CC BY
1
МЕТ^ШШБРАБОТКА
л—iv_^ новые материалы и технологии
УДК 539.4.014.1 Б01 10.25960/то.2020.3.56
Особенности упрочнения титановых сплавов холодной сдвиговом деформацией
С. И. Каратушин1, Д. А. Храмова1, П. А. Ермоленков2
1 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им . Д . Ф . Устинова, Санкт-Петербург, Россия
2
Центральный научно-исследовательский институт материалов, Санкт-Петербург, Россия
Изучено упрочнение холодной пластической деформацией кручением, совмещенной с низкотемпературной термической обработкой, на примере двух сплавов: ТС6 и ВТ23 — в закаленном состоянии. Сплав ТС6 относится к псевдо/3-сплавам, а ВТ23 — к (а + /3)-сплавам. В закаленных сплавах пластическая деформация инициирует мартенситное превращение метастабильной 0-фазы. Эффективность упрочнения оценивалась по диаграммам кручения и растяжения упрочненных кручением образцов. Сдвиговая деформация реализуется практически при всех видах обработки давлением и, соответственно, вносит наибольший вклад в упрочнение. Метод упрочнения кручением представляет практический интерес для длинномерных изделий и торсионов, где требуется упрочнение поверхности. Эффективность упрочнения зависит от применяемой термической обработки.
Ключевые слова: остаточные напряжения, упрочнение пластической деформацией, мартенситное превращение, кручение, титановый сплав.
Введение
В настоящее время усилилось внимание к применению титановых сплавов а + в- и псевдов-типов. Множество исследований посвящено изучению прочностных свойств, влияния режимов обработки, а также новых возможностей применения титановых сплавов ТС6 и ВТ23 [1—4]. В работе было изучено влияние сдвиговой деформации на прочность таких сплавов.
Методика экспериментов
Упрочнение сдвиговой пластической деформацией исследовали на образцах диаметром 8 мм и длиной рабочей части 80 мм. Испытания проводились на машине кручения TNS-DW05. Суммарная степень деформации не превышала 1000°, т. е. 12,5 ...°/мм. Изучалось влияние дискретности деформации с чередующейся термической обработкой — нагрев до 300 °С в течение часа. Деформация 1000° соответствует максимуму равномерной деформации (аналог достижения предела проч-
ности). Образцы, упрочненные по различным схемам, испытывались на растяжение с записью диаграмм. Испытания на растяжение проводились на машине SHIMADZU ЛО-Х-1. На рис. 1 представлены характерные диаграммы кручения и растяжения. Результаты обработки диаграмм приведены в таблице.
Обсуждение результатов
Холодная деформация кручением, в конечном итоге, приводит к упрочнению по дислокационному механизму вследствие мартен-ситного превращения и созданию остаточных напряжений (ОН) (рис. 1, а) по причине неоднородности деформации. Мартенситное превращение сказывается на характеристиках прочности и пластичности и особенно на соотношении ов/^0,2 — характеристике механической нестабильности. Увеличение соотношения указывает на протекание превращения при пластической деформации (в особенности при сдвиговой, как ранее нами было установлено).
|5б
№ 3(117)/2020
а) 100-,
80 -
И
к
60 -
§ 40 -
20 -
2-е закручивание
б) 60 000 -|
40 000
ö ч н о
20 000
1-1-Г
200 400
Угол закручивания,
600
"1-^--г
8 12 Удлинение, мм
Г
16
20
Рис. 1. Диаграммы: а — кручения образцов из сплава ТС6; б — растяжения закрученных образцов по различным режимам из сплава ТС6:
1 — исходное состояние; 2 — 500° по часовой ^ 500° против часовой; 3 — 500° по часовой ^ т/о ^ 500° по часовой; 4 — 500° по часовой ^ т/о ^ 500° по часовой ^ т/о
Fig. 1. Diagrams: a — torsion of samples made of alloy TS6; б — diagrams of stretching of swirling samples in various modes of TS6 alloy:
1 — initial state; 2 — 500° clockwise ^ 500° counterclockwise; 3 — 500° clockwise ^ heat treatment ^ 500° clockwise; 4 — 500° clockwise ^ heat treatment ^ 500° clockwise ^ heat treatment
Чем выше исходный уровень прочности, — тем больше и ОН в максимуме. ОН приводят к торможению легкоподвижных дислокаций и затрудняют их перестройку при полигони-зации, а следовательно, необходим отпуск-старение. При отпуске происходит, в конечном итоге, релаксация напряжений, т. е. ОН приобретают другой статус. По сечению заготовки устраняются поля напряжений разных знаков, но неоднородность полей напряжений сохраняется. Внешне это хорошо заметно по изменению вида диаграммы растяжения.
Участок равномерной деформации существенно подрастает. Несмотря на неоднородность упрочнения по сечению (середина остается неупрочненной), эффект упрочнения весьма существенный.
Упрочнение кручением по различным схемам показало отсутствие влияния реверсивности (табл.). Важным фактором является суммарная деформация. Как видно из рис. 2, слабо влияет и степень дискретности деформации. Отпуск, который устраняет ОН, существенно повышает предел текучести и пла-
Результаты обработки диаграмм Results of the processing diagram
Таблица Table
0
4
Режим обработки Механические свойства
При растяжении При кручении
ав, МПа а02, МПа S, % Тт, МПа Tmax, МПа Tmax, МПа
Исходное состояние 899,7 - 20,6 746,4 - -
Кручение: 500° по часовой ^ 500° против часовой 1094,7 1015,1 9,5 - - -
Кручение: 500° по часовой ^ т/о ^ 500° по часовой 1039 835 18,8 - 865,8 -
Кручение: 500° по часовой ^ т/о ^ 500° по часовой ^ т/о 1035 975 12 - - 8870,8
№ 3 (117)/2020
меЙмбработка
Рис. 2. Диаграммы растяжения образцов из сплава ТС6 после предварительной сдвиговой деформации:
1 — 500° по часовой — т/о — 500° против часовой — т/о;
2 — 250° по часовой — т/о — 250° по часовой — т/о — 250° по часовой — т/о — 250° почасовой — т/о — 250° по часовой — т/о
Fig. 2. Diagrams tensile of samples made of TS6 alloy after preliminary shear deformation:
1 — 500° clockwise — heat treatment — 500° counterclockwise — heat treatment; 2 — 250° clockwise — heat treatment — 250° clockwise — heat treatment — 250° clockwise — heat treatment — 250° hourly — heat treatment — 250° clockwise — heat treatment
стичность. Деформация кручением в два этапа (500° — т/о — 500°), независимо от направления, как показывает последующее испытание на растяжение, обеспечивает значительный эффект упрочнения по пределу прочности и относительному удлинению (ав = 1039 мПа; S = 13,8 %), но условный предел текучести остается на уровне исходного неупрочнен-ного состояния. С позиций механики разрушения, когда ав > 00,2, т. е. при растяжении, идет интенсивное упрочнение, такой материал является предпочтительным. Допускаемые напряжения в конструкции, однако, определяются пределом текучести. При упрочнении образцов по схеме 500° — т/о — 500°— т/о испытания на растяжение показывают равенство пределов прочности и текучести и, как следствие, меньшее удлинение (хуже пластичность — S = 12 %). Упрочненный кручением разрывной образец имеет специфическую схему упрочнения: пропорциональность сдвиговой деформации, которая максимальна на поверхности и равна нулю в середине. Результат испытаний на растяжение — это некоторое усредненное значение анизотропного матери-
ала. Естественно, что пластическая деформация неоднородно упрочненного образца является сложным процессом, так как зоны материала с разными механическим свойствами будут оказывать взаимное влияние. С точки зрения механизма упрочнения необходимо иметь в виду следующее: среди всех известных способов упрочнения самым эффективным является упрочнение холодной пластической деформацией в различных модификациях [5-8]. Практическая реализация этого способа — прокатка и волочение [9-11]. В настоящее время интенсивно изучается метод РКУП (равноканального углового прессования) [12-14]. Последний привлек внимание возможностью получать упрочненные заготовки более-менее значительных размеров. Метод нередко сочетается с прокаткой. По физической сущности РКУП — это упрочнение сдвиговой деформацией, что, соответственно, еще раз подтверждает его эффективность. К сожалению, этот метод имеет два существенных недостатка: применение мощного оборудования с недешевой оснасткой и неоднородность упрочнения по сечению в связи с сохранением нейтральной оси. Упрочнение сдвиговой деформацией технически очень сложно реализовать с однородной степенью деформации по объему для практически необходимых объемов заготовки или детали. Упрочнение сдвиговой деформацией — легко реализуемый процесс при кручении, применяемый для круглых заготовок, которые можно использовать для торсионов и витых цилиндрических пружин. Анализ напряженно-деформированного состояния упрочненной таким методом цилиндрической пружины [14] с помощью программного комплекса ANSYS Workbench показал благоприятное распределение напряжений в сечении витка под нагрузкой.
Холодная пластическая деформация всегда рассматривается как способ генерации дислокаций и, как следствие, упрочнение. Однако если сплав находится в неравновесном состоянии, то деформация стимулирует диффузионные и бездиффузионные превращения сдвигового типа [16, 17], соответственно дополнительно усиливая эффект упрочнения. На рис. 3 представлены диаграммы кручения образцов из сплава ВТ23 в закаленном состоянии. Из графиков видно, что дефор-
|58
№ 3 (117)/2020
новые материалы и технологии
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
1ШШ
Рис. 3. Диаграммы кручения образцов сплава ВТ23: 1 — 90° по часовой; 2 — 90° по часовой ^ т/о ^ 90° по часовой; 3 — 90° по часовой ^ т/о ^ 90° почасовой ^ 90° против часовой
Fig. 3. Diagrams torsion of specimens of VT23 alloy: 1 — 90° clockwise; 2 — 90° clockwise ^ heat treatment ^ 90° clockwise; 3 — 90° clockwise ^ heat treatment ^ 90° hourly ^ clockwise ^ 90° counterclockwise
мация существенно повышает предел текучести: без промежуточной термообработки в 2,5 раза, а с термообработкой в 3 раза. Такое значительное увеличение предела текучести свидетельствует о снижении температуры мартенситного превращения под действием пластической деформации. Энергия пластической деформации передается мартенситно-му превращению, и процесс «старения» идет при более низкой температуре и значительно быстрее. Это явление хорошо изучено на сталях аустенитного класса типа 12Х18Н10Т и нашло практическое применение. Упрочнение кручением титановых сплавов мартенситного типа приводит к образованию в сечении неоднородной структуры со сложной картиной распределения ОН и для практических нужд требует разработки режимов термической обработки.
Заключение
Эффективность упрочнения кручением (сдвиговой деформацией) в значительной степени определяется промежуточной термической обработкой. Результат упрочнения не зависит от реверсивности и дискретности
кручения. Наибольший эффект упрочнения достигается на сплавах мартенситного типа. Результаты исследования могут быть использованы для упрочнения упругих элементов типа торсионов и витых цилиндрических деталей.
Литература
1. Шаболдо О. П., Строганов А. А. Влияние термомеханических режимов производства проволоки на механические свойства пружинного в-титанового сплава ТС6 // Металлообработка. 2010. № 1 (55).
2. Моисеев В. Н. Бета-титановые сплавы и перспективы их развития // МиТОМ. 1998. Т. 1, №. 12. С. 11.
3. Шаболдо О. П., Виторский Я. М., Караштин Е. А. Создание пружинного материала на основе высокопрочного титанового в-сплава марки ТС6 // ЦНИИ материалов — 100 лет на благо России. 2012. С. 158.
4. Ночовная Н. А., Ширяев А. А. Влияние режимов термической обработки на механические свойства и структуру экспериментальной композиции высокопрочного псевдо-в-титанового сплава // Труды ВИАМ. 2018. № 6 (66).
5. Грабовецкая Г. П., Колобов Ю. Р., Иванов К. В., Забудченко О. В. Влияние холодной пластической деформации на структуру, деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7, № S2. С. 22-25. D0I:10.24411/1683-805X-2004-00007
6. Илларионов А. Г. и др. Структурные и фазовые превращения в титановом сплаве переходного класса при деформационном воздействии // Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 110, № 3. C. 295-304.
7. Терентьев В. Ф. Влияние предварительной деформации и размера зерна на усталостную прочность титана и его сплавов (обзор). Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннь 2011. № 2. С. 8-16.
8. Павленко Д. В. Упрочняемость сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии при сжатии // Вгсник-двигунобудування. 2012. № 1. С.161-168.
9. Gupta R. K. et al. Strain hardening of titanium alloy Ti6Al4V sheets with prior heat treatment and cold working // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 662. P. 537-550.
10. Gupta R. K., Mathew C., Ramkumar P. Strain hardening in aerospace alloys // Frontiers in Aerospace Engineering. 2015. Vol. 4. N 1. P. 1-13.
11. Moiseev V. N. High-strength titanium alloy VT16 for manufacturing fasteners by the method of cold deformation // Metal science and heat treatment. 2001. Vol. 43. N 1-2. P. 73-77.
12. Шумейко В. П., Горячев Е. А. Исследование параметров холодной прокатки ультрамелкозернистого титана // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2016. T. 16, № 3. С. 104-110.
13. Разоренов С. В. и др. Влияние предварительного деформационного упрочнения на напряжение течения при ударном сжатии титана и титанового сплава // Физика твердого тела. 2005. Т. 47, № 4. С. 639-645.
№ 3 (117)/2020
59]
МЕМППООБРАБОТКА
14. Каратушин С. И., Спиридонов Д. В., Плешано-
ва Ю. А. Моделирование остаточных напряжений в упругих элементах, работающих на кручение // Технология металлов. 2013. N 7. С. 10-13.
15. Sadeghpour S. et al. Effect of cold rolling and subsequent annealing on grain refinement of a beta titanium alloy showing stress-induced martensitic transformation // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 731. P.465-478.
16. Ide N. et al. Influence of Cold Rolling on Fundamental Properties of Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al Alloy // Materials Transactions. 2015. Vol. 56, N 11. P. 1800-1806.
References
1. Shaboldo O. P., Stroganov A. A. Effect of thermo-mechanical regimes for wire manufacture on mechanical properties spring P-titanium alloy TS6. Metalloobrabotka. 2010, no 1, pp. 50-56.
2. Moiseev V. N. Beta-titanium alloys and prospects for their development. Metal Science and Heat Treatment. 1998, vol. 1, no 12. pp. 11. (In Russ.)
3. Shaboldo O. P., Vitorskii Ya. M., Karashtin E. A. Creation of spring material based on high-strength titanium P-alloy grade TS6.: TsNII Materialov — 100 Years for Russia. St. Petersburg, 2012, pp. 158-168. (In Russ.)
4. Nochovnaya N. A., Shiryaev A. A. Influence of heat treatment modes on mechanical properties and structure of experimental composition of high-strength pseudo-P-titanium alloy. Proceedings of VIAM. 2018, no 6 (66). (In Russ.)
5. Grabovetskaya G. P., Kolobov Yu. R., Ivanova K. V., Zabudchenko O. V. Effect of Cold Plastic Deformation on the Structure, Deformation Behavior, and Mechanical Properties of Ultrafine-Grained Titanium. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2004, vol. 7 (2), pp. 22-25. (In Russ.)
6. Illarionov A. G., Narygina I. V., Karabanalov M. S. et al. Structural and phase transformations in a tita-
nium alloy of the transition class under the effect of deformation. Fizika metallov i metallovedenie. 2010, vol. 110, no 3. pp. 279-288. (In Russ.)
7. Terent'ev V. F. Influence of preliminary deformation and grain size on the fatigue strength of titanium and its alloys (review). News and technologies in metallurgy and mechanical engineering. 2011, no 2, pp. 8-16. (In Ukr.)
8. Pavlenko D. V. Strength of VT1-0 alloy in sub-microcrystalline state under compression. Herald of Aeroenginebuilding. 2012, no 1, pp. 161-168. (In Ukr.)
9. Gupta R. K. et al. Strain hardening of titanium alloy Ti6Al4V sheets with prior heat treatment and cold working. Materials Science and Engineering: A. 2016, vol. 662, pp. 537-550.
10. Gupta R. K., Mathew C., Ramkumar P. Strain hardening in aerospace alloys.Frontiers in Aerospace Engineering. 2015. vol. 4. no 1. pp. 1-13.
11. Moiseev V. N. High-strength titanium alloy VT16 for manufacturing fasteners by the method of cold deformation. Metal science and heat treatment. 2001, vol. 43, no 1-2. pp. 73-77.
12. Shumeiko V. P., Goryachev E. A. Investigation of cold rolling parameters of ultrafine grained titanium. Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2016. vol. 16, no. 3. pp. 104-110.
13. Razorenov S. V. et al. Effect of Preliminary Strain Hardening on the Flow Stress of Titanium and a Titanium Alloy during Shock Compression. Fizika tverdogo tela. 2005. vol. 47 (4), pp. 639-645. (In Russ.)
14. Karatushin S. I., Spiridonov D. V., Pleshanova Yu. A. Modeling of residual stresses in elastic elements operating in torsion. Journal of Technology of Metals. 2013, no 7, pp. 10-13.
15. Sadeghpour S. et al. Effect of cold rolling and subsequent annealing on grain refinement of a beta titanium alloy showing stress-induced martensitic transformation. Materials Science and Engineering: A. 2018, vol. 731. pp. 465-478.
16. Ide N. et al. Influence of Cold Rolling on Fundamental Properties of Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al Alloy. Materials Transactions. 2015, vol. 56, no 11, pp. 1800-1806.
Сведения об авторах
Каратушин Станислав Иванович — доцент кафедры «Механика деформируемого твердого тела», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 195005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1, e-mail: karatsi@bk.ru
Храмова Дария Алексеевна — старший преподаватель кафедры «Механика деформируемого твердого тела», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 195005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1, e-mail: khdaria@mail.ru
Ермоленков Павел Алексеевич — инженер I категории, Центральный научно-исследовательский институт материалов, 191014, Санкт-Петербург, Парадная ул. д., 8, e-mail: P.A.Ermolenkov@yandex.ru
Для цитирования: Каратушин С. И., Храмова Д. А., Ермоленков П. А. Особенности упрочнения титановых сплавов холодной сдвиговой деформацией. Металлообработка, 2020, № 3, с. 56-61. DOI 10.25960/то.2020.3.56
1б0
№ 3(117)/2020
MEIAIL/OOBRABOTKA
Ut/uviy
UDC 539.4.014.1 DOI 10.25960/mo.2020.3.56
Features of hardening of titanium alloys by cold shear deformation S. I. Karatushin1, D. A. Khramova1, P. A. Ermolenkov2
1 Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D . F. Ustinov, Saint Petersburg, Russia
2 Central research institute of materials, Saint Petersburg, Russia
Hardening by cold plastic torsion strain combined with low-temperature heat treatment was studied using two alloys as an example: TS6 and VT23 in a quenched state. TS6 alloy refers to pseudo P alloys, and VT23 refers to (a + Pj alloys. In quenched alloys, plastic deformation initiates the martensitic transformation of the metastable P phase. The hardening efficiency was estimated from the torsion and tensile diagrams of torsion-hardened samples. Shear deformation is realized in almost all types of pressure treatment and, accordingly, makes the greatest contribution to hardening. The method of torsion hardening is of practical interest for long products and torsion where surface hardening is required. The effectiveness of hardening depends on the heat treatment used.
Keywords: residual stresses, hardening by plastic deformation, martensitic transformation, torsion, titanium alloy. Information about the authors
Stanislav I. Karatushin — Associate Professor at the Department of "Mechanics of deformable solids", Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D. F. Ustinov, 1-st, Krasnoarmeyskaya ul., St. Petersburg, 190005, Russia, e-mail: karatsi@bk.ru
Daria A. Khramova — Senior Lecturer at the Department of "Mechanics of deformable solids", Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D. F. Ustinov, 1-st, Krasnoarmeyskaya ul., St. Petersburg, 190005, Russia, e-mail: khdaria@mail.ru
Pavel A. Ermolenkov — Engineer 1 category, Central research institute of materials, 8, Paradnaya str., St. Petersburg, 191014, Russia, e-mail: P.A.Ermolenkov@yandex.ru
For citation: Karatushin S. I., Khramova D. A., Ermolenkov P. A. Features of hardening of titanium alloys by cold shear deformation. Metalloobrabotka, 2020, no 3, pp. 56-61. DOI 10.25960/mo.2020.3.56
Обращаем Ваше внимание, что издательство «Политехника» проводит проверку всех рукописей, поступивших в редакцию журнала «Металлообработка», в системе «Антиплагиат» с целью выявления необоснованного заимствования.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
№ 3(117)/2020
6И
