CC BY
45
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 2 (2), с. 120-124
УДК 669.017:539.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ НАНОСТРУКТУРНОГО ДВУХФАЗНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6
© 2013 г. Е.А. Кудрявцев, С.В. Жеребцов, Г.А. Салищев
Белгородский госуниверситет
Поступила чредакцию 04.04.2013
Проведено исследование сверхпластической формовки наноструктурного листа из сплава ВТ6 в интервале температур 550-650 оС и скоростях 2*10-4-2*10-2 с-1 методом принудительной формовки. Показано, что температура и скорость формовки оказывают существенное влияние на разнотолщи-ность формованных полусфер. Определены оптимальные режимы деформации с точки зрения разно-толщинности. Исследованы механические свойства материала полусфер после сверхпластической формовки и низкотемпературного отжига.
Ключечые слоча: двухфазные титановые сплавы, Введение
Использование режимов сверхпластичности в процессах объемной штамповки, листовой формовки, диффузионной сварки и сварки давлением существенно расширяет их технологические возможности, снижает энергоемкость формоизменения, позволяет повысить коэффициенты использования металла и необрабатываемых поверхностей, качество готовой продукции. В настоящее время сверхпластическая формовка двухфазных титановых сплавов, например сплава ВТ6, проводится в температурном диапазоне 850-920оС. Между тем создание наноструктуры в этом сплаве позволяет существенно - на 250-300оС - снизить температуру сверхпластического течения [1, 2]. Этот факт представляет значительный интерес для производства деталей планера и авиадвигателя из титановых сплавов. Исследование формовки наноструктурных листов из сплава ВТ6 при столь низких температурах проводилось в работе [3]. Показана возможность осуществления формовки при температурах 600-650°С, однако в работе не приводятся данные о влиянии скорости деформации при формовке на качество формуемой заготовки. В связи с этим целью данной работы являлось изучение влияния температуры и скорости листовой формовки в условиях низкотемпературного сверхпластического течения на качество формуемых заготовок.
Материал и методика исследований
Материалом исследования являлся двухфазный титановый сплав ВТ6 в виде листов тол-
низкотемпературная сверхпластическая формовка.
щиной 400 мкм. Листы были получены изотермической ковкой заготовок сплава с последующей их изотермической прокаткой. Средний размер зерна был равен 200 нм. Моделирование формовки было произведено на примере теста Эриксона [4].
Реальный эксперимент был проведен на машине 1шйоп LS300, оснащенной 3-секционной печкой и бойками для высокотемпературных испытаний. Бойки прогревались до температуры испытания. Градиент температур в области установки оснастки составлял не более +5°С. Формообразование проводили вдавливанием пуансона в материал при равной скорости перемещения, которая составляла 0.2 мм/с, 0.02 мм/с и 0.002 мм/с. В результате были получены полусферы. Свойства листов исследовались в интервале температур 550-650°С с шагом 50°С. Перед испытанием оснастка прогревалась в печи до необходимой температуры, затем разбиралась, и в нее устанавливалась заготовка из листа, после чего она снова помещалась в печь для выравнивания температуры и прогрева в течение 30 мин. По истечении времени выдержки оснастка переносилась в предварительно нагретую камеру за время не более 10 с, где проводились испытания. Окончание теста (остановка перемещения траверсы) производилось при разрушении заготовки, что выражалось в резком снижении усилия деформирования. При низкой скорости деформации остановку проводили при снижении максимального усилия деформирования в 2 раза. По окончании формовки полученные полусферы разрезались пополам для оценки разнотолщинности. Оценку разнотолщинности проводили измерением
Рис. 1. Участки оценки толщин листа после сверхпластической формовки
СП формовка, Т=600оС
є=2х10-4 с-1
Рис. 2. Форма полусфер после формовки при Т=600°С и различных скоростях деформации
толщин в самом тонком участке и в верхней части полусферы, которые сравнивались с исходной толщиной листа. Кроме того, оценивали высоту полусферы (рис. 1).
Для определения однородности пластического течения при формовке учитывали также накопленную деформацию. Ее оценку проводили исходя из положения, что при сверхпласти-ческой формовке доля тангенциальной составляющей деформации мала, вследствие чего ею можно пренебречь. Таким образом, при СП-формовке учитывалось плоское напряженно-деформированное состояние. Исходя из постоянства объема накопленную деформацию выражались как
8 ^(^шУ^пескХ [1]
где dinit - конечная толщина деформированного листа, dneck - начальная толщина деформированного листа.
Для определения механических свойств после сверхпластической формовки были вырезаны высотные образцы из боковой части полусфер.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 представлен вид разрезанных после формовки при 600°С полусфер. Видно, что скорость формовки существенно влияет на форму полусферы. Чем больше скорость формовки, тем меньше пластичность листа, что приводит к появлению на поверхности сферы разрывов. Исследование полусфер, отформованных при 550 и 650°С показало подобную
картину при их формовке. Однако при 650°С при наибольшей скорости формовки разрывы на поверхности полусферы не были обнаружены, тогда как при 550°С разрывы на полусфере наблюдались уже при скорости 2х 10-4с-1.
Наиболее важным критерием успешности формовки является равномерность утонения листа. Оценку разнотолщинности проводили измерением толщин в самом тонком участке и в верхней части полусферы, которые сравнивались с исходной толщиной листа. Показано, что увеличение температуры деформации с 550 до 650°С сопровождается увеличением деформации до разрушения с 0.19____0.43 до 1.17..2.53,
меньшие значения соответствуют скорости деформирования 0.2 мм/с, большие 0,002 мм/с (таблица 1). При этом следует учитывать, что скорость деформации увеличивается одновременно с увеличением хода пуансона и в момент разрушения достигает величин, от 10 до 2 раз превышающих начальную скорость деформации. Установлено, что величина разнотолщин-ности листа после формовки увеличивается с увеличением глубины внедрения пуансона. При этом минимальная разнотолщинность (изменение толщины листа на 25%) была получена при внедрении пуансона в заготовку до 9 мм. Дальнейшее увеличение глубины внедрения пуансона приводило к увеличению разнотолщинности до 400%. Оптимальными режимами формовки изделия из листа, использованного в работе, обеспечивающими максимальную деформируемость с одновременной деформацией растяжением свободной от контакта области, были
Таблица 1
Параметры полусферы: высота, толщина в самом тонком участке, толщина в вершине полусферы,
максимальная степень деформации - в зависимости от температуры и скорости формовки_____________
Температура формовки, оС Скорость деформации Р, с-1 Высота полусферы, мм Исходная толщина листа, мкм Толщина в самом тонком участке, мкм Толщина в вершине полусферы, мкм Деформация ^“^(^тії^песк)
550 2х10-4 8.7 390 70 305 1.7
2х10-3 6.8 400 195 318 0.71
2х10-2 5.93 390 265 350 0.38
600 2х10-4 11.85 400 75 275 1.67
2х10-3 11 430 105 316 1.4
2х10-2 8 400 255 335 0.45
650 2х10-4 15.3 395 70 300 1.73
2х10-3 13.1 410 80 305 1.63
2х10-2 9.43 400 180 325 0.8
Таблица 2
Результаты расчета эффективности формовки при расчете _______ по выбранному критерию (уравнение (2))___________________________
Скорость деформирования, мм/с Температура
550°С 600°С 650°С
0.2 0.63 0.37 0.18
0.02 0.53 0.23 0.19
0.002 0.46 0.10 0.13
режимы формовки при 650°С и 600°С и скоростях деформирования 0.02-0.002 мм/с, что соответствует скоростям деформации 2х10"4 -2х10"3 с-1.
В таблице 1 представлены результаты выполненных измерений. Как видно, чем меньше скорость деформации, тем больше высота полусферы, и она тем больше, чем выше температура сверхпластической формовки. Величина наибольшей деформации е=1п(^тц/^песк) (отношение толщины в самом тонком участке к толщине листа) тем больше, чем меньше скорость формовки. Влияние температуры на разнотол-щинность уменьшается с повышением температуры формовки. Видно, что е при Т=650°С и скоростях 2х10-4 и 2х10-3 с-1 различаются незначительно.
Полученные результаты о формообразовании наноструктурированного титанового сплава ВТ6 позволили определить оптимальные режимы деформации с точки зрения разнотолщинности. В качестве критерия была выбрана величина, отражающая отношение общей деформации материала в зоне локализации и отдаленной от нее на 5 толщин (2 мм) листа, а также отношение минимального хода пуансона до разрушения в условиях эксперимента к величине реального хода пуассона. Таким образом, получается комплексная оценка формообразования и разнотол-щинности материала при испытании листового материала по методу Эриксона. Результаты расчета эффективности формовки по выбранному
критерию (уравнение (2)) представлены в таблице 2. Уравнение имеет вид:
Л = -^- • ^ (2)
Р И
песк п
где єпеск - деформация в зоне локализации, є5 -деформация в зоне, отделенной от зоны локализации на 5 толщин, Ишп - минимальный ход поршня в данном режиме, И - реальный ход поршня.
Анализ эффективности режимов формовки показал, что наилучшее сочетание температуры и скорости деформации, обеспечивающее минимальную разнотолщинность листа, - формовка при 600оС и начальной скорости деформации 2х10-4 с-1. Экспериментальные данные, отражающие изменение степени деформации по толщине листа, подтверждают адекватность выбранного параметра (см. таблицу 1). Деформация при 600°С и скорости деформации 2х10-4 с-1 характеризуется максимальным утонением осевой области полусферы, что указывает на вклад равномерной деформации до ее локализации. Таким образом, с использованием экспериментального моделирования показана возможность сверхпластической формовки наноструктурного титанового сплава ВТ6 при критически низких температурах деформации 550-650°С.
Весьма важной представлялась оценка влияния режимов сверхпластической формовки и отжига на пареметры структуры и механические свойства листов из наноструктурных двухфазных титановых сплавов. Для определения механических свойств после сверхпласти-
Таблица 3
Механические свойства на растяжение образцов, вырезанных из полусфер ___________(испытания при комнатной температуре, в'=2х10~4 с-1)____________
Температура деформации, оС Предел прочности оВ, МПа
Исходное состояние 1350
500 1190/1200*
550 1165/1170
600 1125/1140
650 1079/1190
* В числителе значения после сверхпластической формовки, в знаменателе после дополнительного отжига при Т=475 оС, 2 часа.
а б в
Рис. 3. Микрофотографии наноструктурного сплава ВТ6, подвергнутого сверхпластической формовке при скорости 2х10-4 с-1 и различных температурах: а) 550оС; б) 600оС; в) 650оС
ческой формовки были вырезаны высотные образцы из боковой части полусфер, изготовленные при разных температурах и оптимальной скорости сверхпластичности 2х10-4 с-1. Из-за малости образцов была проведена оценка предела прочности (таблица 3). Видно, что предел прочности существенно уменьшился (около 150 МПа) по сравнению с исходной величиной в листе. Чем выше температура испытания, тем ниже предел прочности, что, очевидно, отражает факт укрупнения микроструктуры в ходе сверхпластической формовки.
Выводы
1. Проведено исследование сверхпластиче-ской формовки наноструктурного листа из сплава ВТ6 в интервале температур 550-650оС
4 2 1
и скоростей 2х10" - 2х10" с" методом принудительной формовки. Показано, что температура и скорость формовки оказывают существенное влияние на разнотолщиность формованных полусфер. Повышение скорости и понижение температуры формовки ведет к локализации деформации и образованию разрывов на поверхности полусфер.
2. Проанализирована разнотолщинность полученных полусфер. Показано, что величина наибольшей деформации, характеризуемая отношением толщины в самом тонком участке к толщине листа, тем больше, чем меньше скорость формовки. Влияние температуры на раз-нотолщинность уменьшается с повышением температуры формовки.
3. Определены оптимальные режимы деформации с точки зрения разнотолщинности. Использование в качестве критерия величины, отражающей отношение общей деформации материала в зоне локализации и отдаленной от нее на 5 толщин листа, а также отношение минимального хода пуансона до разрушения в условиях эксперимента к величине реального хода пуассона, позволило установить, что оптимальный режим низкотемпературной сверхпласти-ческой формовки соответствует 600оС и скорости деформации 2х10-4 с-1.
4. Исследованы механические свойства материала полусфер после сверхпластической формовки. Установлено, что интенсивное укрупнение частиц фаз в ходе формовки несколько снижает прочность материала полусфер. Показано, что низкотемпературный отжиг при 475 оС в течение 2 часов приводит к повышению прочности отформованного листа.
Список литературы
1. Kaibyshev O.A. Superplasticity of alloys, interme-tallides and ceramics. Berlin: SpringerVerlag, 1992.
2. Салищев Г.А., Кудрявцев Е.А., Жеребцов С.В. Структурные изменения и механическое поведение при низкотемпературной сверхпластичности наноструктурного сплава // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия Математика, Физика. 2012. № 17. С. 236-240.
3. Lutfullin R.Y., Kruglov A.A., Safiullin R.V. et al. Processing properties of nano- and submicro-crystalline
Ti-6Al-4V titanium alloy // Materials Science and Engi- 4. Donachie M.J., Jr. Titamium: a Technical guide.
neering 2009. A . 503 P. 52-54. ASM International, USA, 2000.
INVESTIGATION OF LOW TEMPERATURE SUPERPLASTIC FORMING OF NANOSTRUCTURED TWO-PHASE TITANIUM ALLOY VT6
E.A. Kudryavtsev, S. V. Zherebtsov, G.A. Salishchev
The superplastic forming of a VT6 titanium alloy nanostructured sheet in the temperature and strain rate intervals 550--650°C and 2x10"4 - 2x10"2 s-1, respectively, has been investigated by the forced forming method. The temperature and strain rate have been shown to significantly affect the polythickness of the formed hemispheres. In polythickness terms, the optimal deformation conditions have been determined. The mechanical properties of the hemisphere material after superplastic forming and low-temperature annealing have been studied.
Keywords: two-phase titanium alloy, low-temperature superplastic forming, mechanical properties.
