автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методов прогнозирования механических свойств и обрабатываемости резанием деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от химического состава

На правах рукописи

ДАВЫДЕНКО Роман Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ РЕЗАНИЕМ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Специальность: 05.16.01. - «Металловедение и термическая

обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

005540054

Москва 2013 г.

005540054

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Защита диссертации состоится 19.12.2013 года в 143,) часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, З, МАТИ.

Факс: (495)417-89-78

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 19.11.2013 г.

Ученый секретарь

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Егорова Юлия Борисовна

Официальные оппоненты: - Полькин Игорь Степанович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «ВИЛС», главный научный сотрудник - Дзунович Дмитрий Анатольевич кандидат технических наук, доцент, ОАО «ВНИИНМ», главный специалист

Ведущая организация: - ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный

университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

диссертационного Совета

Скворцова С,В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. В нашей стране в 2010 году по инициативе ВИАМ, Российской академии наук и ряда других крупных научных центров была принята Технологическая платформа «Материалы и технологии металлургии», в рамках которой, в частности, предусматривается разработка технологии создания систем моделирования, расчета и проектирования высокоэффективных технологических процессов; прогнозирование оптимальных свойств и структуры; создание новых компьютерных методов диагностики и контроля материалов и конструкций.

Установление количественных связей механических и технологических свойств конструкционных материалов, в том числе и титановых сплавов, с их химическим составом является актуальной проблемой металловедения. Обшие закономерности для прочностных свойств а-, псевдо а- и а+|3-титановых сплавов в зависимости от химического состава уже в основном установлены. Однако какие-либо обоснованные общие закономерности связи других механических свойств промышленных титановых сплавов с их химическим составом до сих пор не выявлены. Вместе с тем за годы исследования титана и его сплавов накоплен большой экспериментальный, теоретический и практический материал по металловедению и термической обработке, в частности, обоснованы основные принципы легирования титановых сплавов, разработаны методы и режимы их термической обработки, установлены зависимости механических свойств от химического состава, структуры, режимов термической обработки. Кроме этого, на предприятиях, выпускающих полуфабрикаты и изделия из титановых сплавов, к настоящему времени накоплено много данных входного и выходного контроля по химическому составу и механическим свойствам. Это позволяет применить статистический подход к разработке методов прогнозирования механических и технологических свойств различных полуфабрикатов из титановых сплавов.

Все вышесказанное позволяет констатировать, что исследование статистических закономерностей механических и технологических свойств

3

промышленных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от химического состава, установление их количественной взаимосвязи и разработка на этой основе достоверных методов прогнозирования механических свойств и обрабатываемости резанием является актуальной научной и практической задачей.

Цель настоящей работы состояла в установлении статистических закономерностей влияния химического состава и структуры на механические свойства и характеристики обрабатываемости резанием различных полуфабрикатов из титановых сплавов и разработке на этой основе методов прогнозирования их механических и технологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщить и статистически проанализировать литературные данные по химическому составу, механическим свойствам, обрабатываемости резанием различных полуфабрикатов из отечественных и зарубежных титановых сплавов разных классов в отожженном состоянии.

2. Собрать и обобщить результаты промышленного контроля химического состава и механических свойств различных полуфабрикатов (слитки, прутки, поковки) из титановых сплавов, изготовленных на разных предприятиях с 1970 по 2011 гг.

3. Провести корреляционно-регрессионный анализ для исследования зависимостей механических свойств и коэффициента обрабатываемости резанием от содержания легирующих элементов, примесей, параметров структуры, а также проанализировать взаимосвязь механических свойств для различных полуфабрикатов.

4. На основе проведенных исследований разработать математические модели для прогнозирования механических свойств и обрабатываемости резанием титановых сплавов. Провести проверку предложенных моделей.

Научная новизна работы:

1. Доказана возможность использования эквивалентов по алюминию и молибдену для прогнозирования прочностных и пластических свойств различных деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов. Построены диаграммы, позволяющие оценить с вероятностью 0,95 уровни предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков диаметром 8-60 мм титановых сплавов всех классов в зависимости от эквивалентов по алюминию и молибдену.

2. Установлено, что коэффициенты регрессии, характеризующие влияние эквивалентов по алюминию и молибдену на предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение и ударную вязкость, не зависят от видов деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов. На основе проведенных исследований уточнены коэффициенты упрочнения для прочностных эквивалентов по алюминию (60+5 МПа/%*) и молибдену (50+5 МПа/%).

3. Показано, что для штампованных поковок сплава ВТЗ-1 после изотермического отжига доля вариации механических свойств, обусловленная колебаниями химического состава, составляет -40%, а влиянием типа и параметров структуры - -20%. Для количественной оценки предела прочности в уравнение регрессии введена поправка, которая зависит от типа и параметров структуры.

Практическая значимость работы:

1. Получены уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать кратковременные механические свойства отожженных прутков и поковок из титановых сплавов в зависимости от содержания легирующих элементов и примесей, выраженного через эквиваленты по алюминию и молибдену.

2. Разработана методика оценю! обрабатываемости резанием деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от

' здесь и далее указаны % по массе.

химического состава и физико-механических свойств. Методика позволяет определять режимы термической обработки и режимы резания, обеспечивающие повышение эффективности механической обработки титановых сплавов.

Результаты работы использованы ЗАО «Имплант МТ» при назначении режимов термической обработки и режимов резания при изготовлении изделий медицинского назначения, что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на 10 научно-технических конференциях, в том числе: на XXXVI - XXXIX Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2010-13), на 65-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, МГТУ МАМИ, 2009), на Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, 2011), на Международной научно-технической конференции «Автомобили и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ МАМИ, 2010), на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010» (МАТИ, 2010), на ХХХХ юбилейной Международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» (С-Петербург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 работе, в том числе в 4 ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем диссертации, ее структура. Диссертация изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 80 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литературы из 198 наименований и приложений. 6

Глава 1. Состояние вопроса.

В главе рассмотрены основные принципы легирования и существующие виды классификации титановых сплавов. Проанализированы результаты исследований по влиянию легирующих элементов на механические свойства титановых сплавов. Особенно много исследований проводилось в отраслевых институтах в 1960-80-х годах на стадии становления титановой промышленности. Основной вклад в теорию и практику легирования титановых сплавов внесли сотрудники ВИАМа (С.Г. Глазунов, В.Н. Моисеев, А.И. Хорев, Е.А. Борисова, О.П. Солонина и др.) и ИМЕТа (И.И. Корнилов с сотрудниками). Основополагающие закономерности были обобщены в монографиях В.Н. Моисеева, С.Г. Глазунова, А.И. Хорева, Б.А. Колачева, A.A. Ильина. Вместе с тем исследований по математическому прогнозированию свойств титановых сплавов опубликовано намного меньше. Большинство из них посвящено оценке уровня предела прочности от содержания легирующих элементов, прочностных эквивалентов, приведенных концентраций, параметров структуры и фазового состава. Прогнозирование относительного удлинения, поперечного сужения и других механических свойств исследовано в значительно меньшей степени и в основном в рамках сплавов одной системы легирования. В главе дана общая характеристика обрабатываемости резанием и рассмотрены существующие способы повышения эффективности механической обработки отечественных и зарубежных титановых сплавов. На основе анализа опубликованной литературы поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

Глава 2. Объекты и методика исследований.

Исходными данными для исследований послужили результаты экспериментов, опубликованные в различных литературных источниках, данные промышленного контроля и результаты собственных исследований.

Из данных, приведенных в литературных источниках, в качестве объектов исследований были выбраны отожженные катаные и кованые прутки

диаметром 8-60 мм и листы толщиной 1,5-8,0 мм 174 промышленных и модельных отечественных и зарубежных титановых сплавов.

Объектами исследования также послужили полуфабрикаты, изготовленные на различных предприятиях с 1970 по 2011 гг.: слитки и кованые прутки сечением 14x14 мм из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, Grade 2, Grade 4, ВТ5, ВТ5-1, СТ6, ЗМ, ПТ-7М, ОТ4-1, ОТ4-1В, ОТ4-0, ОТ4, ВТ6, Grade 5, Grade 23, ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ25У (3900 слитков, 5874 образцов для механических испытаний); кованые прутки диаметром 60-90 мм сплавов ВТ5-1, Grade 5, ВТ23 (100 образцов); прессованные прутки диаметром 14-40 мм из сплавов ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6, ВТЗ-1 (204 образца); штампованные поковки из сплавов ВТЗ-1 и ВТ6 (15 типоразмеров, 500 образцов). Все исследованные полуфабрикаты были подвергнуты отжигу по стандартным режимам в соответствии с инструкцией ВИАМ №685-76. От каждого прутка или поковки испытывали 2-5 ударных и разрывных образцов. Механические испытания проводили в соответствии с ГОСТ 1497-61, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, ASTM Е 8. По результатам механических испытаний определяли: временное сопротивление разрыву ов, условный предел текучести Сод, относительное удлинение 5, поперечное сужение V)/, ударную вязкость KCU. Металлографические исследования проводили в соответствии с инструкцией ВИАМ №1054-78. Коэффициент обрабатываемости резанием kv оценивали, как скорость резания для данного материала по отношению к скорости резания при точении стали 45 (при постоянной стойкости резца 60 мин).

Для всех слитков и полуфабрикатов каждого сплава были рассчитаны структурные и прочностные эквиваленты по алюминию и молибдену по формулам:

[Al£; = % А1 + %Sn/3 + %Zr/6 +10 [%о + %C + 2%N\

[Mo\Z = %Мо + %Nb/3,3 + %:W/2 + %V/l ,4 + %Cr/0,6++%Mn/0,6 + %Fe/0,4 + %Ni/0,8;

[Al£ = %Al + %Sn/2 + %Zr/3 + 3,3 %Si + 20 %0 + 33 %N +12 %C,

[MolL = %Мо + %V/1,7 + %Mn + %W + %Cr/0,8 + %Fe/0,7 + %Nb/3,3 + %Cu/3,6 + %Ni/l,4.

Статистический анализ проводили с помощью пакета прикладных программ «Stadia 7». В работе была проведена статистическая обработка результатов промышленного контроля. Для каждого фактора был определен размах, выборочное среднее, доверительный интервал среднего с надежностью 0,95, дисперсия, стандартное отклонение, ширина «трех-сигмового» интервала, коэффициент вариации. Были построены гистограммы, проведена проверка нормальности распределения. Анализ соответствия химического состава и механических свойств полуфабрикатов требованиям нормативной документации, а также статистическую оценку их стабильности, проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 50779 и требованиями руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04-2010 «Оценка качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их производства».

Для исследования зависимостей механических свойств и обрабатываемости резанием титановых сплавов от различных факторов проводили корреляционно-регрессионный анализ. Для оценки силы статистической связи между исследуемыми факторами были рассчитаны коэффициенты парной и множественной (линейной и нелинейной) корреляции R. Проверку значимости коэффициентов корреляции и регрессии, адекватности регрессионной модели осуществляли с надежностью 0,95 несколькими способами: с помощью коэффициента детерминации R2, критериев Фишера и Стьюдента.

Глава 3. Статистическое исследование химического состава и механических свойств слитков и деформируемых полуфабрикатов титановых сплавов

В главе представлены результаты статистического анализа

химического состава и механических свойств титановых сплавов для различных массивов литературных, экспериментальных и промышленных данных.

На основе анализа литературных данных проведено статистическое исследование зависимости прочностных и пластических свойств отожженных прутков 0 8-60 мм от эквивалентов по алюминию и молибдену для отечественных и зарубежных титановых сплавов разных классов. С повышением структурного и прочностного эквивалентов по алюминию [а/}"1' и [А1\1а предел прочности повышается, а относительное удлинение снижается для всех классов исследованных сплавов. В зависимости от структурного эквивалента по молибдену предел прочности сначала повышается, достигает максимума при [Мо]2 =8-12%, а затем снижается. На регрессионных зависимостях ^-[мо]™', 5 -[Мп\2> таким образом, можно выделить 3 участка:

1) в интервале [мо\2 =0-8% (а-; псевдо а-; а+Р-сплавы):

а ,¡=390 +65[А1] +42 [Мо] ; 11=0,94, Я2=0,88.5"=35 МПа;

5=28 -1,8 [А1] ^ -0,8[Мо] ^ + 0,035([Мо] )2; 11=0,86,112=0,74, Б=2,2%

2) в интервале [мо]^ =8-12% (а+р-сплавы переходного класса):

ав=800 +50[А1КГ: при 11=0,89, Я2=0.8, Б=59 МПа 5=22-1,33[А1]Г при Я=0,85, 112=0,74, 5=2,8 %;

3) в интервале [ш>\2 = 12-33% (псевдо Р-; Р-сплавы):

ав=1100+46[А1] -24[Мо] Т +0,4([Мо] '"1 1^=0,63, К2=0,4, Б=67МПа;

5=21,4 -1,32[А1] ^ +0,025[Мо] ; Я=0,53, К2=0,28, 8=4,4%.

На основе обобщения массивов литературных данных для титановых сплавов всех классов (а, псевдо а, а+р, псевдо Р, р) были построены диаграммы в координатах «ав-[;Ио]™"» и «8- [д/о]™?» при разных значениях [д/К, которые позволяют оценить с вероятностью 0,95 уровни предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков (рис. 1).

На следующем этапе было проведено статистическое исследование результатов промышленного контроля слитков, кованых и прессованных

' 5 — статистическая ошибка модели. 10

прутков а-, псевдо а-, а+Р-сплавов, штампованных поковок из а+(3-сплавов ВТЗ-1 и ВТ6, изготовленных на различных предприятиях. ов, МПа

Рис. 1. Прочностная диаграмма в координатах «\Mo\2 - а„» при разных значениях структурного эквивалента по алюминию [а/]Г«' ; цифры соответствуют сплавам: 1 -ВТ5-1; 2-ВТ20; 3-ВТ18У; 4-ВТ41; 5 -ВТ6; 6-ВТЗ-1; 7 -ВТ23; 8 - ВТІ6; 9 - ВТ22; 10 - ВТ23; 11 - ВТ19; 12 - ВТ15; 13 -4201; 14 - 4206 (отожженные прутки диаметром 8-60 мм).

С 1970-х по 2011 г. произошло значимое изменение содержания алюминия и примесей внедрения. В 2000-2011 гг. сузился диапазон значений содержания алюминия, и повысилась однородность слитков по сравнению с 1970-ми гг., при этом практически для всех исследованных сплавов диапазон значений и «трех-сигмовый» интервал для алюминия сдвинулся к верхнему пределу поля допуска.

Среднее содержание кислорода и азота снизилось почти в два раза: с 0,11 до 0,06 % и 0,02 до 0,01 % соответственно (рис.2, а). Это в свою очередь привело к снижению прочностных эквивалентов сплавов (рис.2, б). Если для слитков, выплавленных в 1970-х гг., среднее содержание примесей внедрения, эквивалентное алюминию, составляло [А1]™''~1,9% и [А1] -2,9%, то в 200911 г. эти же характеристики равны ГА1]™/'~1,1 и [А1]^0~1,9%. Это, прежде

всего, связано с повышением чистоты титановой губки из-за уменьшения содержания примесей и внедрением в производство нового более эффективного вакуумного оборудования.

Прочностные и пластические характеристики кованых и прессованных прутков могут изменяться в довольно широких пределах, как для конкретной плавки, так и в пределах партии слитков сплава. В пределах партии полуфабрикатов одного сплава размах предела прочности и условного предела текучести составляет 40-200 МПа. Стандартное отклонение соответствует 1550 МПа. Более высокий разброс значений имеют пластические свойства. Для большинства сплавов минимальные значения относительного удлинения и поперечного сужения меньше максимального в 1,5-2 раза. Сцр.,% Эквив, %

123 Л 2 3 123 1 2 3 123 12 3 123 123 123 123 123

а б

Рис. 2. Среднее содержание примесей (а) и их эквиваленты по алюминию и молибдену (б) в слитках титановых сплавов в 1970-х (1), 2000-х (2), 2009-11 г. (3)

Сравнение механических свойств кованых прутков, изготовленных по одной технологии, показало, что в 2000-х гг. временное сопротивление разрыву уменьшилось в среднем на 30-80 МПа (в зависимости от марки сплава) по сравнению с 1970-ми гг., при этом значения относительного удлинения и ударной вязкости повысились. Это может быть обусловлено снижением содержания примесей в слитках титановых сплавов.

В работе был проведен корреляционно-регрессионный анализ зависимости механических свойств кованых и прессованных прутков диаметром 14-90 мм от содержания легирующих элементов и примесей, 12

структурных и прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену, а также исследованы взаимосвязи механических свойств для частных и обобщенных выборок. В табл. 1 для примера представлена часть корреляционной матрицы для обобщенной партии кованых прутков сечением 14x14 мм 1970-75 и 19992003 гг. Полученные данные показывают, что между всеми факторами наблюдаются значимые корреляционные связи: коэффициенты корреляции (по модулю) равны 0,52-0,99. Необходимо отметить, данные 1970-х и 2000-х гг. практически совпадают. С увеличением структурных и прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену наблюдается повышение временного сопротивления разрыву и условного предела текучести, при этом пластические характеристики снижаются.

Таблица 1

Корреляционная матрица*__

Факторы о„ Ом** 5 кси

СТв 1

Оо,2 0.99 1

5 -0.91 -0,92 -0,92 1

V -0.84 --0,83 -0,78 0.84 0,85 1

кси -0.87 -0.88 -0,61 0.81 0,79 0.83 0,78 1

0.93 0,92 0,96 -0.90 -0,83 -0.81 -0,78 -0.81 -0,77

\Mo\Z 0.78 0.82 0.84 -0.67 -0.65 -0.52 -0.61 -0.54 -0,58

0.95 0.95 0,98 -0,93 -0,88 -0.84 -0,79 -0.89 -0.91

[мо\:. 0.79 0.83 0,88 -0.73 -0.71 -0.58 -0.66 -0.56 -0,62

Примечание: * в числителе - 1999-2003 гг., в знаменателе - 1970-75 гг.; ** - данных за 197075 гг. нет.

На следующем этапе объектами исследования послужили

штампованные поковки сплавов ВТЗ-1 и ВТ6. Как и для прутков, прочностные и пластические свойства поковок могут изменяться в довольно широких пределах. Колебания механических свойств могут существенно зависеть от химического состава и структуры, во многом определяемой конкретной

технологией штамповки, габаритами поковок и режимами термической обработки. Поэтому для исключения этих факторов было исследовано влияние структуры и химического состава на механические свойства образцов, вырезанных в продольном направлении из поковок одного типоразмера сплава ВТЗ-1 (табл. 2).

Таблица 2

Статистические характеристики эквивалентов и механических свойств поковок из сплава ВТЗ-1 (продольное направление, 92 образца, 2005-10 гт.)

Статистические характеристики [ai % [мо ЇЗ % [а: % [мо £ % ав. МПа 6, % V. % KCU. МДж м"

Диапазон по нормативной документации - - - - 9501200 >10 >25 >0.3

Диапазон значений по факту 7,6-8,3 5,4-6,5 9,7-10,8 4,5-5,3 10241116 12,822,4 27.149,0 0,310.68

Выборочное среднее 7,9 6,0 10,1 4,9 1068 17,6 38,1 0,43

Стандартное отклонение 0,28 0,42 0,40 0,32 22,1 2,1 4,1 0,07

Коэффициент вариации, % 3,6 7,0 3,9 6,5 2,0 11,9 10,7 16,2

Металлографический анализ показал, что исследованные поковки имели структуры I, П, III и V типов в соответствии с типовой шкалой структур сплава ВТЗ-1 (табл. 3). При этом 75% образцов имели равноосную структуру, из них 30 % относится к типу I (равноосная с почти глобулярными а-зернами 2-6 подтипов), 45% - к типу П (равноосная с несколько вытянутыми а-зернами 1-6 подтипов). При переходе от 1 к 6 подтипу наблюдается увеличение размеров структурных составляющих. 17 % образцов имели смешанную структуру Ш типа (преимущественно 4 и 5 подтипов). Структура V типа (2-го подтипа) встречалась у 8% образцов. Механические свойства поковок с разным типом структуры приведены в табл. 3. При переходе от структуры I типа к V типу (т.е. от равноосной к смешанной и далее к пластинчатой) наблюдается снижение предела прочности в среднем приблизительно на 20 МПа:

<7о = 235+(61 ± 5)■ [А/]1 + (50± 5)• [Mot." 5,1 Т - 6,2Я,

где Т - тип структуры, П - подтип структуры. 14

Таблица 3

Механические свойства образцов сплава ВТЗ-1 с разным типом структуры

Тип ав.МПа 5,% V, % кси, МДж/м2 |

структуры Т (доля образцов, %) диапазон среднее* диапазон среднее* диапазон среднее* диапазон среднее*

I (30 %) 1047- 1077 14,8- 17.8 27.1- 38,7 0,31- 0,49

111111 1116 ±9.5 22,0 ±0,7 45.2 ±1.5 0,68 ±0,04

П (45%) 0,41 ±0,02

ЩШЖ 1029- 1066 12,8- 17,2 27,1- 39.7 0,31-

1105 ±8,7 22,4 ±0,8 48,2 ±1,4 0,60

111(17%)

шштт ршй! 1024- 1060 14.0- 18,5 36,0- 43.2 0,36- 0,40

1100 ±9.3 21,2 ±1,2 49,0 ±1,9 0,53 ±0,04

1024- 1054 14,0- 16,7 27,1- 38,0 0.33- 0,40

1094 ±8,8 19,2 ±1,3 44,8 ±1,6 0.48 ±0,05

Примечание: * - указан доверительный интервал с надежностью 0,95.

Полученные результаты (табл. 4) показывают, что для 92 образцов доля вариации предела прочности, обусловленная влиянием химического состава, составляет около 40%, влиянием структуры - 20 %. Остальная доля вариации может быть обусловлена факторами, которые сложно учесть. Для 87 образцов с I, II и III типом структуры было оценено влияние химического состава, подтипа структуры и размеров а-зерна на механические свойства (табл. 4).

Доля вариации предела прочности из-за колебаний химического состава составляет около 60 %, а из-за изменения размеров структурных составляющих - 15-20 %. Зависимость предела прочности от толщины а-зерен аи для структур I и II типа имеет вид:

■ -1/2 О-,=О-0 + 133-Аа ,

где СТо=1015±10 МПа (I тип) и 1000+10 МПА (II тип). Статистические характеристики модели: Я=0,65, Я2=0,43, Б=17 МПа.

Таблица 4

Результаты корреляционного анализа зависимости предела прочности от типа структуры, параметров структуры и эквивалентов по алюминию и молибдену

для поковок одного типоразме ра из сплава ВТЗ-1

Статистическая партия Факторы Коэффициент корреляции Доля вариации, %

92 образца; 1-У типы структур U/t; [MO]Z, 0,62 38

тип и подтип структуры 0,47 22

27 образцов; 1 тип структуры подтип структуры, толщина а-зерен 0,45 20

43 образца; II тип структуры подтип структуры, толщина и длина а-зерен 0,42 18

[А/]1; [Mot 0,77 59

17 образцов; Ш тип структуры подтип структуры 0,37 15

Зависимость предела прочности поковок сплава ВТЗ-1 от толшины аа и длины 1а а-зерна для структуры II типа имеет вид:

ств =С70 +5&-аа~и2 +30-1а~У2, где свободный член а0 определяется по соотношению:

ст„ =(235±5)+(59±4,8)-[л/£ +(47±3,7)-[м0Е,МЯа. Статистические характеристики модели: 11=0,76, Я =0,58, Б=15 МПа.

В работе было проведено сравнение различных линейных и нелинейных регрессионных моделей, полученных для исследованных видов полуфабрикатов. Зависимости механических свойств от содержания легирующих элементов и примесей для разных статистических массивов отличаются друг от друга. Это может быть связано с недостаточным представительством выборки для получения значимых коэффициентов регрессии в случае линейных и, тем более, нелинейных моделей. Если учитывать влияние каждого элемента (10-15 легирующих компонентов и примесей) и их парные линейные и нелинейные взаимодействия, необходимо найти ~103-104 коэффициентов, что осуществить довольно сложно, а для практических задач нецелесообразно.

Вместе с тем при сравнении моделей, содержащих эквиваленты по алюминию и молибдену и полученных для различных видов полуфабрикатов, было установлено, что эти интегральные характеристики обладают большей статистической устойчивостью, при этом корреляционная связь механических свойств с прочностными эквивалентами более сильная по сравнению со структурными эквивалентами. Коэффициенты регрессии, характеризующие влияние эквивалентов по алюминию и молибдену, для различных массивов приблизительно одинаковы. На основе обобщения результатов проведенных исследований были уточнены коэффициенты упрочнения для прочностных эквивалентов по алюминию (60±5 МПа/% м.) и молибдену (50+5 МПа/% м), а также подтверждена их достоверность и надежность:

егГ = ^+(60±5)[А1]:„+(50±5)[Мо}:„. (1)

Полученная модель имеет очень высокие статистические характеристики: коэффициент корреляции 0,97, коэффициент детерминации 0,94. Увеличение прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену на 1% приводит к повышению прочности прутков а-, псевдо а-, а+(3-сплавов в среднем на 55-65 МПа и на 45-55 МПа в соответствии с (1). При этом относительное удлинение снижается на 1,0-2,0 % и 0,5-1,0 %, поперечное сужение - на 2,0-3,0 % и 0,3-0,7 %, ударная вязкость - на 0,09-0,12 и 0,08-0,11 МДж/м2.

Свободные члены о(, моделей для предела прочности различных промышленных полуфабрикатов лежат в интервале 300-400 МПа и зависят от содержания неучтенных примесей, количества легирующих элементов в сплаве и их взаимодействия между собой, параметров структуры, конкретного фазового состава и т.п., так что в0 можно представить в виде: ст0 = ка ■ 235, где к„ - эмпирический (поправочный) коэффициент, который зависит от типа полуфабриката и конкретной технологии его изготовления, и может быть определен на основе данных статистического контроля.

При исследовании взаимосвязей механических свойств различных полуфабрикатов было обнаружено, что более высокие коэффициенты корреляции наблюдаются для ae-Ö, ав-ц/, ae-KC\J, сс-п02 по сравнению с другими парными взаимодействиями. Несвободные члены уравнений (коэффициенты регрессии) практически совпадают для различных моделей и статистических массивов, так что в интервале а,¡=600-1200 МПа, в котором находятся значения предела прочности прутков большинства промышленных сплавов, обобщенные линейные зависимости имеют вид:

ö= (35+1,0)-(0,022+0,001 )сгв, ц/= (77±3,0)-(0,04±0,003)<тв, АГСг/=(2,3+0,5) -(0,0016+0,0005)о"в.

В более широком интервале 0^=350-1500 МПа наилучшее соответствие с фактическими значениями дают нелинейные модели aa-S, сгв-у/, ae-KCU (рис. 3). Конкретный вид и разброс значений 5, у, KCU в пределах общей зависимости определяются значением свободного члена, который зависит от марки сплава, вида полуфабриката и режима отжига.

8, %

\

.....-

..... ' т в ^^ -------

1

400 800 1200 ов,МПа

Рис. 3. Регрессионная зависимость относительного удлинения от предела прочности отожженных прутков 14-90 мм а-, псевдо а- и а+р-титановых сплавов:

¿=(84,5±3,5)-(0,19+0,012)ств+(1,74±0Д4)-10"Ч2-(5,6+0,5)-10"Ч3; #=0,87, Л2=0,75, 5=3,1%.

Глава 4. Статистический анализ связи физико-механических свойств и обрабатываемости резанием отечественных и зарубежных титановых сплавов с их химическим составом

В главе приведены результаты исследования корреляционных связей коэффициента обрабатываемости резанием кк с эквивалентами по алюминию и молибдену и физико-механическими свойствами титановых сплавов после отжига. Коэффициент обрабатываемости к,. понижается с увеличением предела прочности, модуля упругости, эквивалентов по алюминию и молибдену и с уменьшением относительного удлинения, коэффициента теплопроводности Я (табл. 5).

Таблица 5

Результаты регрессионного анализа зависимости коэффициента обрабатываемости резанием титановых сплавов от различных факторов

факторе

1

Регрессионная модель

кг = -0,11 + 0,04 3 - 5,7 • 10"4 • 82

0,87

0.76

0,05

к, = 0,99 - 8,54 • 10"4 ав +1,03 • ИГ7 <т„2 - 0,015 А + 0,0021Л2 +2,12-10~5(Т -Л

0.96

0,92

0,04

к, =0,7-0,ЩА1]"?, +],9-10~4([Л/О2 -0,04[Мо]^ +0,001([Мо]^)2

0,97

0.94

0,03

кг = 0,6- 0,042[Мо]^ + 6,9 • 10"4([Мо]^')2 + 0,0238[ДЩ -0,0144([Л/]™^)2 ++5,259 •10~6([Мо]^>)3 + 9,4-10~4([А/]'™^ )' +о,о235[моїм::

0,98

0,96

0,03

Обрабатываемость резанием а+Р- и псевдо Р-титановых сплавов существенно зависит от фазового состава и структуры, так что ее можно регулировать с помощью термической обработки. После закалки из а+р-области с критических температур скорость резания а+Р-титановых сплавов (например, ВТ6, ВТ23, ВТ14, ВТЗ-1) можно повысить в 1,2-1,5 раза по сравнению с отожженным состоянием: к\""=( 1,2+1,5)к101Ж. После закалки+старения титановые сплавы обладают наиболее низкими характеристиками обрабатываемости резанием: ку""с+с7"=(0,6+0,7)кч,зак =(0,7+0,8)к/™. На основе проведенного анализа была уточнена классификация

отечественных и зарубежных деформируемых титановых сплавов по обрабатываемости резанием в отожженном состоянии.

Глава 5. Области практического применения результатов работы

Проведенные исследования выявили значимые (с надежностью 0,95) статистические зависимости между механическими свойствами полуфабрикатов и эквивалентами по алюминию и молибдену. Полученные в ходе анализа коэффициенты корреляции и детерминации (>0,9) свидетельствуют о том, что доля вариации механических свойств более чем на 90% определяется влиянием химического состава. Статистические ошибки прогнозирования связаны, прежде всего, с разбросом механических свойств конкретных полуфабрикатов, которые, в свою очередь, могут быть обусловлены колебаниями химического состава в объеме каждого слитка (или деформированного полуфабриката) и в пределах марки сплава; фазовым составом и структурой, сформировавшимися в процессе обработки давлением и термической обработки; конкретными методиками и ошибками химического анализа и механических испытаний, а также другими случайными факторами, которые сложно учесть. В работе было проведено сравнение данных статистического контроля химического состава и механических свойств полуфабрикатов из титановых сплавов, изготовленных на различных предприятиях: СМК, СТК, СМПП, В ИЛ С. ВСМПО, Криворожский турбинный завод «Восход», «Ижорские заводы». На основе проведенных исследований были статистически обоснованы уравнения регрессии, которые позволяют осуществлять экспресс-оценку и прогнозирование вероятностных значений кратковременных механических свойств деформированных полуфабрикатов с ошибками, определяемыми современным технологическим уровнем производства. Получены модели, позволяющие прогнозировать коэффициент обрабатываемости резанием титановых сплавов в зависимости от химического состава, физико-механических свойств, режимов термической обработки. В работе была проведена проверка предложенных моделей, 20

которая показала хорошее соответствие расчетных и реальных значений механических свойств исследованных полуфабрикатов из титановых сплавов.

Результаты работы использованы ЗАО «Имплант МТ» при назначении режимов термической обработки и резания при изготовлении изделий медицинского назначения, что подтверждено соответствующим актом.

Результаты работы можно использовать при разработке новых титановых сплавов; для обоснования возможности замены дорогих или токсичных легирующих элементов эквивалентными количествами более дешевых или нетоксичных элементов в традиционных титановых сплавах и сплавах медицинского назначения; при обосновании выбора сплавов для конкретного назначения и сплавов-дублеров для ремонта изделий; для прогнозирования вероятностных значений расчетных характеристик механических свойств при проектировании новых изделий.

Основные выводы по работе:

1. Обоснованы принципы прогнозирования прочностных и пластических свойств деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов на основе представлений об эквивалентах по алюминию и молибдену. Построены диаграммы, позволяющие оценить с вероятностью 0,95 уровни предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков диаметром 8-60 мм титановых сплавов всех классов в зависимости от структурных эквивалентов по алюминию и молибдену.

2. Установлены средние значения и разброс содержания легирующих элементов, примесей, эквивалентов по алюминию и молибдену, механических свойств слитков, кованых и прессованных прутков различных титановых сплавов, штампованных поковок сплавов ВТЗ-1 и ВТ6, изготовленных на различных предприятиях с 1970 по 2011 гг.

3. Показано, что среднее содержание кислорода и азота снизилось почти в два раза с 1970-х гг. по 2011 г.: с 0,11 до 0,06 %м. и 0,02 до 0,01 % м. соответственно. Это в свою очередь привело к снижению прочностных свойств полуфабрикатов на 30-80 МПа.

4. Установлено, что коэффициенты, характеризующие влияние эквивалентов по алюминию и молибдену на предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение и ударную вязкость, не зависят от видов деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов в отожженном состоянии. На основе проведенных исследований уточнены коэффициенты упрочнения для прочностных эквивалентов по алюминию (60+5 МПа/%) и молибдену (50+5 МПа/%)

5. Статистически обоснованы количественные взаимосвязи механических свойств деформированных полуфабрикатов а-, псевдо а-, си-(3-сплавов после отжига: установлено, что в интервале 600-1200 МПа повышение предела прочности на 100 МПа сопровождается снижением относительного удлинения в среднем на 2,0-2,5%, поперечного сужения - 3,0-5,0 %, ударной вязкости - 0,15-0,20 МДж/м2.

6. Показано, что для штампованных поковок сплава ВТЗ-1 после изотермического отжига доля вариации механических свойств, обусловленная колебаниями химического состава, составляет -40%, а влиянием типа и параметров структуры - -20%. Для количественной оценки предела прочности в уравнение регрессии введена поправка, которая зависит от типа и параметров структуры.

7. На основе корреляционно-регрессионного анализа получены модели, позволяющие прогнозировать коэффициент обрабатываемости резанием титановых сплавов в зависимости от химического состава, физико-механических свойств, режимов термической обработки.

8. В работе показана принципиальная возможность прогнозирования вероятностных значений (с надежностью 0,95) механических свойств деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов на основе данных промышленного контроля с ошибками, определяемыми современным уровнем развития производства.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

Статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК

1. Егорова, Ю.Б. Корреляция относительного удлинения титановых сплавов с их химическим составом / Ю.Б. Егорова, P.A. Давыденко И Материаловедение. - 2012. - № 9. - С. 26-31.

2. Егорова, Ю.Б. Способы повышения эффективности механической обработки титана и его сплавов / Ю.Б. Егорова, C.B. Скворцова, P.A. Давыденко, Н.Г. Митропольская // Материаловедение. - 2012. - № 7. - С.8-12.

3. Егорова, Ю.Б. Титан и титановые сплавы в автомобилестроении / JI.B. Давыденко, С.Б. Белова, P.A. Давыденко // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 10. - С. 41-43.

4. Егорова, Ю.Б. Связь физико-механических свойств и обрабатываемости резанием отечественных титановых сплавов с их химическим составом / Ю.Б. Егорова, E.H. Егоров, P.A. Давыденко // Автомобильная промышленность. - 2011. - № 12. - С. 30-33.

Публикации в научных журналах и изданиях

5. Егорова, Ю.Б. Классификация деформируемых титановых сплавов по обрабатываемости резанием / Ю.Б. Егорова, JI.B. Давыденко, И.М. Мамонов, P.A. Давыденко // Научные труды МАТИ. - 2010. - вып. 17 (89). - С. 29-34.

6. Егорова, Ю.Б. Оценка физико-механических свойств титановых сплавов на основе эквивалентов по алюминию и молибдену / Ю.Б. Егорова, P.A. Давыденко, Е.В. Чибисова // Новые материалы и технологии. - НМТ-2010. Материалы Всеросс. научно-техн.конференции, Москва, 16-18.11.2010. -2010. т.1. - С 64-65.

7. Егорова, Ю.Б. Оценка однородности химического состава слитков титановых сплавов / Ю.Б. Егорова, Ф.С. Мамонова, P.A. Давыденко // Научные труды. - 2011. - Вып. 18 (90). - С. 24-31.

8. Егорова, Ю.Б. Сравнение химического состава и механических свойств слитков титановых сплавов, выплавленных в период с 1970 по 2011 годы / Ю.Б. Егорова, И.М. Мамонов, P.A. Давыденко // Труды МАТИ (Вестник МАТИ) - 2013. - Вып. 20 (92). - С. 4-10.

Подписано в печать 17.11.2013г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №17721 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 ] 07023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр. 12 (495) 542-7389 www.chertez.ru