WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 05;12 Влияние электроимпульсной обработки на структуру и долговечность титановых сплавов © С.В. Лоскутов, В.В. Левитин Запорожский государственный технический университет, 69060 Запорожье, Украина e-mail: svl@zstu.edu.ua (Поступило в Редакцию 14 августа 2001 г.) Проведено исследование влияния обработки импульсами электрического тока на структуру и свойства титанового сплава ВТ3-1. Обнаружено, что электроимпульсная обработка титановых образцов приводит к увеличению их долговечности при испытаниях на многоцикловую усталость.

Анализу влияния мощных импульсов электрическо- новых сплавах после электроимпульсной обработки и го тока на изменения структуры металлов посвящен определение влияния такого вида обработки на многоряд работ [1–4]. В этих исследованиях показано, что цикловую усталость.

электрический ток плотности порядка 100 MA/m2 ока- Для исследований были изготовлены образцы из титазывает не только тепловое действие на кристалличе- нового сплава марки ВТ3-1 в форме одинарной лопатки скую решетку металла, но и специфическое влияние с размером рабочей части 2 10 60 mm. Обработку на структурные дефекты (электропластический эффект). поверхности осуществляли наклепом мелкими стальныТак, в работе [1] исследована возможность увеличения ми шариками, колеблющимися в ультразвуковом поле, усталостной долговечности сталей путем обработки их а также с помощью виброобработки. Виброобработка импульсами электрического тока. Представляется пер- состояла в том, что образцы закреплялись в кювете, спективным применить электроимпульсную обработку к содержащей рабочие элементы (керамические гранулы).

сплавам титана. При этом кювета приводилась в колебательное движеПрочностные характеристики титановых сплавов, со- ние, время и амплитуда колебаний варьировались.

держащих - и -фазы (марок ВТ3-1, ВТ8) отличают- Для обработки образцов импульсами электрического ся высокими эксплуатационными характеристиками. Об- тока одной полярности использовали разряд конденсаусловлено это метастабильностью - и особенно -моди- торной батареи электрогидроимпульсного пресса модефикаций, сложной кинетикой фазовых превращений, со- ли Т1220. Регулировка тока через образец осуществляпровождающейся образованием новых метастабильных лась изменением длины и толщины медной проволочки взрываемого проводника. В основном обработка образфаз [5]. Эти превращения происходят в локальных цов осуществлялась импульсами тока амплитудой пообъемах и кинетика их протекания связана с природой рядка 170 MA/m и длительностью 10 µs. Для определеи концентрацией легирующих элементов. Термическая ния температуры нагрева образцов применяли хромельобработка титановых сплавов, величина и длительность копелевую термопару, упруго прижатую в средней части статических и динамических нагрузок, поверхностная пластическая деформация и ряд других факторов опреде- образца. Очевидно, что таким образом фиксировалось несколько заниженное значение температуры разогрева ляют фазовый состав и кинетику фазовых превращений.

образца. Нагрев образцов при обработке импульсным В результате различного вида упрочняющих обработок током варьировался в интервале от 80 до 250C. Измев приповерхностном слое деталей из титановых сплавов нения состояния поверхности образцов оценивались по удается создать значительные по величине (до 850 MPa) остаточные сжимающие напряжения. Однако с форми- данным измерений распределения контактной разности рованием остаточных напряжений всегда связаны дру- потенциалов (КРП).

гие изменения материала, также влияющие на уста- Рентгеновская дифрактометрия образцов до и после электроимпульсной обработки проводилась на дифраклостную прочность. Накопленный экспериментальный тометре ДРОН-3М, работающем на линии с ПК [6].

опыт дает основание предположить, что использование Использовали монохроматизированное излучение лив качестве финишной обработки деталей, подверженных нии CoK. Остаточные макронапряжения рассчитывациклическим нагрузкам, импульсов электрического тока большой плотности позволит за счет преобладающего лись методом ”2 - sin2 ”, а для определения микровыделения тепловой энергии на дефектах кристалличе- деформаций и размеров блоков когерентного рассеяния ской структуры увеличить диффузионную подвижность применяли метод аппроксимации по уширению дифракатомов в их окрестности, привести дефектную структуру ционных линий.

к энергетически более выгодному равновесному термо- Для испытаний на многоцикловую усталость образдинамическому состоянию. цов служил малогабаритный пьезоэлектрический виброЦелью данной работы были рентгенодифрактометри- стенд [7]. Фиксировались частота колебаний, динамичеческое исследование структурных изменений в тита- ская нагрузка и число циклов до разрушения образцов.

134 С.В. Лоскутов, В.В. Левитин Характеристики структурного состояния образцов титанового сплава и результаты испытаний на усталость № партии Обработка Остаточные макро- Относительная микро- Размер Среднее число циклов образца напряжения, MPa деформация, 10-3 блоков D, nm до разрушения N, 08 Механическая шлифовка -82 2.5 17 0.и отжиг То же после импульса тока -103 1.7 19 0.(t = 250C) 07 Механическая шлифовка -37 2.8 18 0.и отжиг То же после импульса тока -38 2.5 16 1.(t = 250C) 04 Стальными шариками диа- -530 1.6 13 1.метром 1.9 mm в ультразвуковом поле, 3 min То же после импульса тока -560 1.5 14 1.(t = 80C) 05 Виброамплитудная шли- -590 1.2 12 1.фовка и полировка, 30 min То же после импульса тока -360 2.0 20 2.(t = 225C) 06 Виброамплитудное упроч- -320 0.9 14 2.нение керамическими гранулами диаметром 1.9 mm То же после импульса тока -285 2.4 22 5.(t = 250C) Для каждого вида механической обработки определялась сти). Было обнаружено, что после обработки импульспредельная нагрузка, при которой образцы не выдержи- ным током улучшается плосконапряженное состояние вали базу испытаний (2 · 106 циклов). Каждая партия поверхностного слоя образцов (улучшается линейность одного вида обработки составляла 6 образцов. Затем графиков в рентгеноструктурном методе определения образцы после электроимпульсной обработки испытыва- остаточных макронапряжений ”2 - sin2 ”) [8]. Полись на этой предельной нагрузке, а их долговечность видимому, это означает, что дефектная кристаллическая оценивалась по отношению к выбранной базе испытаний.

структура приповерхностного слоя металла становитВ таблице представлены средние значения числа циклов ся в результате электроимпульсного воздействия более до разрушения в каждой партии образцов. Отклонения однородной и в приповерхностном слое реализуется от среднего не превышали 30% для всех образцов.

плосконапряженное состояние материала.

После электрообработки на поверхности образцов образуются окисные пленки от светло-желтого до коричневого цвета. Геометрия распределения КРП, или энергетический рельеф поверхности, при этом существенно не изменяется. Это видно на рисунке, где прослеживаются особенности рельефа при общем сдвиге кривых КРП.

В районе зажима l = 22 mm, где образец имеет значительно большее сечение и осуществляется токосъем, не наблюдаются существенные изменения КРП. В рабочей области весь график смещается в сторону роста КРП (рост работы выхода электрона), что характерно для окисляющихся поверхностей сплавов титана.

Для определения величины остаточных напряжений в деформированных металлах измеряют углы Вульфа– Брэгга, близкие к /2. Точность этого метода зависит от возникающих в металле при деформации ориентированных микроискажений решетки, так как из-за них может нарушиться линейная зависимость межплоскостного Распределение КРП по поверхности образца: 1 —исходный, расстояния d от sin2 ( — угол между нормалью к 2 — повтор через 48 h, 3 — после обработки 1 импульсом тока поверхности образца и нормалью к отражающей плоско- 8 kV при нагреве до 250C, 4 — повтор через 48 h.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Влияние электроимпульсной обработки на структуру и долговечность титановых сплавов Кратковременность воздействия и сравнительно низ- в структуре, приводящими к увеличению усталостной кие температуры нагрева образцов вызывают ряд во- прочности образцов.

просов о механизмах структурных перестроек при воз- На основе полученных экспериментальных данных действии мощных импульсов тока на кристаллическую можно считать, что при обработе титановых образцов решетку. Поэтому были выполнены эксперименты по мощным импульсом электрического тока происходят изучению структурных изменений, вызванных влиянием структурные изменения, отличные от аналогичного тенагрева образцов постоянным электрическим током и плового воздействия постоянным током или вакуумного вакуумным отжигом. Образцы нагревались постоянным отжига. После обработки импульсным током улучшаеттоком до температуры 350C, а вакуумная обработка ся плосконапряженное состояние поверхностного слоя осуществлялась при температуре 650C в течение 3 h в образцов (улучшается линейность графиков в методе вакууме не хуже 2 · 10-5 mm Hg. ”2 - sin2 ”). В результате электроимпульсного воздейПо данным рентгенодифрактометрического анализа, ствия повышается усталостная долговечность образцов для образцов, подвергнутых нагреву постоянным током, из титанового сплава, подвергнутых различным поверхнаблюдалось незначительное увеличение интенсивности ностным упрочняющим обработкам.

дифракционных пиков. Фазовый состав при этом практически не изменился. Значительные изменения произошли Список литературы в остаточных макронапряжениях: они стали растягивающимися, уменьшились микродеформации, увеличились [1] Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф. и др. // ЖТФ.

размеры блоков мозаики. Нагрев образцов постоянным 2000. Т. 70. Вып. 3. С. 24–26.

током до 350C на воздухе приводит к образованию [2] Пинчук А.И., Шаврей С.Л. // ФТТ. 2001. Т. 43. Вып. 8.

окисной пленки, аналогичной той, что образуется при С. 1416–1417.

[3] Кирьянчев Н.Е., Троицкий О.А., Клевцур С.А. // Проблема электроимпульсной обработке.

прочности. 1983. № 5. С. 101–105.

Влияние вакуумного отжига приводило к росту ин[4] Дубовицкая Н.В., Захаров С.М., Лариков Л.Н. // Физ. и тенсивности дифракционных пиков и разделению близко хим. обраб. матер. 1980. № 3. С. 128–133.

расположенных фаз, снятию остаточных макронапряже[5] Дьякова М.А., Львова Е.А., Хаблиев С.З. // ФММ. 1977.

ний. Отжиг вызывал увеличение микродеформаций и Т. 44. Вып. 6. С. 1254–1261.

размеров блоков мозаики для поверхностей с исходными [6] Серпецкий Б.А., Левитин В.В., Лоскутов С.В., Маньостаточными макронапряжениями в большей степени, ко В.К. // Заводская лаборатория. 1998. Т. 64. Вып. 3. С. 28– чем для поверхностей без остаточных макронапряже30.

ний. Для образцов после ультразвуковой обработки и [7] Лоскутов С.В., Левитин В.В., Манько В.К., Серпецвиброшлифовки влияние последующего отжига проявлякий Б.А., Павлюткин Ю.С. // Заводская лаборатория. 1999.

лось в уменьшении разброса структурных параметров Т. 65. Вып. 7. С. 43–45.

[8] Васильев Д.М., Трофимов В.В. // Заводская лаборатория.

по образцам, макро- и микронапряжения становились 1984. Т. 50. Вып. 7. С. 20–29.

практически одинаковыми для всех образцов.

[9] Львова Е.А., Дьякова М.А., Хаблиев С.З. // Изв. АН СССР.

Результаты измерений и испытаний представлены в Металлы. 1979. № 1. С. 154–159.

таблице. Видно, что электроимпульсное воздействие благотворно сказалось на увеличении долговечности образцов, подвергнутых различным обработкам. Для образцов с поверхностным упрочнением электроимпульсная обработка привела к снижению остаточных макронапряжений. При этом выросли остаточные микронапряжения и несколько повысился размер блоков мозаики.

Данные рентгенодифрактометрического анализа свидетельствуют также об изменении фазового состава титановых сплавов при электроимпульсной обработке. Наиболее существенные изменения в процессе электрообработки претерпевают линии (200) и (110). Наблюдался рост интенсивности линии (200), что, по-видимому, означает протекание низкотемпературного превращения [9].

Испытания на многоцикловую усталость показали, что долговечность образцов после обработки единичным импульсом тока, когда остаточные сжимающие напряжения релаксировали на 100-150 MPa, выросла приблизительно в 2–3 раза при тех же уровнях динамической нагрузки. Возможно, что частичное снижение уровня остаточных напряжений сопровождалось изменениями Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.