CC BY
18
УДК 621.983; 539.374
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Платонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ГНПП «Сплав»)
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕКСТУРЫ КУПОЛООБРАЗНЫХ ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ
Приведены результаты экспериментальных исследований изменения текстуры куполообразных деталей из титанового сплава ПТ-3Вкт в процессе многооперационной вытяжки.
Ключевые слова: вытяжка, технологический процесс, пуансон, матрица, анизотропия, отжиг, технологические параметры.
Кристаллографическая текстура гексагональных плотноупакован-ных (ГПУ) металлов, влияющая на основные механические характеристики, такие как предел прочности ав, условный предел текучести ад 2, коэффициент нормальной анизотропии R, может определить способность анизотропии металла к пластическому формоизменению, в частности, к процессу глубокой вытяжки. Коэффициент нормальной пластической анизотропии, количественно связанный с текстурными параметрами [1, 2], может являться надежным критерием штампуемости. Обнаружено, что при деформации, когда кристаллографическая ось "с" близка к направлению растяжения, основной механизм деформации - двойникование дает небольшое упрочнение материала. При этом отношение ав / ад 2 будет
меньше, чем в случае, когда основным механизмом является скольжение. Текстура изделия также существенно влияет на важнейшие его эксплуатационные характеристики (в нашем случае сферических баков).
Текстура отштампованного сосуда с сильно развитой ориентировкой <0001> в направлении к нормали приводит к текстурному упрочнению, т.е. увеличению пределов прочности и текучести при двухосной деформации по сравнению с предсказанными теоретически [3]. Текстура, имеющая сильную наклонную базисную компоненту, будет наименее благоприятной в листе, используемом для изготовления сосудов высокого давления (с точки зрения коррозионного растрескивания под действием напряжений). В результате экспериментальных исследований [3] установлено, что текстура в изделии, испытывающем в основном напряжения в направлении кристаллографической оси "с", обусловливающая двойнико-вание, как основной механизм деформации, обнаруживает существенно меньшую стабильность. На усталостные свойства детали благоприятно
влияет повышение совершенства текстуры, что объясняется меньшей вероятностью растрескивания под циклическими нагрузками из-за меньшего числа соседних анизотропных гексагональных зерен, ориентация которых отличается на 90°.
Опыт работы с изделиями из титановых сплавов ВТ5-1, ВТ5-1кт и ВТ3-1 показал, что в условиях сложного напряженного состояния прочность сплава в конструкции может отличаться от прочности образцов. При этом в одних случаях наблюдается упрочнение, в других - разупрочнение по отношению к прочности стандартного образца. Причина данного явления заключается в наличии анизотропии механических свойств, являющейся следствием создания при обработке давлением предпочтительных ориентировок кристаллитов - текстуры. Объемная анизотропия механических свойств проявляется в условиях сложного напряженного состояния, а при одноосном растяжении она не сказывается на прочности образца. Поэтому при прогнозе прочности оболочечных конструкций, а также при разработке технологических процессов их изготовления учет анизотропии механических свойств материала является необходимым и обязательным условием. При необоснованном выборе технологических приемов и режимов изготовления в лучшем случае будут не полностью реализованы возможности материала, в худшем — прочность конструкции будет ниже расчетной величины. Кроме того, технологичность титановых полуфабрикатов в значительной мере определяется реализованной в нем величиной анизотропии механических свойств материала детали.
Таким образом, все важнейшие характеристики полусферических днищ из титановых сплавов: пределы прочности при двухосном растяжении и текучести, вязкость разрушения, усталостная прочность, сопротивление коррозионному растрескиванию имеют прямую качественную, а в некоторых случаях и установленную количественную связь с показателями результирующей текстуры отштампованного днища. Необходимо отметить, что исходная текстура титанового листа в результате пластической деформации в процессе многопереходной вытяжки претерпевает сущест-вённые изменения. Рассматривая технологический процесс как основной фактор, формирующий текстуру, а, следовательно, и основные свойства днища и зная основные закономерности формирования текстуры при вытяжке, можно с высокой степенью надежности прогнозировать как, пластичность металла при заданных условиях штамповки, так и обеспечение необходимого уровня конструкционной прочности.
Исследовали закономерность формирования текстуры при многооперационной вытяжке полусферических днищ диаметром 1176 мм из
листов титанового сплава ПТ-3Вкт толщиной ^0 = 3,5 мм методом многооперационной вытяжки с последующей калибровкой взрывом. Кристаллографическая текстура образцов, вырезаемых из различных зон по-
луфабрикатов после первого и второго переходов вытяжки и откалибро-ванного днища, изучалась рентгеновским методом с помощью анализа прямых и обратных полюсных фигур, полученных в результате съемок "на отражение . Дифрактограммы для построения полюсных фигур снимали на аппарате ДРОН-0,5 в отфильтрованном медном излучении с применением дифференциальной дискриминации. Для съемок использовали текстурную приставку ГП-2.
Особенностью метода ступенчатого набора является то, что все зоны откалиброванного днища претерпевают разнохарактерную в каждом переходе деформацию. Схема вырезки образцов и схематическое изображение характера деформации по всем зонам со средними значениями по переходам логарифмическими деформациями (89, 8р) даны на рис. 1. Замеры показали, что деформация по толщине 8^ не превышает 0,02 мм на операции и ею можно пренебречь. Так, например, участок кс в I переходе является дном штамповки, во II переходе - перетягивается из свободного участка в стенку и растягивается в стенке, в III - перетягивается из стенки в стенку с двойным перегибом через радиусный прижим и растягивается и стенку, в IV - перетягивается из стенки в стенку с двойным перегибом через радиусный прижим.
Рис. 1. Схема ступенчатого набора и деформаций по переходам
для зон изделия
55
Поскольку промежуточные разупрочняющие отжиги существенно не влияют на изменение текстуры, можно считать, что конечная текстура полуфабриката в каждой зоне будет результатом суммарного ее изменения в результате пластической деформации, претерпеваемой по переходам.
Полюсные фигуры, полученные на образцах, вырезанных из различных зон полуфабриката после первой операции, показаны на рис. 2. Здесь зона 5 - участок фланца, еще не претерпевший значительной деформации из-за гофрообразования, что и подтверждается сходством его текстуры с текстурой дна. Это текстурное состояние, описываемое наклонной компонентой с углом наклона 20° (0001) ± 20° НН-ПН (1010), из-за незначительности деформации металла дна (3 %) можно считать текстурой исходного листа. Зона 4 - деформированный участок фланца под прижимом, зона 3 - перетяжной радиус матрицы, зона 2 - цилиндрический участок штамповки, зона 1 - участок на радиусе пуансона.
Рис. 2. Полюсные фигуры 0002 из зон штамповки после I перехода
Сравнение зон 5 и 4 показывает, что действие деформаций — ед и + ер приводит к большему рассеянию и наклону базисной компоненты от
20 до 40°, а также к значительному увеличению компоненты < 1120 > (рис. 3). Можно считать, что основным механизмом деформации во фланце является двойникование по плоскости {1122} совместно с базисным скольжением.
Переход через радиусный' прижим не меняет характера текстуры, увеличивая ее совершенство и наклон плоскостей {0001} до 40°. В стенке (обл. 2) основной деформацией является растяжение (+ер). Здесь наблю-
дается увеличение наклона базисных плоскостей и ослабление базисных ориентировок по сравнению с фланцем. Интенсивность наклонной компоненты, уменьшившаяся по сравнению с исходным материалом, остается на том же уровне, что и во фланце. Растяжение же в стенке значительно увеличивает интенсивность призматической компоненты (1010). Известно [3], что скольжение по системам {1010} < 1120 > и {1011} < 1120 > при
растяжении приводит к созданию сильной < 1010 > и слабой < 1120 > ориентировок, параллельных оси растяжения.
бо° 5 60°
Рис. 3. Полюсные фигуры 0002 для внутренней (а) и внешней (б)
поверхностей из зоны ха
Таким образом, основным механизмом деформации в стенке при вытяжке является скольжение. Скольжение вызывает значительно большее, деформационное упрочнение, чем двойникование. Это косвенно подтверждает вывод, сделанный в работах [1-3], что способность к глубокой вытяжке зависит, прежде всего, от упрочнения, получаемого металлом в стенке. В зоне радиуса закругления пуансона (обл. I) текстура незначительно отличается от исходной несколько большим наклоном базисных плоскостей.
Как видно из полюсных фигур (рис. 2), характер текстуры среднего слоя исходной заготовки практически не меняется в процессе штамповки. Анализ полюсных фигур, полученных на образцах, вырезанных из различных зон откалиброванной полусферы (рис. 3 и 4), в целом подтверждает закономерность текстурообразования, определенную при штамповке I перехода. Текстура исходного листа, имеющего наклонную компоненту,
практически не отличается от текстуры зоны em, претерпевающей незначительную (5...7 %) двухосную деформацию растяжения в процессе обработки взрывом.
Рис. 4. Полюсные фигуры для внутренней (а) и внешней (б) поверхностей полусферы из зоны аb
В зоне %а обнаружена сильная призматическая компонента {1120},
слабая {10 10} и существенная неоднородность текстуры по толщине. Из
всех исследованных участков зона xa претерпела наибольшую пластическую деформацию. В первом переходе при перетяжке из фланца в стенку 80 = -0,22 и во втором - при перетяжке из стенки в стенку через двойной
радиусный прижим 80 = -0,22, причем в первом переходе эти участки испытывали интенсивное упрочняющее растяжение в стенке.
Зона ab, являющаяся радиусом пуансона первого перехода, во втором переходе перетягивается в стенку через радиусный прижим и растягивается в стенке. При этом наблюдается сильное отличие текстур наружной и внутренней части образца. Текстура внутренней части отличается от текстуры исходного листа только уменьшением интенсивности, в то время как в наружной зоне текстура подобна текстуре зоны ха. Это может быть объяснено более благоприятными условиями трения на наружной поверхности.
Текстура зоны dc и ниже не отличается от исходной, но имеет меньшую интенсивность наклонной компоненты по сравнению с исходным листом. Следовательно, характер текстуры не меняется в процессе перетяжки из стенки в стенку через двойной радиусный прижим, начиная с III во всех последующих переходах.
п
б
Выводы
1. Для многооперационной вытяжки полусфер из титанового сплава ПТ-3Вкт методом' ступенчатого набора с последующей калибровкой взрывом наиболее оптимальным является лист с исходной текстурой, имеющей небольшой наклон базисных плоскостей (наклонная компонента), описываемой как (0001)±20° НН - ПН [1010], а также интенсивность текстурных максимумов и минимальную неоднородность текстуры.
2. Для уменьшения вероятности образования микротрещин, выводящих деталь за предел допуска по толщине, следует так строить технологический процесс ступенчатого набора титановых листов, чтобы число зон, имеющих максимальное (8... 10) число знакопеременных деформаций (перегибов), было минимальным.
3. Реориентация текстурных максимумов базисных плоскостей в процессе ступенчатого набора с увеличением угла их наклона до 60° и усиление призматической компоненты приводит к текстурному упрочнению титанового листа.
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.
Список литературы
1. Яковлев С.С., Трегубов В.И. Теория и технология изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 232 с.
2. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 1998. 446 с.
3. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.
S.S. Yakovlev, V.I. Platonov, V.I. Tregubov
CHANGES OF THE STRUCTURE OF DOME-SHAPED DETAILS IN THE COURSE OF THE MULTIOPERATIONAL EXTRACT
Results of pilot studies of change of a structure of dome-shaped details from titanic alloy PT-3vkt in the course of a multioperational extract are given.
Key words: extract, technological process, punch, matrix, anisotropy, annealing, technological parameters.
Получено 18.04.12
