Стабилизирующая термообработка сплавов и ее нормативное обеспечение

Самарский государственный аэрокосмический университет

Показаны важность правильного выбора режимов стабилизирующей термической обработки авиационных сплавов и недостаточность ее нормативного обеспечения.

Стабилизирующая термическая обработка /С ТО/ сплавов обеспечивает длительное сохранение постоянства размеров детали в условиях эксплуатации. Стабильность размеров является характеристикой высокого качества инструмента , элементов силовых конструкций и изделий специального назначения . В частности , стабильность размеров деталей прецизионных систем в аэрокосмической технике гарантирует функциональные свойства узлов и обеспечивает ресурс агрегата в целом.

Оптимальные режимы СТО зависят от физико-химических свойств основы сплава, химического и фазового составов, температуры и характера среды при эксплуатации изделий, термокинетики фазовых и структурных превращений , а также величины и соотношения термических коэффициентов линейного расширения фаз в гетерогенных сплавах и композиционных материалах [1].Важное место при этом занимает первичная рекристаллизация (ПР): именно ее термокинетические особенности определяют в основном оптимальные режимы СТО сплавов . В отличие от превращений II -ого рода она может происходить во всех металлических системах после холодной деформации выше критической степени (3.. .10%) при нагревании до определенной температуры . Для повышения размерной стабильности сплавов их легируют элементами , которые способствуют росту температур начала и завершения ПР и тем самым замедляют ее кинетику . При легировании легких сплавов , в том числе и алюминиевых , такие элементы получили название антирекристаллизаторов [2].

Выбор оптимальных режимов СТО от нюдь не прост, этот вопрос довольно глубоко и неоднократно обсуждался в литературе [1]. Не потерял актуальности и к настоящему моменту [3]. Вследствие важности вопроса и большого разнообразия промышленных сплавов, применяемых в изделиях и устройствах с повышенными требованиями к размерной стабильности, существенное значение приобретает нормативное обеспечение СТО.

Статья посвящена сложившемуся к настоящему времени положению в нормативной документации по СТО сплавов .

Оптимальные режимы СТО отечественных материалов, разработанных до 1972 г., сведены в ГОСТ 17535-72 [4]. В зависимости от основы сплава и категории точности детали данным нормативом рекомендованы три разновидности обработки : отжиг рекристаллизационный , стабилизирующий отжиг и стабилизирующее старение . Варьируемые в них параметры режимов - температура нагрева и длительность изотермической выдержки . Неизменный параметр - среда , а именно : воздух . В отношении некоторых сплавов оговорены температуры обработки холодом и скорости изменения температуры в ходе СТО .

Критериями предварительного контроля СТО или прогноза уровня стабильности размеров сплавов по нормативу служат характеристики размерной стабильности сопротивления микропластической деформации, которыми являются условные пределы текучести и релаксации напряжений ползучести . Для фигурирующих в нормативе сплавов приведены значения условных пределов упругости и релаксации напряжений .

За прошедшее с момента разработки стандарта [4] время появились результаты, свидетельствующие о необходимости проведения механических испытаний не только на воздухе, но и в вакууме, что особенно важно для материалов аэрокосмической техники. Так, из результатов работ [5,6] следует, что вакуум оказывает деструктивное влияние на металлические сплавы и полимеры. Подобное влияние выражается в изменении межплоскостных расстояний кристаллических тел и росте доли аморфной фазы в полимерах. Это не может не сказаться на уровне механических свойств, т.е. на величине условных пределов упругости и релаксации напряжений, а также на самой размерной стабильности. Например, сопротивление микропла-стической деформации величиной 2,5Т0-5 в алюминиевом сплаве АМг6 составляет в нормальных условиях 150 МПа, а в вакууме - 160 МПа, т.е. на 7% больше, чем на воздухе.

Таким образом , отсутствие в рекомендациях норматива [4] вакуума как среды испытаний сплавов на характеристики размерной стабильности и проведения СТО представляется нам недостатком .

Однако неизмеримо более существенный пробел нормативного обеспечения СТО в целом заключается в отсутствии документа на метод определения условного предела релаксации напряжений , рекомендуемого нормативом [4] в качестве одного из критериев размерной стабильности . При этом , как ни парадоксально , существует и действует ныне ГОСТ 26007-83 « Методы испытания на релаксацию напряжений ».

Отсутствие норматива на метод определения условного предела релаксации напряжений если не делает вообще невозможным , то , по меньшей мере, существенно затрудняет сопоставление результатов, полученных коллективами различных исследовательских , проектных и производственных учреждений , поскольку вероятность использования ими одинаковой методики , т.е. совокупности приемов, средств, последовательности оценок , точности операций и т.п., довольно мала. А без сопоставления не будет и воспроизводимости результатов , что ставит под сомнение возможность разработки перспективных сплавов с повышенной размерной стабильностью .

Что касается определения условного предела упругости , рекомендуемого нормативом [4] в качестве другого критерия размерной стабильности, то свой норматив здесь существует. Это известный в сфере механических испытаний стандарт - ГОСТ 1497-84, который действует и ныне . Однако методу определения условного предела упругости по ГОСТу 1497-84 присуща столь низкая точность, что можно говорить лишь о качественной оценке. Причиной является многократное приложение нагрузки к одному и тому же образцу вследствие чего материал подвергается наклепу .

И, наконец, самый большой урон нормативному обеспечению СТО нанесло решение 1977 г. о продлении действия норматива [4] на неограниченный срок без изменений и дополнений. Оно создало двусмысленную ситуацию. С одной стороны для сплавов, внедренных в промышленность и разработанных до 72 г., норматив есть и действует поныне. Но с другой в него закрыт доступ материалам, разработанным более чем за четверть минувшего века, и сплавам века грядущего. Кстати сказать, к настоящему времени новых сплавов разработано уже на порядок больше, чем всех фигурирующих в [4].

Негативные последствия принятого решения помимо двусмысленности проявляются и в ином.

• 1.    Оптимальные режимы СТО новых сплавов разработчики распределяют по техническим условиям /ТУ/ разной степени доступности.

• 2.    Коллективы исследовательских институтов и производственных лабораторий, занимающиеся СТО, вынуждены проводить параллельный поиск.

• 3.    Из-за различной степени доступности ТУ по режимам СТО намечаются недоразумения с непредсказуемым исходом .

• 4.    И, наконец, без периодического пополнения новыми материалами норматив [4] постепенно становится вообще ненужным, ибо [4]- принципиально иной стандарт, нежели упомянутый ГОСТ 1497-84 по испытаниям материалов вне зависимости от даты их разработки.

Правда, и упомянутый стандарт прояв- ляет несоответствие времени не только низкой точностью оценки условного предела текучести. Кроме этого, ГОСТ 1497-84 оказался не пригоден для испытаний композиционных материалов, в частности, алюминий - бор [7] .Тем не менее, по определению макроскопических свойств металлических сплавов упомянутый норматив пока остается незыблемым.

Таким образом, как выяснилось почти через четверть века, и без того скромное на сегодня нормативное обеспечение СТО сплавов решением 1977 г. оказалось сведенным к нулю.

К чему может привести рассредоточение сведений о режимах СТО новых сплавов по узковедомственным ТУ покажем на примере алюминиевого сплава 1570, внедренного в промышленность в 1993 году. Это не упрочняемый термической обработкой деформируемый сплав, близкий по химическому составу к своему промышленному аналогу, сплаву АМгб, только дополнительно легированный скандием. Последний по сей день является лучшим антирекристаллизатором [2] алюминиевых сплавов. Химический состав сплава 1570 приведен в ТУ 1-809-42083, а уровень механических свойств дан в ТУ 1-809-615-82 и ТУ 1-809-681-82. Рекомендуемые ТУ режимы стабилизирующего отжига аналогичны таковым для сплава АМгб, фигурирующего в нормативе [4]: температура 320 0 С, изотермическая выдержка 2-4 ч, сре-да-воздух.

По указанным режимам была проведена СТО сплавов АМгб и 1570. В качестве образцов использовали катаные пластины размерами 100х100 мм и толщиной 1,5 мм. Контроль стабильности размеров осуществляли после термоциклической обработки (ТЦО) в температурном интервале от -80 до +1500С, соответствующем условиям эксплуатации деталей прецизионных систем аэрокосмических аппаратов. Вместе с тем определяли условные пределы упругости по методическим указаниям 207/514-85 и релаксации напряжений - по методуказаниям 207/534-86. Оба документа утверждены Центральным научноисследовательским институтом материалове дения (ЦНИИМВ).

Согласно полученным результатам оказалось, что вопреки более высокому уровню характеристик размерной стабильности сплава 1570 в сравнении со сплавом АМгб изменение размеров в нем после ТЦО больше. При этом в направлении прокатки листа величина изменения превзошла предел допуска для 1-ой, самой низкой категории точности [4]. Если из сплава 1570, прошедшего СТО по рекомендуемым ТУ режимам, изготовить элементы навигационной системы космического агрегата, то на 4-м - 5-м витках система лишится функциональных свойств с определенной вероятностью более неприятных последствий для агрегата в целом.

Причины столь низкой размерной стабильности сплава 1570 после СТО по рекомендуемым ТУ режимам заключается в следующем. При довольно резкой смене температур, сопровождающей ТЦО, в сплаве, рекристаллизованном после больших (около 80%) обжатий лишь частично [8], продолжаются процессы если не ПР, то, по крайней мере, возврата. Это процессы перераспределения структурных несовершенств, направленность которых вдоль вектора прокатки обусловлена сосуществованием двух ярко выраженных кристаллографических текстур деформации и рекристаллизации [9]. В сплаве АМгб ПР завершена в ходе СТО. Поэтому размерная стабильность в нем выше, чем в сплаве 1570, несмотря на пониженный по сравнению с последним уровень микромеха-нических свойств.

Высказанные соображения подтверждаются результатами СТО сплава 1570, проведенной при температуре завершения ПР , т.е. выше 320 0 С [8]. После нее изменение размера вдоль направления прокатки вследствие ТЦО не превысило допускаемого по [4] предела изменений для 3-ей , самой высокой , категории точности.

Как следует из приведенных данных , рассредоточение сведений об оптимальных режимах СТО сплавов в узковедомственных ТУ сеет путаницу, чреватую серьезными последствиями, и вызывает неоправданные затраты на повторные исследования.

Выводы

• 1.    ГОСТ 17535-72, как единственный норматив по стабилизирующей термообработке сплавов, целесообразно превратить в реально действующий документ, открыв в него доступ материалам , созданным более чем за четверть минувшего века. Вместе с тем требуется разработка отсутствующего до сих пор норматива по определению условного предела релаксации напряжений. Его основой могли бы стать методические указания 207/534-86, утвержденные ЦНИИМВ.

• 2.    Если не принимать во внимание скромных и порой сомнительных сведений об оптимальных режимах стабилизирующей обработки в ведомственных ТУ, то можно считать, что нормативное обеспечение вопроса с1977 г. фактически отсутствует.

• 3.    Отсутствие нормативного обеспечения, вызывая в назначении режимов обработки путаницу, чреватую серьезными последствиями, и обуславливая неоправданные затраты на параллельные поиски уже найденных оптимальных вариантов, тормозит развитие отечественной науки и техники.