Исследование деформационной способности трубной заготовки из титанового сплава марки ПТ-1М

С целью разработки рекомендаций по особенностям технологии прессования труб из титанового сплава марки ПТ-1М и технологических режимов проводились испытания на горячую осадку образцов указанного сплава. Это позволило определить сопротивление горячей пластической деформации титанового сплава, в том числе, в зависимости от места отбора образцов и направления вырезки, и сформулировать перечень рекомендаций к технологическим особенностям прессования труб из указанного сплава.

Исследования деформационной способности титанового сплава марки ПТ-1М проводились с целью оценки однородности свойств металла по сечению заготовки и определения величины сопротивления горячей деформации с учетом температурного диапазона полного полиморфного превращения ( Т ПП ) и прироста температуры в процессе пластической деформации [1]. Для этого использовался многофункциональный исследовательский комплекс «Gleeble 3800» ФГАОУ ВО «ЮУРГУ» (НИУ) [2] с применением про-

Схема вырезки образцов и его фотографическое изображение представлены на рис. 1.

Нагрев проводился прямым пропусканием тока через образец до температуры испытания от 825 до 900 °С с шагом 25 °С, далее производилась выдержка в течение 5 мин (для уменьшения перепада температур по длине образца), после чего осуществлялась деформация со скоростями 1 и 12 с–1 до степени деформации 1,2. Температура металла контролировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары, приваренной к центральной части образца. С целью уменьшения сил трения между бойком и образцом, а также для уменьшения перепада температуры по длине образца, использовалась графитовая фольга.

Режимы проведения испытаний на осадку образцов для оценки однородности свойств металла по сечению заготовки представлены в табл. 1. Порядковые номера образцов в таблице указаны в соответствии со схемой отбора образцов, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема отбора образцов из темплетов заготовок из титанового сплава марки ПТ-1М и фотография образца с размерами

Режимы проведения испытаний на осадку образцов для определения сопротивления деформации исследуемого титанового сплава представлены в табл. 2.

• 1.    Схожий характер изменения сопротивления деформации (на диаграммах – истинное напряжение) для продольных образцов, отобранных из центра, середины и периферийной части заготовки (по сечению). При степени деформации равной 1,2 наблюдается небольшое отличие значений сопротивления деформации (10–12 МПа), причем величина сопротивления деформации возрастает от центра заготовки к ее периферии.

• 2.    На образцах, отобранных в поперечном направлении (т. е. ось образцов перпендику-

На рис. 2 представлены кривые течения сплава марки ПТ-1М с учетом указанных в табл. 1 режимов деформации.

Исходя из представленных на рис. 1 кривых течения металла образцов из сплава ПТ-1М, деформированных при скорости 12 с–1, при температуре 825 °С, можно отметить следующее:

Таблица 1

Режимы проведения испытаний для оценки однородности свойств металла по сечению заготовки

№ образца	Направление образца*	Температура, °С	Степень деформации	Скорость деформации, с–1
1.1		825	до 1,2	12,0
1.1*
3.1
3.1*
3.3 (5.1)	Illlll
5.1*

* Примечание: – образец, отобранный в продольном направлении; – образец, ото- бранный в поперечном направлении.

Таблица 2

Режимы проведения испытаний для определения сопротивления деформации

№ образца	Направление образца*	Температура, °С	Степень деформации (ε)	Скорость деформации ( U), с-1
2.1*		825	до 1,2	1,0
1.2
3.2*		850
1.3
4.1*		875
2.3
5.2*		900
1.4
2.2*		825	до 1,2	12,0
2.1
3.3*		850
2.2
4.2*		875
3.2
5.3*		900
2.4

Истинная деформация

Рис. 2. Кривые течения металла заготовки диаметром 188 мм из сплава марки ПТ-1М ( ε = 1,2; U = 1, 10 с^–1)

лярна к оси трубной заготовки), до степени деформации ∼ 0,75 так же наблюдается схожий характер изменения сопротивления деформации. При дальнейшем увеличении степени деформации наблюдается значительное расхождение значений сопротивления деформации, в частности, для образцов, отобранных из периферийной части заготовки. Это косвенно указывает на потерю устойчивости процесса осадки, в частности, на неравномерность распределения напряжений по сечению образца, что, в свою очередь, свидетельствует об анизотропии свойств материала по сечению заготовки [2–4].

Кроме того, расхождение свойств наблюдается при одинаковых параметрах деформации на образцах, отобранных от центральной части заготовки, о чем свидетельствует диаграмма, представленная на рис. 3.

Для установления природы рассматриваемых процессов проводились микроструктурные исследования материала заготовки из титанового сплава ПТ-1М. На рис. 4 представлены фотографические изображения микроструктуры образцов, отобранных от заготовки.

Анализ микроструктуры показал, что в структуре фиксируется преимущественно крупное исходное зерно. Внутри зерна фиксируются крупные α-пластины, собранные в колонии. В отдельных областях между крупными зернами наблюдается образование более мелких рекристаллизованных зерен равноосной формы.

Рис. 3. Кривые течения металла образцов, отобранных из центральной части заготовки

а)

Рис. 4. Микроструктура сплава ПТ-1М: а) ×200; б) ×100

б)

Для определения диапазона значений сопротивления деформации использовались представленные на рис. 5 кривые течения металла в интервале значений степени деформа- ции до 1,2 для образцов, отобранных в продольном и поперечном направлениях, при скоростях деформации 1 и 12 с–1.

Сопротивление деформации для после-

-200

-180

-160

Продольные 1с-1

2.1

3.2

4.1

5.2

825оС

850оС

875оС

-40

900оС

0.0       -0.2       -0.4       -0.6       -0.8       -1.0       -1.2       -1.4

Истинная деформация

Рис. 5. Кривые течения металла в интервале значений степени деформаций от 0 до 1,2 при скоростях деформации 1 и 10 с–1 образцов, отобранных в продольном и поперечном направлениях

дующего расчета технологических параметров процесса прессования труб необходимо принять исходя из прогнозируемых температур деформации. Ранее показано [5–7], что в процессе деформации металла происходит деформационный разогрев. Непрерывный контроль температуры образцов во всей серии испытаний позволяет оценить величину изменения температуры в зависимости от условий деформации. Так, на рис. 6 показано качественное изменение температуры в зависимости от величины деформации.

На рис. 7 показано изменение величины деформационного разогрева в зависимости от скорости и температуры испытаний, что важно для последующей разработки режимов горячего прессования.

Кроме того, исходя из диаграмм, приведенных на рис. 5, можно сформулировать следующие особенности деформации титанового сплава марки ПТ-1М:

• 1.    При скорости деформации 1 с^–1 наблюдается различный характер изменения сопротивления деформации для продольных и поперечных образцов, причем различие в значениях достигает 35 МПа, что свидетельствует об анизотропии пластических свойств сплава.

  

  Рис. 6. Изменение температуры в процессе деформации (825 °С, 12 с^–1)

  
  
  

  Рис. 7. Максимальное изменение температуры в процессе деформации в зависимости от условий деформации

  
  

• 2.    При скорости деформации 10 с^–1 наблюдается различный характер изменения сопротивления деформации при увеличении ее степени. Следует отметить следующую особенность: на поперечных образцах (характерно для значений температуры в диапазоне 825–875 °С) наблюдается интенсивный рост величины напряжения до степени деформации ∼ 0,35, после чего наблюдается плавное снижение величины напряжения. Иная картина наблюдается при деформировании образцов, отобранных в продольном направлении, а именно менее интенсивный рост напряжений для образцов, деформированных при темпера-

• турах 825–850 °С. Наиболее показательным является расхождение в характере изменения сопротивления деформации для образцов, деформированных при температуре 875 °С. Все вышесказанное подтверждает неоднородность пластических свойств заготовки.
3.1 3.2

Для подтверждения различия пластических свойств исследуемого материала по сечению трубной заготовки и в зависимости от направленности образцов ниже приведены фотографические изображения образцов до и после испытаний.

На рис. 8 представлены фотографии образцов из сплава марки ПТ-1М после осадки

3.3

3.4

1.1*

Рис. 8. Фотографии образцов из сплава марки ПТ-1М после осадки до степени деформации 1,2 (маркировка соответствует табл. 1 и 2)

Рис. 9. Зависимость максимального значения сопротивления деформации сплава марки ПТ-1М от температуры деформации

до степени деформации 1,2 (маркировка образцов соответствует табл. 1 и 2).

Исходя из представленных на рис. 8 фотографических изображений, можно сделать вывод, что форму, наиболее близкую к цилиндрической, имеют образцы, отобранные из центральной части заготовки, а именно «1.1*, 2.1, 3.1». Кроме того, очевиден тот факт, что все образцы, независимо от места отбора и направленности, имеют различную форму и характер разрушения.

С целью последующего расчета технологических параметров процесса прессования и разработки технологии рекомендуется [3] использовать максимальное значение сопротивления деформации материала. Для этого на рис. 9 представлены зависимости максимального значения сопротивления деформации от температуры деформации для скоростей деформации 1 и 12 с–1.

Исходя из зависимостей рис. 9, сопротивление деформации σ ⁱ _S сплава марки ПТ-1М в зависимости от температуры деформации T определяется как:

– для скорости деформации, равной 1 с–1:

^ =- 0,018 7 *² + 29,494 7 - 11929;

– для скорости деформации, равной 12 с–1:

^ =- 0,016 7 ² + 26,24 7 - 10587.

Таким образом, по результатам исследования деформационной способности трубной заготовки из сплава марки ПТ-1М, можно выделить следующее:

• 1.    Сопротивление деформации сплава и характер его изменения в зависимости от степени деформации различен, в зависимости от места отбора образцов, что говорит об асимметрии свойств [8]. Следовательно, для расчета энергосиловых параметров последующего горячего прессования рекомендуется применять максимальные значения сопротивления деформации. Заготовка из титанового сплава марки ПТ-1М имеет различные пластические свойства по сечению, что, по мнению авторов, обусловлено недостаточной проработкой (измельчением) структуры.

• 2.    При использовании исследуемой заготовки для изготовления горячепрессованных труб высока вероятность образования дефектов поверхности (особенно наружной) даже при выполнении технологической операции экспандирования заготовки.