RU2661445C1 - Способ оценки энергоемкости титанового сплава - Google Patents
Способ оценки энергоемкости титанового сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2661445C1 RU2661445C1 RU2017116681A RU2017116681A RU2661445C1 RU 2661445 C1 RU2661445 C1 RU 2661445C1 RU 2017116681 A RU2017116681 A RU 2017116681A RU 2017116681 A RU2017116681 A RU 2017116681A RU 2661445 C1 RU2661445 C1 RU 2661445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mpa
- energy intensity
- parameters
- alloy
- titanium alloys
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/60—Investigating resistance of materials, e.g. refractory materials, to rapid heat changes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам оценки энергоемкости титановых сплавов по их механическим свойствам и определения по полученным величинам пригодности данных сплавов для изготовления упругих элементов. Сущность: осуществляют определение параметров σ0,2/σB, а в качестве оптимального соотношения значений для оценки энергоемкости сплава выбирают следующие значения соотношений указанных параметров: τ3 2/G более 17; τ3 2/ρG более 3,7; σ0,2/σВ в пределах 0,89-0,96; σВ не менее 1500 МПа; τ3 не менее 900 МПа, где σ0,2 - предел текучести, МПа; σB - предел прочности, МПа; τ3 - максимальное касательное напряжение, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см3. Технический результат заключается в упрощении оценки упругих свойств титановых сплавов и в повышении достоверности оценки энергоемкости титановых сплавов, прошедших технологические режимы деформации и термообработки. 2 ил., 3 табл.
Description
Предлагаемое изобретение относится к способам оценки энергоемкости титановых сплавов по их механическим свойствам и определения по полученным величинам пригодности данных сплавов для изготовления упругих элементов.
Упругие элементы, с одной стороны, как изделия, имеют огромный ассортимент, с другой стороны, по условиям эксплуатации, для каждого конкретного случая, должны иметь набор свойств, удовлетворяющих данным условиям. С этой точки зрения, для выпуска отличных друг от друга упругих элементов необходимо, чтобы материал упругого элемента имел определенный набор необходимых упругих свойств и набор достаточных свойств материала, удовлетворяющих различным условиям эксплуатации.
Известен способ выбора высокопрочных титановых сплавов для изготовления упругих элементов по соотношению предела упругости σ0,002, когда остаточная деформация составляет 0,002%, к модулю упругости Е-σ0,002/E. Значение σ0,002/Е должно быть максимальным и не ниже 0,5⋅102 (Федорович В.А. «Мартенситостареющие стали - материал для упругих элементов». Металловедение и термическая обработка, 1988, №10).
Недостаток данного метода заключается в сложности получения данных характеристик, отсутствие их в технической литературе для большого класса материалов.
Известно техническое решение определения энергоемкости титановых пружин по параметру ( или ). Данные параметры должны быть максимальными (Белогур В.П. «Упругие элементы из титановых сплавов». Пружины. Научно-технический журнал, 2016 г., №1, стр. 12-14). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостаток данного технического решения заключается в том, что не определены предельные значения параметров, наиболее точно характеризующие энергоемкость титанового сплава для изготовления упругих элементов.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности оценки энергоемкости титановых сплавов для упругих элементов.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в упрощении оценки упругих свойств титановых сплавов и в повышении достоверности оценки энергоемкости титановых сплавов, прошедших технологические режимы деформации и термообработки.
Указанный технический результат достигается способом оценки энергоемкости титанового сплава для упругих элементов, включающим определение параметров, при этом дополнительно определяют параметр σ0,2/σВ, а в качестве оптимального соотношения значений для оценки энергоемкости сплава выбирают следующие значения соотношений указанных параметров:
τ3 2/G | более 17 |
τ3 2/ρG | более 3,7 |
σ0,2/σВ | в пределах 0,89-0,96 |
σВ | не менее 1500 МПа |
τ3 | не менее 900 МПа |
где σ0,2 - предел текучести, МПа; σВ - предел прочности, МПа; τ3 - максимальное касательное напряжение при кручении, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см3.
Результаты значений , для некоторых сплавов приведены в таблице 1. (Белогур В.П. «Упругие элементы из титановых сплавов». Пружины. Научно-технический журнал, 2016 г., №1, стр. 12-14).
Максимально допускаемое напряжение пружины τ3 тем выше, чем больше предел прочности сплава. В свою очередь, чем выше τ3, тем выше энергоемкость пружины ( или ). Анализ данных таблицы 1 показывает, что сплав Ti-6A1-4V с низкими параметрами энергоемкости не подходит для изготовления упругих элементов. В то же время высокопрочный титановый сплав Ti-βC пригоден при использовании в качестве пружинного материала. Но эффективность его применения будет невысокая, так как прочность данного материала низкая, значительно меньше 1500 МПа.
Авторами данного технического решения были проведены исследования различных сплавов, а также проведен анализ имеющихся литературных данных, было установлено, что совокупность предлагаемых параметров оценки энергоемкости титановых сплавов с параметрами σ0,2/σВ пределах 0,89-0,96, σВ не менее 1500 МПа, более 17, более 3,7 и τ3 не менее 900 МПа является достаточной, чтобы принять решение об использовании данного сплава в качестве материала для упругих элементов, так как в пружине в процессе эксплуатации материал работает на скручивание. При этом, чем больше величины данных параметров, тем большей упругостью и энергоемкостью обладает данный материал.
Совокупность данных параметров позволяет быстро и корректно оценивать эффективность технологических режимов деформации и термообработки титановых сплавов.
Энергоемкость сплава на основе титана, а также его усталостная прочность, зависят от конкретного состава химических элементов и режимов механической и термической обработок. Изменение режимов механической и термической обработок для конкретного химического состава сплава приводит к изменению структуры и к изменению размеров и скорости роста зерна и, как следствие, к изменению прочностных и усталостных свойств.
Предлагаемый способ оценки энергоемкости был использован при разработке сплава на основе титана для упругих элементов, содержащего алюминий, молибден, ванадий, железо, углерод, водород, кислород, азот, кремний, цирконий, титан - остальное, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Алюминий | 3,85-4,05 |
Молибден | 4,5-5,5 |
Ванадий | 5,05-5,5 |
Железо | ≤ 0,5 |
Углерод | ≤ 0,1 |
Водород | ≤ 0,015 |
Кислород | ≤ 0,15 |
Азот | ≤ 0,05 |
Кремний | ≤ 0,15 |
Цирконий | 0,35-0,5 |
Данный сплав имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером глобулей (1-5) мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы, в основном из орторомбического мартенсита α''. Определение параметров или , σ0,2/σВ показало, что энергоемкость сплава по параметру равна 20, а параметру равна 4,7, предел прочности на кручение τ3 равен 900 МПа, предел прочности на разрыв σВ=1500 МПа при отношении σ0,2/σВ, равном 0,9,
По предлагаемым параметрам энергоемкости была проведена оптимизация химических элементов титанового сплава. Методом тройного вакуумного дугового переплава получали слитки диаметром 450 мм с различным содержанием химических элементов, после чего обтачивали до 420 мм; нагревали до температуры 960°С в газовой печи и ковали на диаметр 115 мм. Полученную заготовку обтачивали для удаления альфированного слоя. Химический состав слитков представлен в таблице 2.
Перед горячим выдавливанием заготовки покрыли препаратом коллоидно-графитовым марки НПК, просушили. Нагрев заготовок провели в печи ПН-15 при температуре (960±20)°С и времени выдержки (90-120) мин. Было подготовлено несколько заготовок. Горячие заготовки выдавливали в воду при степени деформации (90-95)%.
Далее каждый пруток обтачивали до необходимого диаметра, чтобы в дальнейшем проводить холодную деформацию. Например, чтобы в конечном итоге получить проволоку диаметром ∅14,5 мм при степени холодной деформации 73%, брали заготовку диаметром ∅28,1 мм. Эту заготовку получали обточкой из выдавленного прутка 31,5 мм.
Далее проводили холодную деформацию со степенью (23-73)% и получали конечную проволоку необходимого диаметра, затем проводили старение при температуре (390-490)°С в течение 2-8 часов.
Образцы на испытания на кручение изготавливались длиной 150 мм, в форме цилиндрического стержня, полноразмерные, без проточки в рабочей части. Термообработку провели в лабораторной печи сопротивления СНОЛ 12/16.
Микроструктурные исследования сплава выполняли на электронном микроскопе. Результаты исследований представлены на фиг. 1.
Рентгенофазный анализ состава осуществляли при съемке монолитного образца на дифрактометре ДРОН-3 с монохроматическим CuKα-излучением. Результаты исследований представлены на фиг. 2.
Исследования механических свойств на растяжение и кручение проводили на универсальной крутильно-разрывной машине МИ-40КУ, совмещенной с ПК. Результаты исследований представлены в таблице 3.
Полученный по описанной выше технологии сплав (варианты 3-5) имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером глобулей (1-5) мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы, в основном из орторомбического мартенсита α'', энергоемкость сплава по параметру τ2/G более 17, а параметру τ2/ρG более 3,7, предел прочности на кручение не менее 900 МПа предел прочности на разрыв не менее 1500 МПа, при отношении σ0,2/σВ не менее 0,9,
Предлагаемый способ оценки энергоемкости по совокупности параметров и их оптимальным значениям может быть использован при оценке материалов, пригодных для изготовления упругих элементов (пружин, торсионов, зажимов, мембран и др.). Данные параметры титанового сплава достигаются посредством строгого контроля над химическим составом сплава и соблюдением режимов механической и термической обработок. Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить технологичность изготовления изделий, повысить надежность оценки энергоемкости титановых сплавов для упругих элементов, сократить время оценки упругих свойств титановых сплавов, не проводя длительных натурных испытаний, а также проводить оценку упругих свойств титановых сплавов в зависимости от технологических режимов деформации и термообработки.
Claims (3)
- Способ оценки энергоемкости титанового сплава для упругих элементов, включающий определение параметров τ3 2/G или τ3 2/ρG, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметр σ0,2/σB, а в качестве оптимального соотношения значений для оценки энергоемкости сплава выбирают следующие соотношения указанных параметров:
-
τ3 2/G более 17 τ3 2/ρG более 3,7 σ0,2/σВ в пределах 0,89-0,96 σВ не менее 1500 МПа τ3 не менее 900 МПа - где σ0,2 - предел текучести, МПа; σВ - предел прочности, МПа; τ3 - максимальное касательное напряжение при кручении, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017116681A RU2661445C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Способ оценки энергоемкости титанового сплава |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017116681A RU2661445C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Способ оценки энергоемкости титанового сплава |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2661445C1 true RU2661445C1 (ru) | 2018-07-16 |
Family
ID=62917280
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017116681A RU2661445C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Способ оценки энергоемкости титанового сплава |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2661445C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1032041A1 (ru) * | 1980-06-20 | 1983-07-30 | Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения | Способ обработки упругих чувствительных элементов из титановых сплавов |
RU2292532C1 (ru) * | 2005-11-17 | 2007-01-27 | Борис Петрович Босов | Способ изготовления мембраны для упругочувствительных элементов (варианты) |
EP1761654B1 (en) * | 2004-05-21 | 2010-10-27 | ATI Properties, Inc. | Metastable beta-titanium alloys and methods of processing the same by direct aging |
RU2478130C1 (ru) * | 2011-10-21 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Бета-титановый сплав и способ его термомеханической обработки |
-
2017
- 2017-05-12 RU RU2017116681A patent/RU2661445C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1032041A1 (ru) * | 1980-06-20 | 1983-07-30 | Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения | Способ обработки упругих чувствительных элементов из титановых сплавов |
EP1761654B1 (en) * | 2004-05-21 | 2010-10-27 | ATI Properties, Inc. | Metastable beta-titanium alloys and methods of processing the same by direct aging |
RU2292532C1 (ru) * | 2005-11-17 | 2007-01-27 | Борис Петрович Босов | Способ изготовления мембраны для упругочувствительных элементов (варианты) |
RU2478130C1 (ru) * | 2011-10-21 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Бета-титановый сплав и способ его термомеханической обработки |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shang et al. | Investigation of quench sensitivity and transformation kinetics during isothermal treatment in 6082 aluminum alloy | |
JP5419098B2 (ja) | ナノ結晶含有チタン合金およびその製造方法 | |
Djavanroodi et al. | Fatigue design factors for ECAPed materials | |
Ivanov et al. | Effect of heat treatments on the properties of CuCrZr alloys | |
Chakravarthi et al. | Microstructural evolution and constitutive relationship of M350 grade maraging steel during hot deformation | |
Sun et al. | Dynamic embrittlement at intermediate temperature in a Cu–Ni–Si alloy | |
Wang et al. | Superplastic constitutive equation including percentage of high-angle grain boundaries as a microstructural parameter | |
Goto et al. | S–N plots and related phenomena of ultrafine grained copper with different stages of microstructural evolution | |
Sagar et al. | Strain hardening behavior of friction welded beta titanium alloy Titan 1023 used for aeronautical applications | |
Manjeri et al. | A study of thermo-mechanically processed high stiffness NiTiCo shape memory alloy | |
RU2661445C1 (ru) | Способ оценки энергоемкости титанового сплава | |
Kessler et al. | Continuous Cooling Transformation (CCT) Diagram of Aluminium Alloy Al-4.5 Zn-1Mg | |
RU2661304C1 (ru) | Способ оценки энергоемкости титанового сплава | |
Oliveira et al. | Relationship between electrical conductivity and the stage of the heat treatments of aging and overaging of the aluminum alloy AA2024 | |
RU2681089C2 (ru) | Заготовка из сплава на основе титана для упругих элементов с энергоемкой структурой | |
Desmukh et al. | Fatigue behavior of 7010 aluminum alloy containing scandium | |
Monajati et al. | Strain induced γ′ precipitation in nickel base superalloy Udimet 720 using a stress relaxation based technique | |
Pedrazzini et al. | Elevated temperature mechanical behaviour of nanoquasicrystalline Al93Fe3Cr2Ti2 alloy and composites | |
Fallahi et al. | Effect of heat treatment on mechanical properties of ECAPed 7075 aluminum alloy | |
Chaudhury et al. | Fatigue performance of fluidized bed heat treated 319 alloy diesel cylinder heads | |
Jaburek et al. | Influence of a retrogression and reaging (RRA)-treatment on the mechanical and microstructural characteristics of the aluminium alloy AlZn4, 5Mg1 | |
RU2706916C2 (ru) | Заготовка для изготовления упругих элементов из сплава на основе титана | |
RU2681102C2 (ru) | Способ изготовления заготовки из сплава на основе титана для упругих элементов с энергоемкой структурой | |
Anil Kumar et al. | Solution Treatment and Aging (STA) Study of Ti Alloy Ti5Al3Mo1. 5V | |
JPH03115548A (ja) | 酸化物分散固化したニッケル―ベース超合金中に長手方向を向いた大きな柱状結晶を生ずる方法 |