Научная статья на тему 'ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 С РАЗНЫМ ТИПОМ СТРУКТУРЫ'

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 С РАЗНЫМ ТИПОМ СТРУКТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
6
3
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
титановый сплав ВТ6 / катаные прутки / химический состав / эквиваленты по алюминию и молибдену / структура / механические свойства / статистические исследования / прогнозирование / VT6 titanium alloy / rolled bars / chemical composition / aluminum and molybdenum equivalents / structure / mechanical properties / statistical studies / forecasting

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Юлия Борисовна Егорова, Людмила Владимировна Давыденко, Евгения Валерьевна Чибисова, Александр Витальевич Челпанов, Елена Сергеевна Каратаева

Проведены статистические исследования химического состава, температуры полиморфного превращения и стандартных механических свойств катаных прутков диаметром 15–150 мм из титанового сплава ВТ6 с глобулярной, пластинчатой, переходной, смешанной и корзинчатой структурами. Разные типы структуры были получены путем изменения режимов деформации и простого отжига. Установлено, что при одинаковом химическом составе прутки с глобулярной структурой имеют более высокие значения предела прочности (на ∼ 90–120 МПа) и пластичности (на ∼ 5–10 %) по сравнению с пластинчатой структурой. Предложены регрессионные модели для оценки механических свойств прутков из сплава ВТ6 с различной структурой. Разработан пакет прикладных программ для прогнозирования температуры полиморфного превращения и механических свойств прутков из сплава ВТ6.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Юлия Борисовна Егорова, Людмила Владимировна Давыденко, Евгения Валерьевна Чибисова, Александр Витальевич Челпанов, Елена Сергеевна Каратаева

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Forecasting of Mechanical Properties of VT6 Titanium Alloy Bars with Different Structure Types

Statistical studies of the chemical composition, polymorphic transformation temperature and standard mechanical properties of ∅ 15–150 mm rolled bars made of VT6 titanium alloy with globular, lamellar, transitional, mixed and basket structures were carried out. Different types of structures were obtained by changing the deformation modes and simple annealing. It was established that, with the same chemical composition, rods with a globular structure have higher values of ultimate strength (by ∼ 90–120 MPa) and ductility (by ∼ 5–10 %) as compared to those with lamellar structure. Regression models are proposed to estimate the mechanical properties of VT6 alloy bars with different structures. A package of applied programs was developed for predicting the polymorphic transformation temperature and mechanical properties of VT6 alloy bars.

Текст научной работы на тему «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 С РАЗНЫМ ТИПОМ СТРУКТУРЫ»

УДК 669.295

DOI: 10.24412/0321-4664-2022-3-30-40

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 С РАЗНЫМ ТИПОМ СТРУКТУРЫ

Юлия Борисовна Егорова1, докт. техн. наук, Людмила Владимировна Давыденко2, канд. техн. наук, Евгения Валерьевна Чибисова3, канд. техн. наук, Александр Витальевич Челпанов1, канд. техн. наук, Елена Сергеевна Каратаева1

1Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),

Москва, Россия, egorova_mati@mail.ru 2 Московский политехнический университет, Москва, Россия, mami-davidenko@mail.ru

3 ООО «Яндекс», Москва, Россия, echibisova@mail.ru

Аннотация. Проведены статистические исследования химического состава, температуры полиморфного превращения и стандартных механических свойств катаных прутков диаметром 15-150 мм из титанового сплава ВТ6 с глобулярной, пластинчатой, переходной, смешанной и корзинчатой структурами. Разные типы структуры были получены путем изменения режимов деформации и простого отжига. Установлено, что при одинаковом химическом составе прутки с глобулярной структурой имеют более высокие значения предела прочности (на ~ 90-120 МПа) и пластичности (на ~ 5-10 %) по сравнению с пластинчатой структурой. Предложены регрессионные модели для оценки механических свойств прутков из сплава ВТ6 с различной структурой. Разработан пакет прикладных программ для прогнозирования температуры полиморфного превращения и механических свойств прутков из сплава ВТ6.

Ключевые слова: титановый сплав ВТ6, катаные прутки, химический состав, эквиваленты по алюминию и молибдену, структура, механические свойства, статистические исследования, прогнозирование

Forecasting of Mechanical Properties of VT6 Titanium Alloy Bars with Different Structure Types. Dr. of Sci. (Eng.) Yuliya B. Egorova1, Cand. of Sci. (Eng.) Lyudmila V. Davydenko2, Cand. of Sci. (Eng.) Yevgeniya V. Chibisova3, Cand. of Sci. (Eng.) Alek-sandr V. Chelpanov1, Yelena S. Karatayeva1

1 Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, egorova_mati@mail.ru

2 Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, mami-davidenko@mail.ru

3 LLC «Yandex», Moscow, Russia, echibisova@mail.ru

Abstract. Statistical studies of the chemical composition, polymorphic transformation temperature and standard mechanical properties of 0 15-150 mm rolled bars made of VT6 titanium alloy with globular, lamellar, transitional, mixed and basket structures were carried out. Different types of structures were obtained by changing the deformation modes and simple annealing. It was established that, with the same chemical composition, rods with a globular structure have higher values of ultimate strength (by ~ 90-120 MPa) and ductility (by ~ 5-10 %) as compared to those with lamellar structure. Regression models are proposed to estimate the mechanical properties of VT6 alloy bars with different structures. A package of applied programs was developed for predicting the polymorphic transformation temperature and mechanical properties of VT6 alloy bars.

Key words: VT6 titanium alloy, rolled bars, chemical composition, aluminum and molybdenum equivalents, structure, mechanical properties, statistical studies, forecasting

Введение

Создание новых материалов традиционными способами требует проведения фундаментальных научных исследований, связанных с изучением влияния состава, структуры, режимов обработки давлением, термической обработки и других технологических операций на конечные свойства полуфабриката или изделия. Вместе с тем объем научных сведений, накопленных к настоящему времени, позволяет перейти на новый уровень проведения исследований - информационный или цифровой. Поэтому в настоящее время в материаловедении наряду с традиционным экспериментальным активно развивается информационное направление, которое в литературе встречается под терминами Digital Materials Science (цифровое материаловедение), Computational Materials Science (вычислительное материаловедение) или Materials Informatics (информационное материаловедение) [1-18]. Все эти направления связаны с формированием и организацией баз данных, компьютерной обработкой результатов экспериментов, математическим моделированием структуры и свойств материалов, созданием на основе моделей качественного программного обеспечения для инженерного анализа, проектирования и подготовки производства CAD/CAE/CAM/PDM.

Одной из наиболее распространенных систем для прогнозирования свойств различных конструкционных материалов считают программу JMatPro [2, 3]. В Российской Федерации активными пользователями JMatPro являются такие крупные компании, как ПАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти, Самарская область), ООО «Сименс» (г. Санкт-Петербург), ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (г. Верхняя Салда, Свердловская область), ООО «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий» (г. Санкт-Петербург), АО «ВМЗ» (г. Выкса, Нижегородская область) и другие организации [3].

JMatPro - это коммерческое программное обеспечение, которое позволяет моделировать различные свойства прежде всего многокомпонентных сплавов, используемых в промышленности (стали, алюминиевые, магниевые, жаропрочные никелевые, титановые и другие

сплавы). Возможно моделирование диаграмм фазового равновесия; стандартных физических свойств; механических свойств (предела текучести, твердости, напряжения течения при комнатной и высоких температурах, предела прочности при комнатной температуре, удельной ползучести и разрушения) и др. На сайте JMatPro указано, что эта программа не является базой данных свойств, собранных из различных источников, а включает в себя физически обоснованные модели материалов, которые были тщательно проверены [3]. К сожалению, не удалось выяснить, каким образом проходила верификация моделей. Из опубликованных в открытом доступе статей, посвященных программе JMatPro и размещенных на ее официальном сайте, следует, что исходными данными для получения моделей послужили справочные данные, результаты экспериментов и многочисленные сведения, опубликованные в различных зарубежных и российских источниках.

Следует отметить, что в настоящее время точность компьютерного моделирования и прогнозирования в материаловедении недостаточно высока, что связано с нелинейным характером и неопределенностью взаимосвязей «химический состав - структура - свойства материала» [4]. Это обусловлено влиянием довольно большого числа погрешностей, среди которых, в частности, можно выделить, прежде всего, разброс состава, структуры и свойств материала (как в объеме изделия, так и в целой партии), связанный с вариативностью технологических режимов при производстве полуфабрикатов, а также случайные погрешности измерения химического состава и физико-механических свойств материалов. Поэтому важно учитывать статистический характер формирования конечных служебных характеристик изделия, так что прогнозирование вероятностных значений свойств титановых сплавов должно быть основано на комплексном статистическом исследовании результатов производственных испытаний и промышленного контроля полуфабрикатов, изготовленных по серийным технологиям. Это, в свою очередь, позволяет формировать достоверные базы данных и прогнозировать механические свойства полуфабрикатов с ошибками, определяемыми современным уровнем

развития производства. При прогнозировании механических свойств титановых сплавов особое значение имеет влияние структуры полуфабрикатов, так как, управляя ее типом и параметрами, можно изменять уровень свойств в весьма широких пределах и добиваться такого их сочетания, которое часто невозможно получить только методами легирования.

Цель работы состояла в установлении статистических закономерностей совместного влияния химического состава, структуры и режимов отжига на механические свойств прутков из титанового сплава ВТ6 и обосновании регрессионных моделей для вероятностного прогнозирования комплекса стандартных механических свойств.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования послужили катаные прутки промышленного производства диаметром 15-150 мм из сплава ВТ6 (69 плавок). Степень легирования оценивали с помощью структурных эквивалентов по алюминию [Д!]ЭткРв и молибдену Мо] ЭКВ [19]:

[Д!]ЭКВ = %Al + %Sn/3 + + %Zr/6 + 10[%0 + %C + 2%N], (1)

[Мо]ЭтКВ = %Mo + %Ta/4,5 + %Nb/3,3 +

+ %W/2 + %V/1,4 + %Cr/0,6 + %Mn/0,6 + + %Fe/0,4 + %Ni/0,8 + %Co/0,8. (2)

Различные типы структуры были получены путем изменения режимов деформации и термической обработки. Прокатку проводили в разных температурных областях - ниже и выше температуры полиморфного превращения (Тпп). Прутки подвергали простому (обычному) отжигу при температурах 600-920 °С продолжительностью 20-180 мин с охлаждением на воздухе.

Все наблюдаемые структуры прутков были условно разделены на 5 типов: I - глобулярная (равноосная); II - переходная (с вытянутой формой зерен а-фазы); III - смешанная (глобулярная + пластинчатая); IV - корзинчатого строения; V - пластинчатая (рис. 1). Глобулярные (равноосные), переходные и смешанные структуры были сформированы деформацией при температурах (а + ß)-облaсти. Структуры

корзинчатого строения образовались при деформации вблизи Тпп или в тех случаях, когда деформация начиналась при температурах ß-области, а заканчивалась в (а + ß)-облaсти. Пластинчатые структуры соответствовали различным условиям деформации при температурах ß-области.

Температуру полиморфного превращения Тпп определяли методом пробных закалок по стандартной методике [20]. По результатам механических испытаний оценивали временное сопротивление разрыву ств, относительное удлинение 5, поперечное сужение у, ударную вязкость KCU, твердость по Роквеллу HRC, твердость по Бринеллю (диаметр отпечатка ^отп). Микроструктуру исследовали на оптическом микроскопе AXIO Observer.Alm (Karl Zeiss Jena, Германия). Анализ полученных изображений осуществляли с помощью программного комплекса NEXSYS ImageExpert Pro3.6.

д е

Рис. 1. Основные типы микроструктуры прутков из сплава ВТ6 после отжига, х450:

а - I тип (глобулярная структура); б - II тип (переходная структура); в - III тип (смешанная структура); г - III тип (смешанная структура); д - IV тип (корзинчатая структура); е - V тип (пластинчатая структура)

Таблица 1 Интервалы изменения исследованных факторов

№ Фактор Интервал № Фактор Интервал

1 [Д11ЭТкРе, % 7,1-9,6 10 Размер а-глобулей аа, мкм 2,9-5,9

2 [мо] эте, % 2,8-4,2 11 Толщина а-пластин Ьа, мкм 2,5-5,7

3 ж + [мо] эте, % 10,0-13,0 12 Толщина пластин вторичной а-фазы Ь2, мкм 1,7-3,0

4 Диаметр прутка б, мм 15-150 13 Предел прочности ств, МПа 788-1109

5 Температура отжига ?отж, °С 600-920 14 Относительное удлинение 5, % 8-20

6 Продолжительность отжига тотж, ч 0,5-3,0 15 Поперечное сужение у, % 13-48

7 Тпп, °С 980-1075 16 Ударная вязкость КСи, МДж/м2 0,31-1,14

8 ^ = Тпп - ^отж, °С 60-425 17 Твердость ИКС 26-37

9 Тип структуры 1-У 18 Диаметр отпечатка ботп, мм 2,8-3,8

Статистический анализ был проведен с помощью ППП БТАТ^ТЮД [21]. Интервалы исследованных факторов приведены в табл. 1.

Объем выборки составил 162 образца. На основе первичной статистической обработки определяли диапазон, выборочное среднее, дисперсию, стандартное отклонение Э, трехсиг-мовый интервал 6Э, доверительный интервал среднего, коэффициент вариации. Проводили корреляционный и регрессионный анализы по стандартным методикам [21]. Проверку значимости коэффициентов корреляции и регрессии,

адекватности регрессионных моделей осуществляли с доверительной вероятностью 0,95.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Диапазон и средние значения легирующих элементов и примесей в прутках из сплава ВТ6 в целом соответствуют нормативной документации (табл. 2).

Однако средние значения, фактические и статистические (трехсигмовые) диапазоны

Таблица 2 Статистические характеристики химического состава (% мас.) прутков из сплава ВТ6

Статистические характеристики А1 У Ре Б1 С О N [А1]ЭТРв [Мо]ЭТВ

Диапазон по ОСТ1 90013-81 5,3-6,8 3,5-5,3 <0,60 <0,10 <0,10 <0,20 <0,05 - —

Диапазон значений по факту 5,51-6,80 3,52-5,05 0,01-0,19 0,0-0,1 0,011-0,108 0,035-0,206 0,005-0,047 7,1-9,6 2,8-4,2

Выборочное среднее 6,10 4,14 0,11 0,05 0,06 0,14 0,021 8,5 3,2

Стандартное отклонение 0,29 0,27 0,06 0,03 0,019 0,041 0,011 0,58 0,25

Коэффициент вариации, % 4,8 6,6 57 66 33 29 53 6,8 7,7

Таблица 3 Механические свойства прутков диаметром 15-150 мм из сплава ВТ6 после отжига (в числителе - диапазон, в знаменателе -среднее значение)

Тип и параметры структуры Число (доля, %) образцов [ДИЭКВ, % [Мо]ЭТкРв, % ав, МПа 8, % V, % KCU, МДж/м2 HRC

I глобулярная аа = 2,9-5,9 мкм 46 (28 %) 7,6-9,1 8,6 3,0-3,5 3,2 929-1076 1017 10-20 16 24-48 38 0,31-0,92 0,48 30-36 34

II переходная ba = 2,1-5,1 мкм 42 (26 %) 7,1-9,6 8,6 2,9-4,2 3,3 833-1100 1000 12-18 15 19-48 37 0,34-0,9 0,52 29-37 34

III смешанная аа = 2,5-5,7 мкм b2 = 1,7-3,0 мкм 58 (36 %) 7,1-9,1 8,3 2,8-3,9 3,3 788-1109 981 10-20 16 21-46 39 0,35-0,9 0,53 27-36 32

IV корзинчатая 2 (1 %) 9,0 3,14 954-984 969 10-12 11 25-28 27 0,62-0,68 0,65 33

V пластинчатая ba = 3,1-3,5 мкм 14 (9 %) 7,2-9,2 8,3 3,0-3,5 3,2 818-1026 913 8-19 12 13-47 29 0,49-1,1 0,67 26-36 31

I-V 162 (100 %) 7,1-9,6 8,5 2,8-4,2 3,2 788-1109 990 8-20 15 13-48 37 0,31-1,14 0,52 26-37 33

легирования для алюминия, азота, углерода и кислорода сдвинуты к верхней границе поля допуска. Структурный эквивалент по алюминию изменяется от 7,1 до 9,6 %, по молибдену -от 2,8 до 4,2 %, суммарный абсолютный разброс может достигать 3,0 %, а 3ст-интервал - 4,0 %. Тпп изменяется от 980 до 1075 °С, размах составляет -100 °С, что связано с большим разбросом алюминия и примесей внедрения (коэффициент вариации намного больше регламентируемых для примесей 15 % в соответствии с требованиями руководства Сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04).

На основе металлографического анализа было установлено, что после отжига прутки преимущественно имеют структуру I (28 %), II (26 %) и III (36 %) типов (табл. 3). Средний уровень прочностных свойств прутков с глобулярной структурой несколько выше по сравнению с переходной и смешанной структурами, при этом характеристики пластичности и ударная вязкость мало различаются (см. табл. 3), в то время как все механические свойства (кроме ударной вязкости) прутков с корзинча-

той и пластинчатой структурами значительно ниже по сравнению с другими структурами.

На рис. 2 и 3 сопоставлены зависимости механических свойств прутков диаметром 15150 мм с разным типом структуры от суммы эквивалентов по алюминию и молибдену (без учета влияния остальных факторов). Предел прочности прутков с глобулярной структурой выше на -90-120 МПа предела прочности с пластинчатой структурой (см. рис. 2).

Для прутков с переходной и смешанной структурами предел прочности приблизительно одинаков и лежит ниже на 20-35 МПа по сравнению с глобулярной структурой. Характеристики пластичности при глобулярной, переходной и смешанной структурах отличаются незначительно и выше на -5-10 % по сравнению с пластинчатой структурой, а ударная вязкость ниже на -0,2-0,25 МДж/м2 (см. рис. 2, 3).

На основе однофакторного корреляционного анализа было установлено, что прочностные и пластические свойства снижаются, а ударная вязкость повышается при переходе от глобулярной к пластинчатой структуре. Предел прочности и твердость возрастают

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 Сумма эквивалентов по алюминию и молибдену, %

1,2

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 Сумма эквивалентов по алюминию и молибдену, %

Рис. 2. Зависимость предела прочности и ударной вязкости прутков 015-150 мм из сплава ВТ6 с разной структурой от суммы эквивалентов по алюминию и молибдену:

тип I - глобулярная; тип II - переходная; тип III - смешанная; тип V - пластинчатая

! О О

В о

22 20 18 16 14 12 10 8 6

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 Сумма эквивалентов по алюминию и молибдену, %

55

« •

А ♦

- - SJ « ♦ .... • » ■

» __• —т • 4M

- «Mi • •

А *

- ♦ __■ ♦ •

♦ ■ ■ #

- ■ « ■ ♦ »Vv я

• А А '—^

тип I ♦ •

—■— тип II А

—ф— тип III

тип V А

1 1 1 1 1 1

о X

£ &

в о С

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 Сумма эквивалентов по алюминию и молибдену, %

Рис. 3. Зависимость характеристик пластичности прутков 015-150 мм из сплава ВТ6 с разной структурой от суммы эквивалентов по алюминию и молибдену:

тип I - глобулярная; тип II - переходная; тип III - смешанная; тип V - пластинчатая

с увеличением эквивалентов по алюминию и молибдену (коэффициент парной корреляции Я = 0,3^0,5), а характеристики пластичности и ударная вязкость снижаются (Я = -0,2^ -0,5). С повышением температуры отжига и увеличением его продолжительности немного увеличиваются параметры всех типов структуры (коэффициенты корреляции 0,2-0,6). Наблюдаются тенденции снижения предела прочности и повышения характеристик пластичности с увеличением всех размеров структурных составляющих, но их влияние на свойства незначительно (Я < 0,3) из-за небольшого разброса (см. табл. 3).

В зависимости от режимов отжига прочностные свойства могут как увеличиваться, так и уменьшаться, что обусловлено изменением соотношения а- и р-фаз и степени их легирования. Чем ниже температура отжига в (а + р)-области, тем больше концентрация р-стабилизаторов в р-фазе и тем выше ее прочность и термическая стабильность. С другой стороны, с понижением температуры отжига количество р-фазы уменьшается, что может снизить прочностные свойства сплава. Максимальные значения прочностных свойств наблюдаются после отжига при тем-

ав, МПа

1050 -

750

950 -

850 -

550

а„, МПа

650

750

850

1050 -

950 -

850 -

750

Рис. 4. Зависимость предела прочности прутков 015-150 мм из сплава ВТ6 от температуры отжига и разности Лt между Гпп и температурой отжига

пературах 650-800 °С и разнице между Тпп и М = 250^425 °С (рис. 4). По литературным данным, в равновесном состоянии при -800 °С количество а- и р-фаз одинаково, так что в процессе выдержки при этой температуре может сформироваться наи-

более мелкая структура, что обеспечивает повышенные значения прочностных свойств [20]. Для прутков малого диаметра охлаждение на воздухе может приводить к частичному распаду ß-фазы с образованием мелкодисперсных пластин а-фазы и, соответственно, повышению прочности или с увеличением диаметра прутка - более крупных пластин и снижению прочностных свойств [20]. В конечном итоге уровень свойств прутков из сплава ВТ6 определяется конкретным химическим составом сплава, диаметром прутков и режимами отжига.

Повышение температуры с 700 до 900 °С приводит к изменению средних значений механических свойств (без учета влияния химического состава и структуры): снижению ав с -1050 до -950 МПа (-50 МПа на 100 °С) и HRC c -36 до -30 (-1,0 HRC на100 °С); повышению V с -30 до -40 % (-5,0 % на 100 °С) и KCU с -0,4 до -0,8 МДж/м2 (-0,2 МДж/м2 на 100 °С). При этом средние значения относительного удлинения мало зависят от температуры отжига. Полученные результаты сопоставимы с литературными данными [22, 23]. Повышение температуры отжига с 700 до 900 °С привело к снижению предела прочности прутков 012 мм (одной плавки) с -1160 до -1080 МПа (-40 МПа на 100 °С) и повышению у с -50 до -60 % (-5,0 % на 100 °С) [22, с. 259].

Многофакторный корреляционный анализ показал, что совместное влияние степени легирования, режимов отжига и диаметра прутка на механические свойства сплава ВТ6 более существенное по сравнению с однофактор-ным анализом, так как коэффициенты множественной корреляции значительно возросли

Таблица 4 Зависимость механических свойств прутков из сплава ВТ6 (015-150 мм) от химического состава, режимов отжига и диаметра прутка

Регрессионная модель R Стат. ошибка

ств = ст0 + 35 [А1]ЭТРВ + 30,4 [Мо]ЭТр + 1,8At - 0,0027а/2- 0,43d 0,89 45,0 МПа

8 = 80 -1,57 [А1]ЭТВ + 0,008 [Мо]ЭТР - 0,005At - 0,064d 0,68 1,7 %

у = у0 -2,46 [А!]ЭкВ + 0,006 [Мо]ТВ - 0,03At - 0,13d 0,68 5,2 %

KCU = KCU0 - 0,014 [А!]ЭткРВ - 0,002 [Мо]ЭТр - 0,0083At + + 0,000013At 2 - 0,09 тотж - 0,024 т2тж + 0,003d 0,90 0,12 МДж/м2

до 0,7-0,9 (табл. 4). Нелинейные множественные модели справедливы для прутков с [А1]ЭКВ = 7,0^10,0 %, Мо] Эткрв = 2,5^4,0 %, М = 50^450 °С, = 600 °0-Тпп. Свободные члены ст0, 50, у0, КСи0 зависят от типа структуры (табл. 5). Все полученные модели имеют высокие значения коэффициента корреляции (10,7) и позволяют проводить оценку механи-

ческих свойств с ошибками, типичными для производственных условий. Проверка полученных зависимостей показала хорошую сходимость расчетных и фактических значений механических свойств (табл. 6).

По проведенным исследованиям проводится разработка пакета прикладных программ «Титановые сплавы», который представляет собой

Таблица 5 Свободные члены а0, 80, у0, KCU0 в зависимости от типа структуры

Тип структуры а0, МПа 50, % ¥0, % КСи0, МДж/м2

Среднее ± стат. ошибка Доверит. интервал Среднее ± стат. ошибка Доверит. интервал Среднее ± стат. ошибка Доверит. интервал Среднее ± стат. ошибка Доверит. интервал

Глобулярная 378 ± 5,5 367-389 33 ± 0,3 32-34 70 ± 0,7 69-71 1,75 ± 0,02 1,7-1,8

Переходная 370 ± 6,7 355-385 32 ± 0,4 31-33 72 ± 0,8 70-74 1,78 ± 0,03 1,7-1,8

Смешанная 360 ± 7,8 340-380 31 ± 0,3 30-32 69 ± 0,5 68-70 1,76 ± 0,02 1,7-1,8

Пластинчатая 335 ± 9,9 324-346 30 ± 0,5 28-32 65 ± 1,4 62-68 1,9 ± 0,02 1,8-2,0

Таблица 6 Сопоставление фактических* и расчетных значений механических свойств прутков из сплава ВТ6 после отжига при температуре 800 °С

Факторы Тип структуры

глобулярная переходная смешанная пластинчатая

Диаметр прутка б, мм 38 50 25 90

[А1]СКВ, % мас. 8,2 8,5 8,2 8,8

Мо] ЭКР, % мас. 3,3 4,1 3,3 3,4

Тпп, °С 1020 1060 1020 1015

М, °С 220 260 220 215

Тотж, ч 1 1 1 2

ств, МПа, факт 1005; 1006 1063; 1060 1002; 1005 1026; 1009

ств, МПа, расчет 1014± 11 1058±15 1002±20 970 ± 11

5, %, факт 16; 17 17; 18 16; 18 9; 11

5, %, расчет 16,6 ± 1,0 16,2 ± 1,0 15,5 ± 1,0 9,4 ± 2,0

¥, %, факт 31; 43 34; 38 35; 39 19; 18

¥,%, расчет 38,3 ± 1,0 36,8 ± 2,0 39 ± 1,0 25 ± 3,0

КСи, МДж/м2, факт 0,47; 0,5 0,38; 0,39 0,43; 0,49 0,49; 0,55

КСи, МДж/м2, расчет 0,43 ± 0,05 0,41 ± 0,05 0,4 ± 0,05 0,58 ± 0,01

* Приведены результаты двух измерений.

пользовательский интерфейс на основе фреймворка Qt. Расчетные модули базируются на использовании языка программирования С++ и среды Microsoft Visual Studio 2019. Программа представляет собой desktop-приложение, состоящее из нескольких модулей. К настоящему времени реализованы модули «Эквиваленты», «ТПП», «Механические свойства прутков диаметром 15-150 мм из сплава ВТ6». По сравнению с JMatPro разработанный модуль позволяет прогнозировать более широкий спектр стандартных механических свойств прутков при комнатной температуре (предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение, ударную вязкость, твердость по Роквеллу и Бри-неллю) в зависимости от диаметра прутка, режимов отжига, химического состава, типа структуры, а также проводить расчет эквивалентов и температуры полиморфного превращения.

Полученные результаты можно использовать не только для прогнозирования свойств прутков и разработки пакетов прикладных программ, но и для обоснования режимов обработки давлением и термической обработки, способствующих формированию регламентируемой структуры, для моделирования и оптимизации технологических процессов производства полуфабрикатов, а также для обеспечения высокого качества изделий [24].

Выводы

1. Получены экспериментальные данные о совместном влиянии химического состава и

типа структуры на механические свойства катаных прутков из сплава ВТ6 после простого отжига по различным режимам.

2. Установлено, что при одинаковом химическом составе образцы с глобулярной структурой имеют более высокие характеристики прочности (на - 90-120 МПа) и пластичности (на -5-10 %) по сравнению с пластинчатой структурой, а ударная вязкость ниже на - 0,2-0,25 МДж/м2.

3. На основе корреляционного анализа выявлено, что каждый из исследованных факторов (содержание легирующих элементов и примесей, режимы отжига, диаметр прутка) в отдельности недостаточно сильно влияет на уровень механических свойств прутков из сплава ВТ6. Однако их совместное действие приводит к значительной вариации свойств.

4. Для разных типов структуры предложены регрессионные модели для прогнозирования (с доверительной вероятностью 0,95) механических свойств катаных прутков диаметром 15-150 мм из сплава ВТ6 в зависимости от эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену, разницы между температурой полиморфного превращения и температурой отжига, от продолжительности отжига и диаметра прутка.

5. Разработан ППП для расчета эквивалентов, прогнозирования температуры полиморфного превращения и кратковременных механических свойств прутков из сплава ВТ6 с разной структурой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Saunders N., Li X., Miodownik A.P., Schille J.-P.

An Intergrated Approach to the Calculation of Materials Properties for Titanium Alloys // Titanium - 2003: Titanium Science and Technology. Hamburg. 2003. P. 1397-1404.

2. Сидоров А. JMatPro - программный пакет для моделирования свойств сталей и сплавов // Инструменты АРМ. 2015. С. 2-4.

3. JMatPro. Practical software for material properties [Электронный ресурс] // URL: www.sentesoftware.co.uk.

4. Огородникова О.М. О проблемах интеграции вычислительного материаловедения в цифровое машиностроение // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2 (154). С. 30-34.

5. Hill J., Mulholland G., Persson K., Seshadri R., Wolverton C., Meredig B. Materials science with

large-scale data and informatics: Unlocking new opportunities // MRS Bulletin. 2016. Vol. 41. May. P 399-409.

6. Furrer D., Chatterjee A., Shen G., Woodfield A., Semiatin S.L., Miller J., Glavicic M., Goetz R., Barker D. Development and Application of Microstructure and Mechanical Property Models for Titanium Alloys // Titanium'2007: Science and Technology: Proceedings 11th World Conference on Titanium. Kyoto. Japan. 3-7 June 2007. Vol. 1. P.781-784.

7. Kar S., Searles T., Lee E., Viswanathan G.B., Ti-ley J., Banerjee R., Fraser H.L. Modeling the tensile properties in p-processed a/p Ti alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 2006. Vol. 37A. Marth. P. 559-566.

8. Xiaohui Shi, Weidong Zeng, Yu Sun, Yuanfei Han, Yongqing Zhao, Ping Guo. Microstructure-Tensile

Properties Correlation for the Ti-6Al-4V Titanium Alloy // JMEPEG (2015) 24:1754-1762.

9. Yu Sun, Weidong Zeng, Yuanfei Han, Yongqing Zhao, GuiWang, Matthew S. Dargusch, Ping Guo. Modeling the correlation between microstructure and the properties of the Ti-6Al-4V alloy based on an artificial neural network // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528, Issues 29-30. 15 November. Р. 8757-8764.

10. Kimmig J., Zechel S., Schubert U.S. Digital Transformation in Materials Science: A Paradigm Change in Material's Development // Advanced Materials. 2021. Vol. 33. № 8. 2004940. https://doi.org/10.1002/ adma.202004940.

11. Вершков А.В., Оспенникова О.Г., Неруш С.В. Разработка концепции интегрированной информационной системы по свойствам авиационных материалов с возможностью расчета характеристик разрабатываемых новых материалов // Труды ВИАМ. 2015. № 5. С. 3-6.

12. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Mamonov I.M. The Study of the Complex Mechanical Properties of Rolled Bars of VT6 Alloy As a Function of Chemical Composition and Structure Type // Materials Science Forum. 2020. 989 MSF. Р. 283-289.

13. Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В., Белова С.Б., Чибисова Е.В. Прогнозирование механических свойств титановых сплавов в зависимости от эквивалентов по алюминию и молибдену // Материаловедение. 2015. № 5. С. 24-30.

14. Ильин А.А., Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В. Об использовании эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену в производстве титановых сплавов // Титан. 2018. № 4. С. 11-19.

15. Egorova Y.B., Davydenko L.V., Shmyrova A.V. Prediction of Mechanical Properties of Ti-6AI-4V Titanium Alloy Bars Depending on Aluminum and Molybdenum Strength Equivalents // Selected peer-reviewed

full text papers from the 6th International Conference on Industrial Engineering (6th ICIE 2020), Solid State Phenomena. 2021. Vol. 316. Р. 227-232.

16. Saunders N. Modelling of Phase Equilibria in Ti-alloys // Titanium'95: Science and Technology: Proc. 8th World Conf. on Titanium. UK. Birmingham. London. 1996. Р. 2167.

17. Guo Z., Malinov S., Sha W. Modelling beta transus temperature of titanium alloys using artificial neural network // Computational Materials Science. 2005. Vol. 32. N. 1. Р. 1-12.

18. Ночовная Н.А. Анташев В.Г., Ширяев А.А., Алексеев Е.Б. Выбор композиции нового жаропрочного титанового сплава с применением методов математического моделирования // Титан. 2015. № 1. С. 10-17.

19. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справ. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.

20. Борисова Е.А. и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. 464 с.

21. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе Statistica в среде Windows. Основы теории и интенсивная практика на компьютере. М.: Финансы и статистика, 2006. 368 с.

22. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.

23. Гринберг В.А. Обоснование требований к структуре, состоянию поверхности и свойствам крупногабаритных элементов конструкций из сплава ВТ6. Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МАТИ, 1984. 23 с.

24. Egorova Y.B., Skvortsova S.V., Chibisova E.V., Davydenko L.V. Increasing the Stability of Mechanical Properties of Semifinished Products from Ti-6Al-4V Alloys by Correcting the Alloying Range and Annealing Modes // Metallurgist. 2021. 65(7-8). Р. 872-885.

REFERENCES

1. Saunders N., Li X., Miodownik A.P., Schille J.-P.

An Intergrated Approach to the Calculation of Materials Properties for Titanium Alloys // Titanium - 2003: Titanium Science and Technology. Hamburg. 2003. P. 1397-1404.

2. Sidorov A. JMatPro - programmnyy paket dlya mo-delirovaniya svoystv staley i splavov // Instrumenty ARM. 2015. S. 2-4.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. JMatPro. Practical software for material properties [Elektronnyy resurs] // URL: www.sentesoftware.co.uk.

4. Ogorodnikova O.M. O problemakh integrat-sii vychislitel'nogo materialovedeniya v tsifrovoye mashinostroyeniye // Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve. 2014. № 2 (154).

S. 30-34.

5. Hill J., Mulholland G., Persson K., Seshadri R., Wol-verton C., Meredig B. Materials science with large-scale data and informatics: Unlocking new opportunities // MRS Bulletin. 2016. Vol. 41. May. P. 399-409.

6. Furrer D., Chatterjee A., Shen G., Woodfield A., Semiatin S.L., Miller J., Glavicic M., Goetz R., Barker D. Development and Application of Micro-

structure and Mechanical Property Models for Titanium Alloys // Titanium'2007: Science and Technology: Proceedings 11th World Conference on Titanium. Kyoto. Japan. 3-7 June 2007. Vol. 1. P.781-784.

7. Kar S., Searles T., Lee E., Viswanathan G.B., Ti-ley J., Banerjee R., Fraser H.L. Modeling the tensile properties in p-processed a/p Ti alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 2006. Vol. 37A. Marth. P. 559-566.

8. Xiaohui Shi, Weidong Zeng, Yu Sun, Yuanfei Han, Yongqing Zhao, Ping Guo. Microstructure-Tensile Properties Correlation for the Ti-6Al-4V Titanium Alloy // JMEPEG (2015) 24:1754-1762.

9. Yu Sun, Weidong Zeng, Yuanfei Han, Yongqing Zhao, GuiWang, Matthew S. Dargusch, Ping Guo. Modeling the correlation between microstructure and the properties of the Ti-6Al-4V alloy based on an artificial neural network // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528, Issues 29-30. 15 November. P. 8757-8764.

10. Kimmig J., Zechel S., Schubert U.S. Digital Transformation in Materials Science: A Paradigm Change

in Material's Development // Advanced Materials. 2021. Vol.33. № 8. 2004940. https://doi.org/10.1002/ adma.202004940.

11. Vershkov A.V., Ospennikova O.G., Nerush S.V. Raz-rabotka kontseptsii integrirovannoy informatsionnoy sistemy po svoystvam aviatsionnykh materialov s vozmozhnost'yu rascheta kharakteristik razrabatyvay-emykh novykh materialov // Trudy VIAM. 2015. № 5. S. 3-6.

12. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Mamonov I.M.

The Study of the Complex Mechanical Properties of Rolled Bars of VT6 Alloy As a Function of Chemical Composition and Structure Type // Materials Science Forum. 2020. 989 MSF. P. 283-289.

13. Yegorova Yu.B., Davydenko L.V., Belova S.B., Chibisova Ye.V. Prognozirovaniye mekhanicheskikh svoystv titanovykh splavov v zavisimosti ot ekvivalen-tov po alyuminiyu i molibdenu // Materialovedeniye. 2015. № 5. S. 24-30.

14. Il'in A.A., Pol'kin I.S., Yegorova Yu.B., Davydenko L.V. Ob ispol'zovanii ekvivalentov legiruyushchikh elementov i primesey po alyuminiyu i molibdenu v proizvodstve titanovykh splavov // Titan. 2018. № 4. S. 11-19.

15. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Shmyrova A.V.

Prediction of Mechanical Properties of Ti-6AI-4V Titanium Alloy Bars Depending on Aluminum and Molybdenum Strength Equivalents // Selected peer-reviewed full text papers from the 6th International Conference on Industrial Engineering (6th ICIE 2020), Solid State Phenomena. 2021. Vol. 316. P. 227-232.

16. Saunders N. Modelling of Phase Equilibria in Ti-alloys // Titanium'95: Science and Technology: Proc.

8th World Conf. on Titanium. UK. Birmingham. London. 1996. P. 2167.

17. Guo Z., Malinov S., Sha W. Modelling beta transus temperature of titanium alloys using artificial neural network // Computational Materials Science. 2005. Vol. 32. N. 1. P. 1-12.

18. Nochovnaya N.A., Antashev V.G., Shiryayev A.A., Alekseyev Ye.B. Vybor kompozitsii novogo zharo-prochnogo titanovogo splava s primeneniyem me-todov matematicheskogo modelirovaniya // Titan. 2015. № 1. S. 10-17.

19. Il'in A.A., Kolachev B.A., Pol'kin I.S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva. Sprav. M.: VlLS-MATI, 2009. 520 s.

20. Borisova Ye.A. i dr. Titanovyye splavy. Metallogra-fiya titanovykh splavov. M.: Metallurgiya, 1980. 464 s.

21. Borovikov V.P., Ivchenko G.I. Prognozirovaniye v sisteme Statistica v srede Windows. Osnovy teorii i intensivnaya praktika na komp'yutere. M.: Finansy i statistika, 2006. 368 s.

22. Glazunov S.G., Moiseyev V.N. Konstruktsionnyye titanovyye splavy. M.: Metallurgiya, 1974. 368 s.

23. Grinberg V.A. Obosnovaniye trebovaniy k strukture, sostoyaniyu poverkhnosti i svoystvam krupnogabarit-nykh elementov konstruktsiy iz splava VT6. Avtoref. dis. kand. tekhn. nauk. M.: MATI, 1984. 23 s.

24. Egorova Yu.B., Skvortsova S.V., Chibisova E.V., Davydenko L.V. Increasing the Stability of Mechanical Properties of Semifinished Products from Ti-6Al-4V Alloys by Correcting the Alloying Range and Annealing Modes // Metallurgist. 2021. 65 (7-8). P. 872-885.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.