Study of the influence of acoustic fields on the mechanical and technological properties of titanium VT1-0

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Исследования влияния магнитных полей, ультразвука (УЗ) и электрического тока на физические, механические и технологические свойства кристаллических тел [1–11] установили, что обработка с помощью физических полей позволяет создавать материалы с новыми, более высокими свойствами [1, 5, 9] и с возможностями изготовления продукции методами, использующими высокие скорости деформации при пониженных напряжениях и температурах. Разупрочнение (пластический эффект – ПЭ) при наложении механических колебаний (УЗ) на квазистатическую механическую нагрузку образцов – это акустопластический эффект – АПЭ [6, 7]; разупрочнение под влиянием электрического тока, который пропускается в процессе пластического деформирования образцов – электропластический – ЭПЭ [8–11] и под действием постоянного магнитного поля – магнитопластический – МПЭ [2–4] эффекты. Влияние физических полей на свойства материалов часто используют при модернизации существующих технологических процессов и создании новых технологий. Для получения изделий с заданными физическими, эксплуатационными свойствами и структурой материала требуется изучение процессов, протекающих в материалах, ранее не подвергавшихся этим видам обработки, так как автоматическая воспроизводимость результатов воздействия физических полей на свойства разных материалов практически не наблюдается. Это относится и к влиянию аэротермоакустической (АТАО) и аэроакустической (ААО) обработок, реализуемых в частотном диапазоне 600–2000 Гц, на структуру сталей и сплавов с целью формирования требуемого комплекса их механических и технологических свойств [12–16]. В работе исследовали влияние аэроакустической обработки на механические и технологические свойства титана ВТ1-0, который относится к широко применяемым коррозионностойким материалам.

МАТЕРИАЛ, ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование влияния ААО на свойства титана проводили на прутках ВТ1-0; прутки сварены. Механические свойства прутков в исходном состоянии (табл. 1, режим 1/1) находились в пределах: σ_В = 355–540 МПа; δ = 19–20%; ψ = 38–50%, определяемых ГОСТом 26492–85 для прутков ВТ1-0. Сварка не вызвала значительного изменения механических свойств. Однако сварка повышает уровень остаточных напряжений, для снижения которых в схеме технологических процессов, включающих сварку, предусмотрен отжиг. Часть образцов перед ААО были подвергнуты отжигу (650°C в течение 2 ч).

 

Таблица 1. Механические свойства образцов (сварка) из титана ВТ1-0 в исходном состоянии, после отжига и аэроакустической обработки

№ режима/№ образца	Вид обработки	σ0.2, МПа	σВ, МПа	δ, %	ψ, %
1/1	Исходное состояние	337	408	29	63
1/2	Исходное состояние	340	418	33	65
2/3	Отжиг	309	398	34	63
2/4	Отжиг	331	411	31	63
3/5	Отжиг + ААО1	310	398	35	64
4/6	Отжиг + ААО2	172	251	34	63
4/7*	Отжиг + ААО2	55	119	37*	65
4/		114	185	35	64
5/8	ААО2	199	282	36	64
5/9*	ААО2	62	104	28*	60
5/10	ААО2	75	166	33	64
5/		102	184	31	63

*Образцы не были разрушены в процессе испытания. При отсутствии номера образца приведены средние значения четырех испытаний.

 

К числу параметров аэроакустического воздействия при проведении ААО относятся: температура, скорость охлаждения, скорость потока газа, амплитудно-частотные характеристики, которые регулируются за счет варьирования геометрических характеристик установки, и время термоакустического воздействия. Рабочим газом может быть воздух, азот и другие среды. При проведении ААО может осуществляться воздействие температурных и акустических полей (АТАО) с целью формирования свойств материалов в требуемом направлении или только акустических полей и потока газа – ААО. ААО может быть использована как упрочняющая обработка, так и как обработка, снижающая остаточные напряжения, полученные при предшествующей обработке в материале изделия, и повышающая пластичность, что определяется параметрами режимов обработки [12–16]. Как упрочняющая ААО представляет собой комплексную обработку, включающую предварительную обработку, которой может быть холодная пластическая деформация или термическая обработка с охлаждением в традиционных средах (вода, масло, воздух) или в мощном акустическом поле звукового диапазона частот, при одновременном воздействии потока газа в диапазоне скоростей от десятка до сотен метров в секунду. При этом материал охлаждается до отрицательных температур в расширяющемся потоке газа, т. е. дополнительно реализуется обработка холодом [15, 16]. Одна из основных операций в технологии АТАО – обработка деталей, включающая криогенное воздействие, в мощном акустическом поле звукового диапазона дискретных частот (600–1200 Гц) с уровнем звукового давления до 150–160 дБ в потоке газа в резонаторе газоструйного генератора звука (ГГЗ).

Образцы в исходном состоянии были подвергнуты аэроакустическому воздействию в течение 10 мин при 20°C, без предварительного нагрева, с использованием специального технологического оборудования, включающего ГГЗ. В резонатор ГГЗ устанавливали контейнер с образцами в исходном состоянии и прошедшими отжиг. Обработку образцов проводили в резонаторе ГГЗ по режимам: ААО¹ и ААО², отличающимся амплитудно-частотными характеристиками.

Механические свойства определяли при испытании пятикратных цилиндрических образцов на статическое растяжение по ГОСТ 1497–84 на машине Shimadzu AGX-100кН. Погрешность определения нагрузки при испытаниях не превышает 1%, а напряжения (σ_в, σ_0.2) – 5 МПа. В процессе испытаний образцов синхронно записывали диаграммы “нагрузка–деформация” и фиксировали время деформирования материала. Это позволило определить скорость деформации (изменение относительного удлинения (%) в единицу времени; ее размерность %/с).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты механических испытаний на статическое растяжение образцов из ВТ1-0 в исходном состоянии, после отжига, отжига и обработки по режимам ААО¹ и ААО² приведены в табл. 1.

Разрыв всех образцов происходил вне зоны сварки прутков, что позволяет исключить сварку в качестве фактора, оказывающего значительное влияние на свойства материала. Два образца (№ 7, 9) не разрушились в процессе испытания, так как уровень нагрузки достиг величины, которая ниже уровня чувствительности оборудования, определяющего момент разрушения образца.

Отжиг и обработка по режиму № 3 с ААО¹ существенно не изменяют прочность титана, несколько повышая его пластичность по сравнению с характеристиками в исходном состоянии. Обе характеристики прочности σ_0.2 и σ_В снижаются, если после отжига проведена ААО² (режим № 4), более значительно снижается уровень условного предела текучести – σ_0.2, при повышении пластичности. Один из образцов, обработанных по режиму 4 (4/7), не разорвался при испытании на растяжение (значения σ_В = 104–120 МПа ниже уровня чувствительности машины). Обработка по режиму № 5 с ААО² без предварительного отжига оказывает на прочность ВТ1-0 влияние аналогичное обработке по режиму № 4; средний уровень σ_В = 184 МПа, пластичность несколько меньше, чем при наличии предварительного отжига δ = 31%. При испытании не разорвался образец № 5/9 также из-за низких значений σ_В. Относительное удлинение (δ) неразорвавшихся образцов определяли по величине равной ΔL в момент снижения напряжения до “0”. Диаграммы растяжения образцов титана после указанных выше обработок представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Диаграммы растяжения образцов титана ВТ1-0: а – отжиг; б, в – отжиг, ААО²; г, д – ААО² без отжига. Образцы на рис. 1в и д не разорвались.

 

В отожженном состоянии (рис. 1а, обр. № 2/4) при напряжении выше 400 МПа деформация с 9 до 24% идет при незначительно меняющейся нагрузке (~ 10–15 МПа), такой вид диаграмм растяжения характерен и для других образцов, прошедших разные виды обработки. При обработке по режиму № 3/5 (ААО¹ после отжига) вид диаграммы практически аналогичен представленному на рис. 1а, так же, как и величина максимального напряжения (σ_В). ААО² с предварительным отжигом – обр. № 4/6 (рис. 1б) существенно уменьшает уровень максимального напряжения при деформации.

После аналогичной обработки – обр. № 4/7 (рис. 1в) максимальное напряжение снижается до 120 МПа, при этом образец не разрушился в процессе испытания. В области деформаций с 12% до 28% этого образца небольшой, ступенчатый рост нагрузки свидетельствует о протекании деформации двойникованием. Обработка ААО² без предварительного отжига (рис. 1г, обр. № 5/10) также снижает максимальное напряжение; образец № 5/9 (рис. 1д) не разрушился в процессе испытания по вышеуказанной причине; пластичность при этом режиме ниже, чем при режиме обработки, в котором ААО² предшествует отжиг.

Скорость деформации титана в процессе испытания определяли в области пластической деформации: V₁ – от значений σ_0.2 – до достижения условного напряжения σ_В (область поперечного скольжения дислокаций) и V₂ – от уровня значений σ_В (с момента образования шейки в образце) до разрушения или снижения нагрузки до “0”. Величину деформации титана определяли в зонах: Δ₁ – при изменении максимальной нагрузки, не превышающем 10 МПа; Δ₂ – при примерно постоянной нагрузке, результаты приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Влияние режима обработки титана ВТ1-0 на скорость деформации и параметры диаграммы растяжения

№ режима/№ образца	Вид обработки	σВ, МПа	V1*, %/c	V2, %/c	Δ1**, %	Δ2, %	σР, MПа
1	Исх. состояние	413	0.41	0.48	15	6	280
2	Отжиг	405	0.52	0.52	15	7	274
3	Отжиг + ААО1	398	0.51	0.52	15	10	272
4/6	Отжиг + ААО2	251	0.53	0.54	16	8	120
4/7	Отжиг + ААО2	119	1.0	0.5	18	8	–
5/1	Исх. состояние + ААО2	283	0.53	0.52	20	7	160
5/2	Исх. состояние + ААО2	104	0.53	0.52	17	5	–
5/3	Исх. состояние + ААО2	166	0.52	0.52	21	7	40

*V₁, V₂, %/c – скорости деформации образца из титана, соответствующие участкам диаграммы растяжения: 1 – от σ_0,2 до достижения σ_В; 2 – от σ_В до разрушения или снижения нагрузки до “0”.

**Δ₁, Δ₂, % – относительная деформация титана: Δ₁ – в зоне изменения максимальной нагрузки, не превышающего 10МПа; Δ₂ – при постоянной нагрузке. Образцы 4/7 и 5/2 не разорвались. При отсутствии номера образца приведены средние значения четырех испытаний.

 

По сравнению с исходным состоянием после отжига скорость деформации возрастает наиболее интенсивно в области до достижения напряжений σ_В – V₁ при сохранении значений остальных параметров. ААО¹ после отжига (режим № 3) несколько увеличивает деформацию материала – Δ₂ при постоянной нагрузке.

Более существенное влияние на свойства ВТ1-0 оказывает обработка ААО² (режимы № 4, 5), реализуемая как после отжига, так и в его отсутствии; наряду со значительным снижением σ_В и σ_0,2 возрастает скорость деформации V₁ и величина деформации Δ₁, а при предварительном отжиге повышаются значения V₂ и Δ₂. Величина деформации при постоянной нагрузке при обоих видах ААО возрастает. Напряжение, при котором происходит разрыв образца – σ_Р, снижается при обработке титана по режимам № 4, 5.

Увеличение скорости деформации и снижение усилия деформации после ААО приводит не только к снижению энергетических затрат, но и повышает ресурс оборудования, в том числе повышая износостойкость деталей оборудования.

В работе [8] исследовали электропластический эффект при растяжении проволоки диаметром 0.8 мм из титана ВТ1-0. Наибольшее снижение прочности от воздействия ЭПЭ для проволоки титана ВТ1-0 было в ее отожженном состоянии и достигало ~ 200 МПа.

Воздействие аэроакустической обработки (снижение предела прочности с ~ 410 МПа (исходное состояние) до средних значений ~ 185 МПа (обработка по режиму № 5)) аналогично по эффективности влиянию ЭПЭ. Следовательно, это позволяет рассматривать аэроакустическую обработку как технологию воздействия на титан ВТ1-0, после проведения которой в процессе пластической деформации наблюдается акустопластический эффект – АПЭ.

В металлах с высокой энергией дефектов упаковки, к которым относится титан, в процессе деформации образуются плоские скопления дислокаций. На стадии множественного скольжения в результате пересечения дислокаций разных систем образуются барьеры, дислокации тормозятся у них. При высокой энергии дефектов упаковки поперечное скольжение происходит легко. Скопления дислокаций будут обходить барьеры и вновь взаимодействовать с дислокациями других систем и образовывать новые барьеры.

В процессе проведения ААО производилось многоциклическое комплексное воздействие на металл нестационарного потока газа и дискретных акустических полей с частотой 0.4–2.0 кГц, под влиянием которых предположительно происходит отрыв дислокаций от барьеров, увеличение подвижности дислокаций, определяющее снижение прочности, повышение пластичности и снижение внутренних напряжений [12–16].

Авторами ранее исследовалось влияние ААО на величину остаточных напряжений (ОН) в сплаве ВТ23. Максимальный уровень растягивающих ОН на поверхности в исходном состоянии достигал 400 МПа, снижаясь до 300 МПа на глубине 700 мкм, и далее не изменялся. После АТАО величина ОН в сплаве уменьшилась до 230 МПа на поверхности. Отжиг снижает ОН на поверхности титана ВТ1-0 с 1035 МПа до 942 МПа. Следовательно, можно предположить, что ААО также снижает и величину ОН в титане ВТ1-0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аэроакустическая обработка (ААО) титана ВТ1-0, оказывает существенное влияние на его механические и технологические свойства. После ААО увеличивается относительное удлинение, падает временное сопротивление и условный предел текучести. Это снижает усилия деформации, увеличивает скорость деформации, т. е. наблюдается акустопластический эффект. Эффективность АПЭ аналогична электропластическому эффекту (ЭПЭ) для проволоки из ВТ1-0. Отжиг перед ААО² дополнительно увеличивает пластичность титана. Преимуществом ААО является то, что обработка проводится до пластической деформации при 20°C, и, следовательно, не требуется разработки специальной установки для деформации сплавов, которая необходима для достижения ЭПЭ при деформировании металлов.

Кроме того, увеличение скорости деформации и снижение усилия деформации приводит не только к снижению энергетических затрат, но и повышает ресурс оборудования, в том числе повышая износостойкость деталей штампов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00338, (https://rscf.ru/project/24-29-00338/).

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

E. Y. Remshev

BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov

Author for correspondence.
Email: remshev@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg, 190005

G. A. Vorob’eva

BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov

Email: remshev@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg, 190005

A. I. Olekhver

BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov

Email: remshev@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg, 190005

T. M. Abu Fadda

BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov

Email: remshev@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg, 190005

References

Supplementary files