CC BY
57
- 1 М5). 2008 i
The influence of the heating temperature at testing on mechanical characteristics and durability of the samples of plates of melt B23 is investigated.
В. Н. ФЕДУЛОВ, БИТУ
РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ И СВОЙСТВА СПЛАВА ВТ23 ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
УДК 621.74
го СИ
о
1300
1200
1100
1000
900
800
700
Исследовали влияние температуры нагрева (20-500 °С) при испытании на механические свойства и длительную прочность образцов плиты из сплава ВТ23, термоупрочненных на уровни св=1080—1280 МПа с использованием нагрева под закалку в течение 1 ч при температуре 710—850 °С и состаренных при температуре 475, 570, 610 °С в течение 8 ч, а также только старения при 475 °С (8 ч) образцов плиты из сплава ВТ23 в горячедеформированном состоянии. Результаты исследования приведены на рисунке и в таблице.
Сначала исследовали влияние температуры нагрева под закалку на изменение механических свойств при повышенных температурах. Для этого образцы размерами 15x15x80 мм закаливали соответственно с температуры 710 °С в воде, с 770 °С - в масле и с 850 °С — на воздухе, а затем старили при 475 °С. Такие же образцы из плиты старили в горячедеформированном состоянии при 475 °С. Прочность сплава ВТ23 в последнем случае при 20 °С была в пределах ав=1080 МПа. Повышение температуры нагрева при закалке от 710 до 850 °С соответственно способствовало повышению прочности сплава при 20 °С до ав=1150, 1225 и 1280 МПа. Из рисунка видно, что прочность сплава ВТ23 при повышении температуры испытания от 20 до 500 °С носит для всех видов упрочнения с использованием старения при 475 °С идентичный характер: до температуры 450 °С (включительно) зависимость ав от повышения температуры испытания близка к прямолинейной и имеет примерно один и тот же угол наклона к оси абсцис. При повышении температуры испытания от 450 до 500 °С происходит более резкое и
100
200
400
500
300 t °Г
Изменение временного сопротивления разрыву образцов плиты толщиной 100 мм из сплава ВТ23, термоупрочненных по различным технологическим схемам, в зависимости от температуры испытания: 1 — исходное состояние + старение: 475 °С, 8 ч; 2 — 850 °С, 60 мин, вода + старение: 610 °С, 8 ч; 3 ~ 710 °С, 60 мин, вода + старение: 475 °С, 8 ч; 4 - 850 °С, 60 мин, вода + старение: 570 °С, 8 ч; 5~ 770 °С, 60 мин, масло + старение: 475 °С, 8 ч; 6 - 850 °С, 60 мин, воздух + старение: 475 °С, 8 ч
достаточно схожее снижение прочности опять же во всех случаях (кривые 7, 2, J, 4 на рисунке). Влияние температуры нагрева при закалке образцов плиты на длительную прочность носит несколько иной характер, к тому же здесь определенную роль играет разница в прочности исходных (при Гисп= 20 °С) образцов. Но тем не менее из рисунка видно, что нагрев под закалку до температуры 850 °С при температуре старения 475 °С уже при температурах испытания 450 и 500 °С начинает проигрывать в значениях длительной прочности (несмотря на исходную более
14R [гтмлтк
lull /1 (45). 2008 -
Длительная прочность образцов плиты из сплава ВТ23 толщиной 100 мм
Режим термического упрочнения GB, МПа при температуре +20 °С GB, МПа при температуре испытания Температура испытания, °С Приложенное напряжение, МПа Длительная прочность, ч(не менее) Примечание
Старение 450 °С, 8 ч 1080 850-870 800 710 350 450 500 830 600 450 240 116 39 Образцы сняты Разрушен Разрушен
710 °С, нагрев 1 ч, охлаждение в воде+475 °С, 8ч 1150 925 850 750 350 450 500 880 600 450 260 130 37 Образцы сняты Разрушен Разрушен
760 °С, нагрев 1 ч, охлаждение в воде + 475 °С, 8 ч 1225 1000 950 825 350 450 500 880 600 450 300 155 30 Образцы сняты Разрушен Разрушен
850 °С, нагрев 1 ч, охлаждение на воздухе + 475 °С, 8 ч 1280 1060 975 850 350 450 500 880 600 450 300 105 28 Образцы сняты Разрушен Разрушен
высокую прочность) режиму упрочнения, где использовалась закалка с 710 °С или сплав ВТ23 старился в горячедеформированном состоянии (см. таблицу). Образцы, закаленные с 760 °С, начинают уступать по значению длительной прочности двум первым режимам при ¿исп=500 °С. Полученные результаты по длительной прочности при 450500 °С в данном случае можно объяснить следующим образом. Нагрев под закалку до 760 °С и особенно до 850 °С способствует изменению морфологии первичной ос-фазы, образовавшейся в результате деформации и являющейся весьма устойчивой при нагреве даже до 700 °С. При нагреве до 760 °С и особенно до 850 °С в течение 1 ч происходит процесс частичной коагуляции пластин первичной ос-фазы. Этот процесс, как известно [1], способствует снижению термической стабильности структуры (oc+ß)-титановых сплавов, так как образовавшиеся затем при старении (475°С, 8 ч) частицы третичной a^-фазы весьма неустойчивы при последующем нагреве до 450-500 °С в течение длительного времени.
Последнее заключение подтверждается и тем фактом, что увеличение температуры старения в случае закалки образцов с 850 °С в воде до 570 и 610 °С, хотя и снижало общий уровень прочности термоупрочненного сплава ВТ23, но способствовало повышению длительной прочности при температурах испытания 450 и 500 °С (см. таблицу). Повышение температуры старения до 570 и 610 °С (8 ч) благоприятно сказалось и на сохранении прочности термоупрочненного сплава ВТ23 при температуре испытания 500 °С (см. рисунок, кривые 5, 6), так как прямолинейная зависимость понижения ав при повышении /исп (кстати, угол наклона прямой части кривых 5 и 6 сохранился и при повышении температуры старения до 570—610 °С) в данном случае про-
длилась вплоть до 500 °С. Одновременно следует отметить, что повышение температуры старения до 610 °С вместо 570 °С также отрицательно сказалось на значениях длительной прочности термоупрочненного сплава ВТ23 при температурах испытания 450 и 500 °С. Это вызвано тем фактом, что в результате нагрева при температуре 610 °С в течение 8 ч образуется более легированная а-стабилизаторами (по сравнению с нагревом при 570 °С) [2] (3-фаза. При последующем охлаждении образцов на воздухе (уохл=4 °С/с) она фиксируется в структуре сплава как метастабильная Рм-фаза, повторный длительный нагрев которой при 450 или 500 °С вызывает протекание диффузионных процессов, в результате чего снижается длительная прочность сплава ВТ23.
Данные, представленные на рисунке, могут быть использованы с достаточной степенью точности для прогнозирования эффекта потери прочности (разупрочнения) термически упрочненного сплава ВТ23 при температурах испытания вплоть до 450 °С. Формула, отражающая эффект понижения прочности сплава ВТ23 с пластинчатой структурой при повышении температуры испытания от 20 до 450 °С, может иметь следующий вид:
ав = '
где а'в, ~ временное сопротивление разрыву сплава ВТ23 при искомой температуре и температуре испытания 20 °С, МПа; к — коэффициент разупрочнения, равный (0,55-0,60) • 10 3 МПа/град; / -температура испытания, °С.
Определяли также значения основных эксплуатационных свойств при температуре испытания 20—500 °С образцов плиты из сплава ВТ23, заготовки которых размерами 17x17x100 мм были термоупрочнены по следующим схемам: а) старение при 450 °С в течение 10 ч; б) нагрев при
850 °С в течение 0,5 ч, охлаждение на воздухе + старение при 500 °С в течение 10 ч. После упрочнения горячедеформированного сплава ВТ23 за счет старения при 450 °С (10 ч) при температуре испытания 20 °С имели следующие значения механических свойств: ав=1120 МПа, а02=Ю40 МПа, #=118000 МПа, сиц=950 МПа, 5=10%, у=27%, КСи=0,47 МДж/м2, КСТ=0,28 МДж/м2, N (Л =2,6, атах=450 МПа)=34200—84100 циклов (УУр = =47700 циклов); при 400 °С: а=900 МПа, = =700 МПа, £=95000 МПа, снц=560 МПа, 5=10%, \|/=37%, а100=770-780 МПа; а0Ц2/]00=350-370 МПа; при 450 °С: ав=840 МПа, а02=680 МПа, Е= =91000 МПа, апц=530 МПа, 5=12%, \|/=49%, а1ОО=550 МПа; а500=480 МПа, а02/Ш0=200 МПа. При упрочнении заготовок с использованием закалки с 850 °С и старения при 500 °С (10 ч) значения механических свойств были следующими при температуре испытания 20 °С: ав=1225 МПа, 5=7%, \]/=16%, КСи=0,34 МДж/м2, КСТ= =0,14 МДж/м2, N (к=2,6; атах=450 МПа)=55800-89800 циклов (7^=66000 циклов); при 400 °С: ав=1000 МПа, 5=9%, \|/=20%; при 450 °С: а = =950 МПа, 5=14%, \|/=48%, аюо=550 МПа; при 500 °С: ав=820 МПа, 5=19%, \}/=66%, а100= =480 МПа.
Большое значение для эксплуатации конструкций при повышенных температурах имеет способность сплава сохранять исходные значения механических свойств после длительной выдержки при температурах эксплуатации. Для горячедеформированного сплава ВТ23, состаренного при 450 °С в течение 10 ч, дополнительная выдержка при температуре 400 или 450 °С в течение 1001000 ч, по-видимому, способствует дополнительному незначительному распаду р-фазы (яр=0,320 мм после старения при 450 °С в течение 10 ч, а после дополнительных выдержек яр=0,318—0,319 мм), что повышает уровень прочности после выдержки 100 ч соответственно для нагрева при 400 °С до ар=1180 МПа (после выдержки 1000 ч ав понижается до значений 1160 МПа из-за перестарива-ния) и для нагрева при 450 °С ав=1200 МПа (1000 ч соответственно ав= 1180 МПа), а02 — до 1060 и 1100 МПа; Е снижается до 114000 МПа, как и значения 5 (7 и 9%), \|/ (19 и 16%), и более
г.гтт* г: трмгшр, / т
- 1 (45). 2008/ IО Я
значительно после выдержки 1000 ч — KCU (до 0,35 МДж/м2) и КСТ (до 0,20 МДж/м2), а значения а100 и а0 2/100 для температур испытания 400 и 450 °С немного возрастают [3]. Дополнительный распад ß-фазы в процессе длительной выдержки при 400 и 450 °С в наибольшей степени способствует снижению малоцикловой усталости образцов сплава ВТ23 при комнатной температуре: значения Ncp снижаются до 34200— 44600 циклов (выдержка при 400 °С) и до 28400-30700 циклов (выдержка при 450 °С).
Для режима упрочняющей термической обработки, включающего закалку заготовок с 850 °С на воздухе и старение при 500 °С (10 ч), влияние длительных выдержек при температурах 400— 500 °С на механические свойства сплава ВТ23 с пластинчатой структурой идентично описанному выше [3].
Таким образом, установлено, что закономерное снижение прочности термоупрочненного сплава ВТ23 с пластинчатой структурой наблюдается в интервале температур испытания 20—450 °С. Снижение длительной прочности при температуре 400 и 450 °С вызывает повышение температуры закалки от 710 до 850 °С или повышение температуры старения выше 570 °С. На основании статистики предложена формула, позволяющая прогнозировать прочность сплава ВТ23 в интервале температуры испытания 20-450 °С. Одновременно определены значения основных свойств сплава ВТ23 при температуре испытания 20 и 450 °С, а также показана способность сплава сохранять свои свойства после длительных выдержек при температуре эксплуатации 400 °С в течение 100 и 1000 ч.
Литература
1. Влияние термической обработки на характеристики прочности титановых сплавов при статическом и циклическом нагружении / В.Н. Фидирко, А.Т. Лизун, Я.С. Щепанский и др. // Проблемы прочности. 1989. № 5. С. 95.
2. Химический состав и свойства а- и ß-фаз титанового сплава ВТ23/A.A. Ильин, В.М. Майстров, В.В. Засыпкин, М.Ю. Коллеров // Авиационные материалы. 1986. N° 1. С. 21-28.
3. Федулов В.Н. Влияние режимов термического упрочнения на свойства заготовок из сплава ВТ23 при повышенных температурах // Авиационная промышленность. 1993. № 3-4. С. 52-54.
