CC BY
57
УДК 621.7. 539.3
А.Г. Ермаченко*, Р.А. Васин**, Ф.У. Еникеев*
^Институт проблем сверхпластичности металлов РАН ** Институт механики МГУ
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАНКА ДАННЫХ О СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ
Abstract
The problem of producing the articles with heightened reliability is discussed on example of manufacturing the elements of mass production from titanium alloys The efficiency of the technologies of pressing for metals based on the phenomena of superplasticit\> is pointed out. The general procedure for application of data banks «Initial structure of material - thermomechanical treatment - final structure» and «Structure of material - functional properties of materials» to work our the technologies of obtaining the articles with given functional properries is formulated.
Проблема обеспечения ресурса и повышения надежности изделий неразрывно связана с разработкой технологий получения изделий с гарантированными функциональными свойствами, Материаловедческий подход к решению задачи о получении изделий с заданными функциональными свойствами состоит в том, чтобы создать регламентированную «подходящую» структуру в материале изделия. Этот подход основан на многочисленных систематических исследованиях связи между состоянием структуры и механическими свойствами металлов и сплавов (см., например, [1-5]). Таким образом, на языке материаловедческом (и технологическом) проблема получения изделий повышенной надежности может быть сформулирована следующим образом. Необходимо: 1) выделить (установить) те механические свойства материала, от которых главным образом зависит повышенная надежность изделия; 2) установить вид структуры материала, обеспечивающий наибольшие значения характеристик именно этих механических свойств; 3> получить в материале изделия структуру именно этого вида (или в определенных частях изделия - структуру определенного вида); 4) в изделиях массового производства обеспечить стабильное получение структуры требуемого типа. Технологи участвую! в той или иной степени в решении всех перечисленных задач, но главным образом - двух последних. При решении третьей задачи должны использоваться сведения из банка данных «Исходная структура материала - термомеханическая обработка - окончательная структура материала» (БД1). Использование БД1 при проектировании соответствующего технологического процесса происходит путем «чтения в обратном направлении» -подбирается такая схема термомеханического воздействия ка заготовку, при которой в
результате технологического процесса получается изделие (нужных размеров) с требуемой структурой материала. При назначении требуемой структуры (вторая задача) используется еще один банк данных - «Структура материала - функциональные свойства материала» (БД2), который также «читается в обратном направлении)'. Сведения, содержащиеся в названных банках данных, относятся, строго говоря, только к характеристикам материала.
Задача получения определенного распределения структуры материала по объему изделия (например, однородного) решается технологами обычно на основании большего практического опыта и результатов специально проводимых прикидочных экспериментов. Одним из успешно применяемых технологами ттутей стабильного получения заданной структуры материала в изделиях массового производства является использование явления сверхпластичности (режим сверхпластического деформирования).
Следует отметить, что подходы и методы механики деформируемого твердого тела для анализа рассмотренных выше задач используются явно недостаточно. Так, результаты математического моделирования соответствующего технологического процесса (расчет напряженно-деформированною состояния в изделии в течение всего процесса его изготовления) для решения четвертой задачи, как правило, не применяются или используются довольно опосредствованно. Аналогичное замечание можно сделать и относительно третьей задачи: несмотря на огромное количество имеющихся экспериментальных данных о механических свойствах материалов и наличие соответствующих баз данных (для разных материалов, для различных условий испытаний и т.д.), механики практически не участвуют в разработке идеологии построения и использования названных выше банков данных БД1 и БД2. В первую очередь это утверждение относится к созданию БД1.
Перечисленные проблемы и некоторые возможности применения механики деформируемого твердого тела для их решения обсуждаются ниже на примере технологий изготовления деталей из титановых сплавов.
Обработка титановых сплавов в режиме сверхпласгичности
Титановые сплавы, обладающие высокой удельной конструкционной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в различных отраслях машиностроения и промышленности для изготовления широкой номенклатуры изделий (сложнопрофильных лопаток и дисков компрессора газотурбинных двигателей, цилиндров с глубокими полостями, шаробаллонов, медицинского инструментария, сепараторов, крепежной арматуры и т. д.).
Высокая стоимость титановых сплавов и большая трудоемкость их обработки требуют разработки и промышленного использования экономичных ресурсосберегающих технологий обработки металлов давлением (ОМД). Вместе с тем, большая номенклатура изделий и разнообразный диапазон условий их эксплуатации предъявляют высокие требования к обеспечению надежности и долговечности конструкций. Как показал опыт, все эти задачи успешно решаются при внедрении высокоэффективных малоотходных технологий обработки давлением с использованием явления сверхпластичности (СП) металлов (рис. 1-8). Отличаясь от традиционных методов обработки рядом существенных преимуществ, штамповка в режиме сверхпластичности позволяет резко сократить использование дорогостоящих
материалов, объем механической обработки и повысить эксплуатационные характеристики изделий. Например, штамповка в режиме сверхпластичности сокращает расход материала в несколько раз, при этом последующий объем обработки резанием уменьшается на 25-50%.
В двухфазных титановых сплавах после горячей обработки (необязательно в режиме СП) формируется различная микроструктура, отличающаяся фазовым составом, величиной и формой зерен фаз, внутризеренным строением, Многообразие структур в широких пределах изменяет механические свойства сплава [2,3,6]. «Заказ» на выбор той или иной структуры материала в изделии определяется условиями эксплуатации изделия. Для жаропрочных двухфазных титановых сплавов, применяемых для изготовления деталей авиационных двигателей, сформулирован следующий комплекс требований. Должно быть обеспечено (за счет выбора структуры материала) максимальное значение определяющего механического свойства и необходимый минимум следующих свойств: высокая кратковременная и или длительная прочность во всем интервале рабочих температур; удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре; высокое сопротивление усталости: термическая стабильность (сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений); высокое сопротивление ползучести; сопротивление замедленному разрушению, определяющее работоспособность материала при постоянной статической нагрузке и наличии острого концентратора.
а б
Рис. 1. Корпуса, изготовленные из сплава Ть6,0А1-2,7Мо-1,92г: а) СП обработка, КИМ 0,5; б) Традиционная обработка, КИМ 0,1
Рис. 2. Лопатки компрессора, изготовленные из сплава Т|‘-6,0А1-3>5Мо-1,52г-0,2' а) СП обработка, КИМ 0,5; б) Традиционная обработка, КИМ 0, .
Рис. 3. Лопатки компрессора ГТД, изготовленные из сплавов ВТ9, ВТЗ-1.ВТ6
Рис. 4. Корпус, изготовленный из сплава ВТ6
Рис. 5. Стаканы, корпуса, гильзы с отростками, крыльчатка, изготовленные из сплава ВТ9, ВТ8, ВТЗ-1, ВТ5-1
Рис. 6. Фланец, бобышки, диафрагма и т.п., изготовленные из сплава ВТЗ-1, ВТ9.ВТ20
Сд, МПа
КСи, Дж/см'
1200 • 1000 -800 -ЄОО 400 200
70
60
50
40
30 20 10 -о
л
2 3
5,%
30
25 -I
20 Н
15
1
її
60
50 -40 30 ■ 20 -10 -о -
ч^\ч',Ч
ш
\WnS1
^ч\^.
1, 2-1=20иС 3,4- £=500°С
- радиальное направление
- тангенциальное направление
и-
3 - разброс данных
а
1,2- 1=20°С
3,4 —1—500°С | 65Ж - радиальное направление
- тангенциальное направление -рззброс данных
б
Рис. 9. Диаграмма изменения механических свойств диска: а - с бимодальной структурой; б - с пластинчатой структурой
б
Рис. 10. Макроструктура деталей в поперечном сечении (£=65%): а) после традиционной обработки, б) после СП обработки
Из разнообразных микроструктур, формирующихся в титановых сплавах -процессе термомеханической обработки, наиболее характерными и важными для получения регламентированных свойств являются следующие типы: равноосная (оптимальна для деталей, испытывающих в процессе эксплуатации больиди' знакопеременные нагрузки, например, для лопаток компрессора); бимодальная (оптимальна для различных деталей (лопатки, корпуса, флашды и пр.). формир\ :г высокий комплекс механических свойств в объеме изделия [3,4,7,8]): пластинчатая (оптимальна для дисков, колец и т.д.), формирует в изделии высокие жаропрочные свойства при удовлетворительной пластичности. Для сравнения на рис.9 приведены сведения о механических свойствах изделий с различной микроструктурой.
Как уже отмечалось, сверхпластическая деформация позволяет не только получать регламентированную, требуемую структуру материала заготовки, но и обеспечивать однородность структуры в объеме всего изделия. На рис. 10 показана макроструктура изделий в поперечном сечении после СП деформации и традиционно]] обработки (ТО). Видно, что после ТО структура неоднородна, наблюдаются лин:,и интенсивной деформации в виде "креста". Напротив, макроструктура после СП обработки однородная по всему сечению. Известно [2—5].. что неоднородное ^ структуры оказывает отрицательное влияние на ряд эксплуатационных характеристик и,
прежде всего, на усталостную прочность, отвечающую за ресурс изделия. На рис. 11 приведены результаты сравнительных испытаний на усталость идентичных по форме лопаток компрессора газотурбинных двигателей после ТО и СП обработки. Видно, что СП обработка обеспечивает в изделии более высокий уровень сопротивления усталости. Исследования по влиянию сверхпластической деформации на комплекс механических и эксплуатационных свойств (ов, Сто. 2, СТ-1, 5, \|/, термическая
стабильность, ползучесть и др.) - важной части работ по созданию БД1, БД2 - явились базой при разработке технологий получения изделий с регламентированными свойствами. Упрощенная схема таких технологических процессов выглядит следующим образом: 1) получение однородной структуры (деформация в оптимальном температурно-скоростном режиме СП); 2) получение формы изделия (деформация в условиях СП, использование благоприятных форм нагружения); 3) получение регламентируемых свойств (термомеханическая обработка или термическая в зависимости от сложности изделия). Примеры реализаций таких технологий представлены на рис.3-8. Фактически все эти технологии разработаны без использования математического моделирования какого-либо из этапов в приведенной схеме получения изделий с заданными свойствами. В известных публикациях по математическому моделированию процессов ОМД при св ер\ п ласти чес ко м деформировании речь идет о расчетах только второго этапа.
Рис. 11. Кривые усталости лопаток из титанового сплаьа Т1-6,0А1-3.5Мо-1,52г-0.27Б1: нижние две кривые (СО) -традиционная обработка; верхние две кривые (СП) -обработка в релсыме сверхпластичности
Концепция построения и использования банков данных
о структурно-механических свойствах материалов
Отмеченное выше состояние работ по получению изделий повышенной надежности обуславливает актуальность следующих задач: разработки идеологии построения и конструктивного использования банков данных БД1, БД2, их фактического наполнения; постановки краевых задач (в том числе и формулировки
соответствующих определяющих соотношений), позволяющих эффективно «отслеживать» состояние структуры материала в процессе получения изделия. Последнее означает возможность предсказания структуры материала в готовом изделии
и, следовательно, оценку функциональных свойств изделия.
Рассмотрим вопрос о построении баз экспериментальных данных для БД 1 и БД2. Не останавливаясь на методиках проведения и обработки результатов экспериментов, отметим общее свойство всех отраслевых баз данных для БД2. Содержащиеся в них сведения получены, как правило, в одноосных испытаниях. В основном это испытания, необходимые для нахождения характеристик ресурса материала, предусмотренных ГОСТами. Разумеется, во всех отраслевых базах данных юстированные характеристики дополняются результатами испытаний элементов изделия или всего изделия при определенных (близких к эксплуатационным) режимах нагружения. Однако результаты таких испытаний, зачастую дающие основу для принятия решения разработчиком, далеко не всегда можно использовать для пополнения БД2, поскольку весьма нетривиальна (обычно невозможна) "расшифровка" напряженно-деформированного состояния (НДС) или хотя бы деформированного состояния в конкретных точках испытываемого изделия. Таким образом, имеющиеся БД2 должны быть пополнены результатами экспериментов по программам сложного нагружения, в определенном смысле близким к эксплуатационным. Но эти программы и используемые образцы должны быть таковы, чтобы была возможной «расшифровка» НДС в проводимых экспериментах.
Обратимся к технологическому этапу создания изделия с регламентированными свойствами. Разработка технологического процесса осуществляется технологом, как правило, эмпирически, путем подбора простых процессов типа растяжения или сжатия, качественно близких к тем, которые предположительно реализуются в создаваемой технологии. Основой для принятия решения служат результаты экспериментов названного простого типа на образцах из выбранного (предположительно подходящего) материала с варьированием температуры, скорости и степени деформации в пределах, характерных для разрабатываемой технологии. Одна из основных и принципиальных трудностей моделирования реального технологического процесса (особенно при изготовлении деталей сложной геометрической формы) состоит в том, что в процессе изготовления изделия реализуются, как правило, неодноосные простые или сложные нагружения. Таким образом, предварительные эксперименты, строго говоря, не имеют прямого отношения к исследуемому технологическому процессу. Для наполнения БД1 нужны эксперименты на неодноосное нагружение по программам, характерным для процессов ОМД, т.е. в большинстве случаев по траекториям деформаций малой и средней кривизны или типа многозвенных ломаных с участками малой кривизны.
Концепция построения базы экспериментальных данных для БД 1 состоит в проведении систематических исследований корреляции между историей термомеханического воздействия на материал (вид траектории деформаций плюс зависимости от времени скалярных параметров - температуры, скорости деформации и т.д.) и эволюцией микроструктуры материала. При разработке программ соответствующих экспериментов следует руководствоваться классификацией траекторий деформаций, предложенной в теории упругопластических процессов А.А. Ильюшина [9], и, с учетом сказанного выше, особо выявлять роль сложного нагружения. Первые эксперименты по таким программам в режиме сверхпластичности на титановых сплавах [10-13] показали различия в эволюции микроструктуры при
разных видах сложного нагружения, в частности, различный характер преобразования исходной пластинчатой микроструктуры в глобулярную. Все эти эксперименты проводились стандартным образом на сплошных цилиндрических образцах кругового сечения при обычных предположениях о кинематике процесса, позволяющих полностью определить деформированное состояние в каждой точке образца.
Другой вид экспериментов, результаты которых можно было бы использовать для наполнения БД1, представляют испытания изделий и элементов конструкций или технологические эксперименты, в которых нельзя полностью определить деформированное состояние без решения соответствующей краевой задачи. Изменения микроструктуры, наблюдаемые в таких образцах после проведения эксперимента (например, осадки, прокатки, экструзии), нельзя, вообще говоря, отнести к тому или иному конкретному виду траекторий деформаций. Это не позволяет, с одной стороны, включать полученные результаты в БД1; с другой стороны, грамотно сопоставлять результаты различных экспериментов. Вместе с тем, такого вида эксперименты «богаче» стандартных, поскольку' образец с существенна неоднородным напряженно-деформированным состоянием можно теоретически рассматривать как набор М-образцов (по терминологии А.А. Ильюшина [9]), позволяющий сразу для всех реализованных в нем траекторий деформаций определить вид получившейся окончательной микроструктуры. Следует отметить, что указанный взгляд на результаты технологического эксперимента качественно понятен и разделяется материаловедами (с-м., например, [14]). Однако общая схема и конкретные алгоритмы реализации такого подхода к технологическим экспериментам отсутствуют. Следовательно, возникает необходимость в создании теории экспериментов подобного вида - разработке математической модели процесса, реализуемого в эксперименте, и разработке методики пополнения БД1 результатами эксперимента.
Обратимся еще раз к вопросу об использовании БД1. Оно состоит в «прочтении» БД1 в обратном направлении: окончательная структура ->
термомеханическое воздействие на исходную структуру. На практике множество реальных видов микроструктуры у двухфазных титановых сплавов разделяют на несколько десятков типов. Для простоты рассуждений положим, что таких типов три -глобулярный, бимодальный, пластинчатый. Значит, множество имеющихся в БД1 данных о термомеханических процессах (ТМП = траектория деформации плюс зависимости, скалярных параметров процесса от времени) должно быть разделено на три группы соответственно числу типов структуры. При разработке технологии изготовления какой-либо детали необходимо выполнять следующее условие:
ТМП во всех точках деформируемого материала на протяжении всего процесса превращения заготовки в готовое изделие должны принадлежать к соответствующей группе ТМП из БД1(*).
Может показаться, что указанное требование слишком слабое, неконструктивное и не дает серьезных ограничений и рекомендаций по организации технологического процесса. Это не совсем так. В отличие от обычных баз данных, в БД1 должны содержаться и границы области «отрицательных результатов», г.е, границы четвертой группы ТМП - таких, которые не приводят исходную структуру ни к какой из трех возможных структур из-за того, что не достигается режим сверхпластического деформирования. Именно это обстоятельство - наличие четвертой группы ТМП ("неподходящих") - позволяет существенно повысить эффективность названного выше условия (*).
Следует отметить, что при наличии достаточно полного БД1 это условие является не только ограничительным при разработке технологий но и. напротив, становится источником рекомендаций для технолога.
Совместное использование банков данных БД1, БД2 и задачи механики деформируемого твердого тела
Схему совместного использования БД1 и БД2 для разработки технологий получения изделий с заданными функциональными свойствами можно сформулировать, на языке механики деформируемого твердого тела.
Пусть с помощью БД2 сформулирован «заказ» на вид микроструктуры в изделии. БД1 устанавливает корреляцию между ТМП в частице тела и эволюцией её микроструктуры. Следовательно, задача об изготовлении издел1тя с требуемой структурой материала может быть сформулирована как краевая задача (соответствующая технологии изготовления изделия) с ограничениями, совпадающими с условием (*) из предыдущего раздела. По сути, это краевая задача МДТТ нового вида, требующая и разработки грамотной постановки, и создания эффективных методов ее решения (известна постановка такой краевой задачи только для случая, когда требуемый вид траекторий деформаций - прямолинейный). Нестандартность задачи состоит в том, что условия (ограничения) накладываются на вид траекторий деформаций, получаемых в результате решения краевой задачи. Более того, требуется даже не близость расчетных траекторий деформаций к траекториям конкретного фиксированного вида, а принадлежность их к некоторому множеству кривых, которое недостаточно точно описано.
Построение банков данных по идеологии теории упруго пластических процессов (то есть с явным указанием вида траекторий деформаций) позволяет эффективно использовать их при построении определяющих соотношений. Действительно, оговоренное выше разделение всех видов структур на фиксированное количество типов предполагает выделение (указание) параметров микроструктуры, которые явно характеризуют её тип. Естественно строить определяющие соотношения сверхпластичности как уравнения с внутренними переменными и принять в качестве внутренних переменных эти параметры микроструктуры. Тогда содержащиеся в БД!. БД2 базы экспериментальных данных дают достаточный материал для идентификации и исследования адекватности определяющих соотношений с внутренними переменными. Принципиальным и практическим совершенно неисследованным в МДТТ является вопрос о том, какова должна быть конкретная форма (вид материальных функций) обсуждаемых определяющих соотношений
Выводы
1. На материаловедческом языке проблема получения изделий повышенной надежности трактуется как задача получения в изделии определенного типа микроструктуры материала.
2. Эта задача может быть сформулирована как краевая задача механики деформируемого твердого тела с ограничением на вид расчетных траектории деформаций.
3. Разработаны и реализованы технология получения изделий с регламент» рованной микроструктурой за счет использования явления сверхпластичности.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-ГФЕН JVs 99-01-39133.
Библиографический список
1. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия. 1984 -264 с,
2. Солонина О.П.. Глазунов С.Г’. Жаропрочные титановые сплавы, - М.: Металлургия, 1976.-448 с.
3. Аношкин Н.Ф., Белов А.Ф., Глазунов С.Г, Полуфабрикаты из титановых сплавов. -М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
4. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я. Металлография титановых сплавов. - М: Металлургия, 1980. - 464 с.
5. Вишняков Я.Д. Материаловедение и теория технологии материалов в контексте наук о рисках и безопасности. Часть 1. Материаловедение. - 1998. - Лг«4. - С36-48. Ч.П. Материаловедение. - 1998. -№5. - С.51-56.
6. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: -
Металлургия, 1976. - 447 с.
7. Цвиккер У. Титан и его сплавы. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
8. Ермаченко А.Г. Исследование влияния сверхпластической деформации на структуру и комплекс механических свойств сплава ВТ9: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: МАТИ, 1986.
9. Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. - М.;Изд-во .АН СССР, 1963r271 с.
10. Коршунов А.А., Еникеев Ф.У., Мазурский М.И. и др. Влияние способа высокотемпературного нагружения на преобразование пластинчатой структуры в титановом сплаве ВТ-9 /,'Изв. РАН. Металлы, 1994, - № 3. - С.121-126.
1 I. Быля О.И., Васин Р.А., Ермаченко А.Г. и др. О корреляции истории нагружения материала и эволюции его структуры в режиме сверхпластичности Н В сб.: Прочность и пластичность: Тр. межд. конф. - М., 1996. Т.2, - С.33-38.
12. Быля О.И., Васин Р.А., Ермаченко А.Г, и др. Поведение титанового сплава ВТ-9 при различных видах деформирования в режиме сверхпластичности // Теория и технология процессов пластической деформации: Тр научно-техн. конф.. Москва. 8-10 окт. 1996. - М.: МИСИС. 1997, - С.485-488.
13. Bylia О.1., Basin R.A., Ermachenko A.G. at all. The influence of simple and complex loading on structure changes in two-phase titanium alloy /7 Scr. Mater. 1997. - Vol. 36. -te8. - P. 949-954.
14. Салищев Г.А., Лутфуллин Р.Я.. Мазурский М.И. Преобразование пластинчатой микроструктуры в равноосную при горячей деформации титанового сплава ВТ5-! -Изв. АН СССР. Металлы. - 1990. - Х°3. ■■ С. 113-119.
Получено 7.03.2001
