры и концентраторов напряжений на сопротивление деформированию и разрушению [1-6], а также предложены механизмы разрушения модельных образцов изучаемых сплавов с учетом конструктивно-технологических факторов [8-19].

По результатам исследований предложены режимы, позволяющие получить высокодисперсную структуру и максимальный уровень прочностных свойств титановых сплавов [7].

- 18 - 19 Подписано в печать 26.11.2012 г. Заказ № 738. Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.

400005, Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.