Структурно-фазовые превращения в материалах деталей машин под действием электромеханической обработки

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 4 1 Состояние вопроса ................................................................................. 6 1.1 Анализ состава, структуры и свойств титановых сплавов ............. 6 1.2 Структурные превращения в титановых сплавах при термическом воздействии........................................................................................................ 10 1.3 Основные методы термической обработки титановых сплавов .. 15 1.3.1 Получение неравновесной структуры сплава............................. 16 1.3.2 Способы закалки и свойства закаленного титанового сплава .. 17 1.3.3 Строение и структура зоны лазерного воздействия титановых сплавов при лазерной закалке................................................................ 20 1.3.4 Химико-термическая обработка титановых сплавов ................. 22 1.3.5 Электромеханическая обработка титановых сплавов................ 25 1.4 Контроль качества поверхностной обработки............................... 27 1.5 Постановка цели выпускной квалификационной работы ............ 28 2 Материалы и методики исследований............................................... 30 2.1 Объекты исследований..................................................................... 30 2.2 Пробоподготовка............................................................................... 31 3 Исследовательская часть..................................................................... 37 3.1 Анализ исходных образцов.............................................................. 37 3.2 Исследование влияния электромеханической обработки ............ 38 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 47 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................ 48 ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................... 51

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Глазунов С.Г. Конструкционные титановые сплавы/ В. Н. Моисеев – М.: Металлургия, 1974. – 368 с. 2. Ильин А.А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства / Б .А. Колачёв, И. С. Полькин // Справочник. – М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. – 520 с. 3. Колачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов/ В. И. Елагин, В. А. Ливанов, - 3-е изд. –М.: МИСиС, 1999. - 416 с.; 4-е изд. 2005. - 432 с. 4. Новиков И.И. Металловедение, термообработка и рентгенография/ Г. Б. Строганов, А. И. Новиков. – М.: МИСИС, 1994. – 480 с. 5. Металлография титановых сплавов. Коллектив авторов/ Под общ. ред. д.т.н., проф. Глазунова С.Г., д.т.н., проф. Колачева Б.А. – М.: Металлургия, 1980. – 464 с. 6. Воздвиженский В.М. Сплавы цветных металлов для авиационной техники/ А. А. Жуков, А. Д. Постнова, М. В. Воздвиженская, Под общ. ред. В.М. Воздвиженского. – Рыбинск: РГАТА, 2002. – 219 с. 7. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах/ – М.: Наука, 1994. – 304 с. 8. Хорев А.И. Титановые сплавы для авиакосмической техники и перспектива их развития/Авиационные материалы и технологии// 2002, №2, С. 11-32. 9. Хорев А.И. Титан – это авиация больших скоростей и космонавтика/ Технология легких сплавов// 2002, №4, С. 92-97. 10. Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов/– М.: Машиностроение. 1979. – 228 с. 11. Моисеев В.Н. Поляк Э.В. Соколова А.Ю. //МиТОМ, 1975, №8, С. 45- 49.49 12. Должанский Ю.М. Изв. вуз. Цветная металургия/ В. Н. Моисеев, Л. И. Сибелева, Л. Н. Тереньтьева - 1973, №4, С. 132-137. 13. Багмутов В.П. Структура и микротвердость титановых сплавов после электромеханической обработки и ультразвукового поверхностного легирования/ В. И. Водопьянов, Д. С. Денисевич, И. Н. Захаров, Е. Б. Захарова – 2015. – №4. – С. 272-276. 16. Фёдорова Л.В. РИТМ Электромеханическая обработка для тяжелого машиностроения/ К. С. Фёдоров, В. П. Багмутов, В. И. Калита, И. Н. Захаров – 2012. – №73, – С. 16 17. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой/ - 1989, 200 с. 18. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений/ И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, 378 с. 19. Малышко С.Б. Влияние режимов электромеханической обработки на параметры шероховатости поверхности деталей/ В. В. Тарасов// Вестник Морского государственного университета/ 2013, № 60, С. 14-17. 20. Махалов А.Г. Исследование надежности технологической обработки зубчатых колес Авсиевич С.Г. В книге: НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ Тезисы докладов студенческой научной конференции. Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР; под редакцией Махалова А.Г.. – 1986. – №2. – С. 30. 21. Крапошин В.С. Инженерные соотношения для глубины поверхностного нагрева металла высококонцентрированными источниками энергии// МИТОМ. – 1999. – No7. – С. 31-36. 22. Федорова Л. В. Повышение износостойкости резьбовых соединений бурильных труб электромеханической поверхностной закалкой/ Ю. С. Иванова, М. В. Воронина // Записки Горного института. – 2017. – Т. 226. – С. 456-461. 23. Морозов А.В., Федорова Л.В., Горев Н.Н., Шамуков Н.И. Исследование влияния режимов сегментной электромеханической закалки на50

1 Состояние вопроса 1.1 Анализ состава, структуры и свойств титановых сплавов Прочность титановых сплавов определяется содержанием ?- и ?-фаз, соотношением их количества, степенью дисперсности и однородности структуры. 1.2 Структурные превращения в титановых сплавах при термическом воздействии Возможность изменять соотношение ?- и ?-фаз в отожженном состоянии при легировании, а так же применение отжига и закалки со старением отличает титановые (?+?)-сплавы большим разнообразием структуры [12]. Увеличение численности способных к распаду при отпуске и старении метастабильных фаз, зафиксированных при закалке, приводит к увеличению cодержания ?-стабилизаторов в (?+?)-сплавах, усиливая эффект термического упрочнения [3]. Освоение производства полуфабрикатов из (?+?)-титановых сплавов вызвало необходимость подробного изучения связи структуры и фазового состава с механическими свойствами. Требуемый комплекс механических свойств обеспечивается однородной макроструктурой и мелкозернистой микроструктурой получаемых с помощью термомеханических режимов регулирования [4]. Малая величина внутризеренного наклепа в процессе полиморфного превращения и интенсивный рост зерна при переходе в ?-состояние делает невозможным исправление исправление крупнозернистой структуры только термической обработкой [5]. В связи с тем, что при термической обработке меняется, в основном, фазовый состав, форма и размеры структурных составляющих, поэтому для каждого полуфабриката разработана технологическая схема его изготовления. С целью получения структуры необходимого качества для каждого полуфабриката разработана технологическая схема его изготовления. Однако на практике все равно встречаются аномальные структуры: разнозернистые, крупнозернистые, полосчатые, структуры с локальным выделением грубой ?-фазы.11 Для штампованных полуфабрикатов характерны разнозернистые и крупнозернистые макроструктуры, что связано с захолаживанием металла при высокотемпературной ковке до температуры ниже температуры полиморфного превращения; захолаживанием металла при высокотемпературной ковке до района критических температур; малой степенью деформации всего объема металла или отдельных его участков в зонах затрудненной деформации [6]. Разнозернистая структура устраняется термомеханическим процессом деформирования заготовок, протекающим в ?-области, обеспечивая измельчение литой структуры слитка. Изготовление изделий должно заканчиваться деформированием при температурах ???-области. Полосчатость образована полосами, вытянутыми в определенном направлении, на фоне однородной структуры (рис. 2). При изготовлении полуфабрикатов, получаемых деформированием в одном направлении: сортовой прокат, толстые листы и плиты, прессованные изделия, велика вероятность встретить полосчатую структуру. а) б) в) г) Рисунок 2 – Виды дефектов структуры, связанных с условиями деформирования: а) – крупнозернистая макроструктура изделия, б) – разнозернистая макрозернистая структура изделия, в) – полосчатость в катаном листе, г) – включения ?-фазы в изделии [7]12 Существует полосчатость деформационного происхождения и полосчатость, обусловленная химической неоднородностью. При изготовлении изделия может возникнуть полосчатость деформационной природы вследствие неравномерной или неоднородной деформации. Для предотвращения образования локальных зон деформации температура нагрева под деформацию при штамповке лопаток должна соответствовать Ткр - (30-50)°С. При превышении указанной температуры происходит огрубление структуры и перегрев ?–области из-за высокой скорости рекристаллизации. При штамповке ниже данной температуры возникают полосчатые зоны. Зонам полосчатости свойственна нестабильность механических свойств, а в зонах локализации деформации возможно возникновение трещин. Производство толстых листов и плит, как правило, осуществляется методом горячей прокатки в ?-области за один нагрев. Прокатку заканчивали при температурах ???-области. Из-за невозможности протекания рекристаллизационных процессов при данных температурах происходило развитие полосчатых структур. Механические свойства горячекатаных листов отличались крайней нестабильностью. Для уменьшения поверхностного газонасыщения применяется мощное прокатное оборудование, позволяющее проводить горячую прокатку при температурах ???-области, однако это может привести к образованию грубой полосчатой структуры. Если в процессе прокатки технологического процесса изготовления листов большой толщины отсутствует либо существенно ограничена последующая теплая или холодная деформация необходимо принять меры предотвращающих образование полосчатой структуры при горячей прокатке. Одной из таких мер, является совмещение горячей и теплой прокатки с одного нагрева путем захолаживания заготовок и последующей деформации по режиму теплой прокатки. В данном методе невозможно контролировать температуру захолаживания, что вследствие низкой теплопроводности приводит к появлению13 температурного градиента и усугубляет структурную неоднородность, что является существенным недостатком. Наиболее эффективным и экономичным путем улучшения структуры, повышения уровня стабильности механических свойств листов и плит является горячая прокатка за два нагрева по схеме: горячая прокатка сляба с преимущественной деформацией в верхнем интервале температур ?+?-области, охлаждение полосы до комнатной температуры, нагрев при температуре ?+?- области (на 50-60°С ниже Ткр),прокатка полосы до требуемых размеров с обжатием не менее 40% [8]. Микроструктура толстых листов и плит, полученных таким способом, характеризуется отсутствием полосчатости, четко выраженных границ?-зерен, наличием равномерной дисперсной смеси ?+?-фаз. При этом повышается уровень и стабильность механических свойств, особенно пластических характеристик. Для ?- и псевдо-?-сплавов титана увеличение уровня прочности как правило связано с твердорастворным механизмом упрочнения как за счет легирования алюминием и нейтральными упрочнителями, так и ?- стабилизаторами на пределе их растворимости в ?-фазе. В (?+?)-сплавах кроме твердорастворного упрочнения может быть реализовано дисперсионное упрочнение, реализуемое в процессе закалки и последующего старения. При увеличении содержания ?-стабилизаторов прочностные свойства промышленных (?+?)-сплавов в отожженном состоянии возрастают, достигая максимума при таком их содержании, которое обеспечивает примерно равное количество ?- и ?-фаз. Однако упрочнение, обусловленное переходными элементами, алюминием и нейтральными упрочнителями, не должно превышать приемлемого предела, свыше которого теряется пластичность, технологичность сплавов, вязкость разрушения, резко возрастает скорость роста трещин. При сопоставимых количествах ?-стабилизаторов в структуре типичных (?+?)-сплавов содержится примерно одно и то же количество ?-фазы. В то же время сплавы системы Тi-Аl-Мо прочнее, чем более технологичные сплавы системы Тi-Аl-V. При аналогичном уровне прочности (?+?)-сплавы технологичнее ?-сплавов и жаропрочных псевдо-?-сплавов [1]. Характер микроструктуры существенно влияет на механические свойства отожженых (?+?)-титановых сплавов. Сплавы с зернистой и пластинчатой структурой имеют наибольшие различия. Для сплавов с зернистой структурой7 характерны: пластичность, технологичность, высокая циклическая прочность, кратковременная прочность, ударная вязкость. В (?+?)-сплавах с зернистой структурой частицы ?- и ?-фаз настолько мелки, что сплавы способны к сверхпластической деформации при температурах 900-950°С без какой-либо специальной предварительной обработки [1]. Сплавы с пластинчатой структурой отличаются малой скоростью распространения трещин, высокой вязкостью разрушения, ударной вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках пластичности и циклической выносливости. При распространении трещины в подобной структуре происходит её сильное ветвление, что обуславливает высокую вязкость разрушения [1, 2]. Параметры пластинчатой структуры, такие как величина исходного ?- зерна, размер ?-колоний, толщины ?-пластин влияют на механические свойства сплава. Механические свойства сплава могут быть существенно повышены при регулировании параметров структуры. Наибольшее влияние регулирование оказывает на показатели пластичности [1, 2]. В таблице 1 приведена общая характеристика механических и эксплуатационных свойств титановых сплавов с различным типом микроструктуры. Оптимальное сочетание механических и ресурсных свойств может быть достигнуто при бимодальной структуре [9, 7]. Достоинства материалов с пластинчатой и глобулярной структурами, а именно их механические свойства сочетаются при объемной доле ?-фазы в районе 7,5-30%. В процессе высокотемпературной деформации в ?+?-области ?- фаза оказывает тормозящее воздействие на рост ?-фазы, в результате чего формируется мелкозернистая структура с регламентированным внутренним строением. Это объясняет оптимальный комплекс свойств сплавов с бимодальной структурой, для которых регламентируются доля и размер первичной ?-фазы, размеры исходных ?-зерен, толщину пластин вторичной ?- фазы. В пластинчатой структуре ?-колонии располагаются в бывшем ?-зерне (рис. 2).8 Бимодальная структура получается при нагреве в (?+?)-область и последующем медленном охлаждении; структура состоит из первичной ?-фазы и ?-превращённой матрицы (рис. 1). Равноосная или глобулярная структура формируется при деформации в (?+?)-области с последующим рекристаллизационным отжигом при температурах ниже ?-области (рис. 1). Структура корзиночного плетения образуется при деформации вблизи температуры Ас3 или при комбинированной деформации, когда её формирование начинается в ?-, а заканчивается в (?+?)-области. Таблица 1 – Общая характеристика ?+?-титановых сплавов с различной микроструктурой Тип структуры Повышение свойств Понижение свойств Глобулярная (равноосная) Прочность, пластичность, сопротивление зарождению усталостной трещины, предел выносливости; сопротивление малоцикловой усталости. Вязкость разрушения, сопротивление росту усталостных трещин, ударная вязкость. Пластинчатая Вязкость разрушения, сопротивление росту усталостной трещины, ударная вязкость; сопротивление ползучести, длительная прочность. Пластичность, сопротивление зарождению усталостной трещины, сопротивление малоцикловой усталости. Корзиночного плетения Длительная прочность, предел ползучести. Прочность. Предел выносливости. Пластичность. Бимодальная Регулируя параметры бимодальной структуры, в частности долю первичной ? - фазы в ? - превращенной пластинчатой матрице, можно получить широкий комплекс свойств от уровня, характерного для глобулярной структуры, до уровня, свойственной пластинчатой структуре.