Технологическая деформируемость титановых сплавов

В настоящее время все более широкое применение получают сплавы, в том числе и цветные, со специальными служебными свойствами. В большинстве случаев данные сплавы подвергаются горячей обработке давлением, вид и режимы которой могут также существенно влиять на физикомеханические свойства готовой продукции. Успешное использование титановых сплавов в современной технике, интенсификация процессов обработки давлением в большой степени зависит от наличия показателей их технологической деформируемости (пластичности, сопротивления деформации) во всем диапазоне термомеханических параметров реальных процессов обработки давлением.

Большинство процессов обработки металлов и сплавов давлением характеризуется сложными законами развития деформации во времени и сложной «историей нагружения». Формируемая при этом структура влияет на пластичность, сопротивление деформации и в итоге на конечные механические свойства готовой продукции.

Применение кулачковых пластометров позволяет моделировать законы развития деформации во времени, соответствующие реальным процессам ОМД.

Основной тенденцией современного машиностроения является всемерное облегчение веса деталей, использование материалов с высокой удельной прочностью. Все шире находят применение более легкие, чем сталь, металлические материалы, такие как титан, алюминий, магний. Поэтому представляется важным проведение исследования технологической деформируемости сплавов на основе титана.

Имеется несколько классификаций титановых сплавов, которые базируются на структурах в отложенном состоянии и закаленном состоянии, при этом закаленные сплавы разбиваются на две подгруппы: твердеющие при закалке, когда при закалке получают α′ - мартенситную структуру и мягкие после закалки, когда неравноосным состоянием является α′′ - фаза. Среди титановых сплавов выделяют стареющие сплавы, то есть упрочняемые за счет фазовых переходов, и термические неупрочняемые сплавы. Сплавы со структурой β-фазы, получаемой в результате закалки сложных сплавов, разделяют на термические стабильные β-сплавы; механически стабильные β-сплавы.

По назначению титановые сплавы подразделяются на конструкционные, жаростойкие, жаропрочные и сплавы с особыми свойствами.

По способам производства в промышленности различают литейные и деформируемые сплавы. По прочности все титановые сплавы можно разделить на три группы: малопрочные сплавы, сплавы средней прочности и высокопрочные тита- новые сплавы. Основным видом классификации является классификация по структуре в отожженном состоянии.

В таблице приведена температура полиморфного превращения исследованных марок титановых сплавов.

Титановые сплавы находят все более широкое применение в промышленности, в разных областях в зависимости от их химсостава.

Исследование технологической деформируемости титановых сплавов было проведено на пластометре ЧПИ – ЮУрГУ на образцах с размерами d x h = 8 x 12 мм.

Пластичность определялась по появлению первой макротрещины на образующей образца, показателем пластичности служила критическая степень деформации

^ p n 3   , hp где h0 – начальная высота цилиндрического образца; hp – высота образца в момент начала раз- рушения.

На рис. 1–4 представлены кривые показателей пластичности сплавов ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ-22 и 3М.

Как видно из рисунков показатель пластичности неоднозначно зависит от температуры для разных титановых сплавов. Для сплавов ВТ3-1 (рис. 1) и ВТ22 (рис. 3) характерно монотонное возрастание пластичности с ростом температуры деформации. Пластичность сплава 3М резко растет в температурном интервале 950…1000 °С, при дальнейшем повышении температуры рост пластичности незна-

Температура полиморфного превращения

Марка сплава	ВТ1-0	ВТ3-1	ВТ5-1	ВТ6	ВТ9	ВТ14	ВТ16	ВТ22	ОТ4	3М
Температура полиморфного превращения, °С	885– 890	960– 980	980– 1030	980– 1010	900– 980	920– 960	840– 880	840– 880	920– 960	980– 1000

Температура испытаний, °C Uc = 25...30 c"1

Рис. 2. Кривая показателя пластичности сплава ВТ5-1

Tемпература испытаний, °C Uc^25 c"1

Рис. 4. Кривая показателя пластичности сплава 3М

Рис. 5. Зависимость σ _{s c} от температуры и скорости деформации сплава ВТ3-1:

1 – U c = 3 c^–1, 2 – U c = 25 c^–1; ε 1 = 0,35

Рис. 7. Зависимость σ _{s c} от температуры и скорости деформации сплава ВТ22:

Рис. 6. Зависимость σ _{s c} от температуры и скорости деформации сплава ВТ5-1:

1 – U c =20 c^–1, 2 – U c = 2 c^–1; ε 1 =0,35

Температура испытаний, °C

Рис. 8. Зависимость σ _{s c} от температуры и скорости деформации сплава 3М: 1 – U c =20 c^–1, 2 – U c =15 c^–1; ε 1 =0,35

чительный (рис. 4). Показатель пластичности сплава ВТ5-1 имеет максимум ε _p =1,39 при температуре 1100 °С (рис. 2), в интервале температур деформации 950…1100 °С наблюдается резкий рост показателя пластичности, а в интервале 1100–1250 °С такое же резкое снижение пластичности.

Была проведена оценка влияния скорости и температуры деформации на сопротивление деформации сплавов (рис. 5–8).

Увеличение скорости деформации с 3 до 25 с–1 при σsc испытаниях образцов из сплава ВТ3-1 оказывает существенное влияние на во всем диапазоне температур испытания (рис. 5). Так, при t = 850 °С разница достигает 65 МПа, а при t = 900 °С разница еще больше и равняется 115 МПа. С повышением температуры деформации увеличение скорости деформации оказывает меньшее влияние на рост σsc . С увеличением температуры деформации σsc монотонно снижается и резких перегибов кривой не наблюдается.

С увеличением скорости деформации с 2 до 20 с^–1 при испытании сплава ВТ5-1 сопротивление деформации увеличивается на 50 МПа при t = 900 °С, на 40 МПа при t = 1000 °С и на 25 МПа при t = 1100 °С (рис. 6). Температура испытаний отказывает существенное влияние на сопротивление деформации сплава ВТ5-1, особенно в интервале температур 900…1000 °С, где σ _sc падает с 340 МПа при 900 °С до 100 МПа при 1000 °С и скорости деформации 20 с^–1. С увеличением температуры испытания ее влияние менее существенно на σ _sc , чем при низких температурах, и при t = 1100 °С σ _sc =65 МПа.

Изменение скорости деформации с 2 до 20 с^–1 при испытаниях сплава ВТ22 приводит к значительному увеличению σ _sc и эта разница возрастает с увеличением температуры деформации во всем исследованном диапазоне (рис. 7). Если при t = 750 °С и средней скорости деформации 2 с^–1 σ _sc = 340 МПа, а при U_c = 20 с^–1 σ _sc = 390 МПа, то при t = 900 °С и U_c = 2 с^–1 σ _sc = 125 МПа, а при U_c = 20 с^–1 σ _sc = 210 МПа. С увеличением температуры деформации σ _sc монотонно убывает, но с приближением к температуре 900 °С интенсивность уменьшения падает.

Влияние скорости деформации на σ _sc при испытаниях сплава 3М примерно такое же, как и на сплаве ВТ5-1 (рис. 8). При t=900 °С разница между σ _sc при U_c =1,5 с^–1 и U_c =20 с^–1 наибольшая и достигает 60 МПа, а при t = 1050 °С всего 20 МПа. Температура деформации оказывает существенное влияние на σ _sc в интервале 900…1000 °С, где сопротивление деформации уменьшается с 280 МПа до 55 МПа при U_c =20 с^–1. Затем с повышением температуры деформации σ _sc уменьшается незначительно.

Для расчета сопротивления деформации каждого сплава с целью дальнейшего использования этих данных в расчетах энергосиловых параметров и прочностных расчетах получены эмпирические зависимости в интервалах варьирования переменных: средняя скорость деформации 1…30 с–1; конечная степень деформации 0,15…0,4; температура деформации 800…1100 °С вида:

сплав ВТ3-1

σ _sc =95031 U_c 0,2128 ε ₁ 0,2195 e - 0,0071 ⋅ t ;

сплав ВТ5-1

σ _sc =1336211 U_c ^0,181

0,192    - 0,0094 ⋅ t

ε ₁ e ;

сплав ВТ22

σ _sc =9595 U_c ^0,1585

0,0037 - 0,0048 ⋅ t ε ₁ e ;

сплав 3М

σsc=28704750Uc0,0966ε10,2148e-0,0135⋅t

Полученные результаты пластометрических испытаний позволяют более достоверно производить технологические расчеты обработки давлением, выбирать рациональные температурнодеформационные и скоростные режимы обработки, как при интенсификации действующих технологий, так и при выборе новых технологических схем и оборудования.