и Технические науки Шифр совета Д 212.110.04 Тел. ученого секретаря 417-8878 E-mail mitom@implants.ru Предполагаемая дата защиты 29 декабря 2009г. в 16.00 диссертации Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 220А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте МАТИРоссийского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 27 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета С.В.Скворцова

На правах рукописи

АСПИРАНТ АШМАРИН Артем Александрович РАЗРАБОТКА И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОГО РЕНТГЕНОВСКОГО АНАЛИЗА СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ Ti, Al И Mg СПЛАВОВ Специальность: 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре Материаловедение и технология обработки материалов ГОУ ВПО МАТИ - Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского.

Научный консультант: - д.т.н., проф. Бецофен Сергей Яковлевич

Официальные оппоненты: - д.т.н., проф. Егорова Юлия Борисовна - к.т.н. Луценко Алексей Николаевич Ведущее предприятие: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 года в 1600 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ГОУ ВПО МАТИ - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу:

Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ, ауд.220А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью организации) просим направлять по адресу:

121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ.

Факс: (495)794-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 27 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Скворцова С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Материалы современной авиационной техники характеризуются все более высокими требованиями к комплексу служебных свойств в сочетании с жесткими требованиями к надежности элементов конструкций из этих материалов.

Повышение служебных характеристик достигается с помощью усложнения состава и технологии получения полуфабрикатов из этих материалов. Это приводит к необычному характеру корреляций между составом, структурой, технологиями и служебными свойствами. По этой причине надежность эксплуатации конструкций из современных материалов требует развития количественных методов характеризации их структурного и напряженного состояний, таких как фазовый состав, текстура и остаточные напряжения.

Количественный фазовый анализ необходим практически для всех сплавов титана, поскольку позволяет выявить объективные критерии оптимизации составов сплавов и технологии их обработки. Тем не менее, в наибольшей степени количественные соотношения - и - фаз необходимы для высокопрочных псевдо-сплавов, для которых характерна повышенная чувствительность комплекса свойств к технологии.

Высокий уровень анизотропии механических и упругих свойств титановых и магниевых сплавов, который в значительной степени связан с кристаллографической текстурой, требует развития простых и надежных способов количественной оценки анизотропии различных видов полуфабрикатов на основе измерения их текстуры.

Остаточные напряжения являются важным объектом металловедческих исследований, поскольку они с одной стороны оказывают существенное влияние на механические свойств, прежде всего усталостные, но также отражают деформационную картину технологического процесса. Наиболее эффективным методом измерения остаточных напряжений является рентгеновский метод, который является единственным неразрушающим методом, позволяющим, определить все компоненты тензора напряжений. Механические методы позволяют измерить только сумму главных напряжений, что сильно ограничивает их применение, в особенности для случаев, когда эти напряжения имеют разные знаки.

Однако при использовании рентгеновских методов для измерения остаточных напряжений в модифицированных поверхностных слоях возникают серьезные методические проблемы, связанные с наличием в этих слоях неоднородного распределения напряжений и химического состава.

Поэтому представляется актуальным совершенствование методов количественного фазового анализа, измерения остаточных напряжений и оценки анизотропии механических свойств на основании текстурных данных для ряда промышленных сплавов на основе титана, алюминия и магния.

Цель работы состояла в совершенствовании количественных рентгеновских методов оценки фазового состава, остаточных напряжений и текстуры для установления объективных критериев оптимизации состава сплавов и технологии получения полуфабрикатов и изделий авиационной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод и расчетную программу количественного фазового анализа на основе измерения параметров решетки -твердого раствора для двухфазных сплавов на основе титана, таких как ВТ6, ВТ20,Grade 9, Grade 9M, ВТ23, VST5553.

2. Усовершенствовать рентгеновский метод измерения остаточных напряжений применительно к материалам с неоднородным химическим составом поверхностных слоев.

3. Разработать метод оценки распределения остаточных напряжений по сечению изделия, учитывающий эффект релаксации этих напряжений при последовательном удалении поверхностных слоев в процессе измерения и провести исследование формирования остаточных напряжений при дробеструйной обработке Al сплавов Д16, 1420 и 1424.

4. Разработать простые количественные методы оценки анизотропии свойств полуфабрикатов по текстурным данным с помощью коэффициентов Кернса, а также факторов Шмида для базисного и призматического скольжения соответственно для сплавов магния и титана.

Научная новизна работа состоит в следующем:

1. На основе оригинальной методики оценки распределения остаточных напряжений по глубине изделий, учитывающей релаксацию напряжений при последовательном удалении слоев, впервые экспериментально получено распределение остаточных напряжений по сечению листов сплавов алюминия после дробеструйной обработки.

2. Показано, что количественные параметры текстуры в виде коэффициентов Кернса, а также усредненных факторов Тейлора для наиболее легких систем сдвига (базисное и призматическое скольжение соответственно для магния и титана) могут быть эффективно использованы для прогнозирования анизотропии прочностных свойств текстурированных полуфабрикатов из сплавов на основе титана и магния.

3. На основе новых методических решений установлены количественные корреляции механических свойств поковок из сплава VST5553 с фазовым составом и значениями коэффициентов распределения легирующих элементов в - и -фазах в зависимости от условий деформации и термической обработки сплава.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика оценки распределения остаточных напряжений по глубине изделий, которая может быть эффективно использована для оценки распределения остаточных напряжений по сечению массивных изделий после различных видов поверхностной упрочняющей обработки, сварки и обработки резанием.

2. Усовершенствована методика измерения остаточных напряжений в поверхностных слоях, характеризующихся градиентом концентрации элементов внедрения или замещения, основанная на использовании характеристик анизотропии упругих свойств сплавов с кубической и ГП решетками.

3. Разработана методика и расчетные программы для количественного фазового анализа двухфазных сплавов титана (ВТ6, ВТ20,Grade 9, Grade 9M, ВТ23, VST5553), основанная на измерении периода решетки твердого раствора -фазы, позволяющая также оценивать коэффициенты распределения легирующих элементов в - и -фазах.

Апробация работы. Результаты работы доложены на 3 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Молодежных научно-технических конференциях УМАТИФ - РГТУ им. К.Э.Циолковского УГагаринские чтенияФ (г., Россия), на VI Всесоюзном совещании Быстрозакристаллизованные материалы и покрытия (2008 г.), на конференции СНГ по титану Ti-2005 в СНГ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией - 3.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 124 наименований и Приложения.

Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, таблицу.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Рассмотрены вопросы, связанные с формированием остаточных напряжений в материалах и экспериментальными методами их измерения, с методами рентгеновского количественного фазового анализа применительно к титановым сплавам. Рассмотрено также формирование текстуры и анизотропии физических и механических свойств в сплавах титана и магния и способы количественного описания текстуры и анизотропии свойств. Показано, что рентгеновский метод измерения остаточных напряжений имеет принципиальные преимущества по сравнению с механическими методами, но при его применении к реальным материалам возникает множество проблем метрологического характера, ограничивающими области применения этого метода.

Количественный фазовый анализ титановых сплавов в основном осуществлялся с помощью измерения интенсивностей рефлексов - и -фаз, однако при этом возникают проблемы, связанные с наличием кристаллографической текстуры, а также с ошибками в определении интенсивностей рефлексов от структурных составляющих с дисперсной структурой.

При осуществлении промышленного контроля кристаллографической текстуры в материалах с ГП решеткой (сплавы на основе титана и магния) возникает проблема разработки простых количественных характеристик текстуры, которые в наиболее адекватной форме отражают анизотропию физических и механических свойств. Такие методы существуют для описания текстуры труб сплавов на основе титана и циркония (коэффициенты Кернса), однако для других видов полуфабрикатов, таких как листы и прутки такие методы не развиты.

Глава заканчивается формулировкой цели и задач исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В работе исследовали полуфабрикаты промышленных алюминиевых, титановых и магниевых сплавов.

Исследовали листы сплава 1424 (Al-5,6Mg-1,6Li-0,5Zn-0,1Sc-0,1Zr) толщиной 1,6; 4 и 8 мм; листы сплава 1420 (Al-5,2Mg-2,0Li) толщиной 2,2 мм; листы сплава Д16 (Al-4,4Cu-1,6Mg-0,7Mn) толщиной 1,9 мм; листы сплава ВТ6 (Ti-6,5Al-4,24V) толщиной 6,8 и 10 мм; трубные заготовки 86,4х20,8 мм из сплава Grade9M (Ti-3,2Al2,7V-1,3Mo-1Zr) и 86,4х11,4 мм из сплава ВТ6 (Ti-6,5Al-4,2V); штамповки из сплава VST5553 (Ti-5,2Al-5,2V-5,2Mo-3,0Cr); прессованные прутки из сплава МА5(Mg8,5Al-1,2Zn-0,4Mn).

Рентгеноструктурным методом на дифрактометре ДРОН-4 в СoK и СuKизлучениях определяли текстуру, остаточные напряжения, количественный фазовый состав. Механические свойства на растяжение с определением предела прочности, текучести, относительного удлинения и сужения проводили на ОАО Корпорация ВСМПО-АВИСМА. Механические свойства труб определяли по поперечным и продольным образцам; для листов проводили испытания под углами 0,10,20, 30, 40, 50,60, 70,80 и 900 к направлению прокатки.

Для оценки распределения остаточных напряжений по глубине листа сплава Д16 после дробеструйной обработки измеряли положение рефлекса (420) в СоК излучении на рабочей (выпуклой) и противоположной (вогнутой) поверхностях полосы размером 1,9х20х75 мм3и в девяти сечениях, отстоящих от рабочей поверхности на расстояниях t/t= 0,02; 0,035; 0,085; 0,16; 0,25 и 0,4 (удаление слоев со стороны рабочей поверхности) и на расстояниях t/t= 0,52; 0,75 и 0,9 (удаление слоев с противоположной стороны, расстояние от которой соответственно 1-t/t= 0,48; 0,25 и 0,1). Для измерения остаточных напряжений использовали метод sin2.

Темплеты из сплава VST5553 получали на ОАО Корпорация ВСМПОАВИСМА из кованых прутков квадратного сечения 320320 мм2 осадкой на 40 и 75% в направлении, нормальном к первоначальному направлению вытяжки при всесторонней ковке прутка.

Глава III. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ МАКРОНАПРЯЖЕНИЙ В настоящей главе приведены результаты развития методов рентгеновского измерения остаточных макронапряжений в конструкционных материалах и изделиях. В первой части главы приведены результаты расчетов рентгеновских упругих констант, необходимых для вычисления остаточных напряжений по измеренным дифракционными методами деформациям решетки. Рентгеновские упругие константы (1+)/E или /E для металлов с кубической решеткой рассчитаны на основании следующих соотношений:

(1+)/E hkl = S11-S12-3JГ (1) (/E)hkl=S11+JГ (2) J=S11-S12-0,5S44 - параметр анизотропии, Г= (h2k2+h2l2+k2l2)/(h2+k2+l2)2 - ориентационный фактор.

Для металлов с ГП решеткой использовали соотношения:

[(1+)/E]hkl =0,5(S12+S13+2S11)- 0,5cos2(3S11-3S13-S33+S12-S44)+0,5cos4(S11+S33-2S13-S44) (3) (/E)hkl=0,5(S12+S13)+0,5cos2(S11+S33-S13-S12-S44)-0,5cos4(S11+S33-2S13-S44) (4) Во второй части рассмотрена методика определения остаточных напряжений с помощью съемки нескольких рефлексов hkl. При этом для вычисления значений остаточных напряжений используется анизотропия упругих свойств сплавов с кубической и гексагональной решетками. Показано, что для оценки остаточных напряжений можно анализировать параметры решетки зерен, в которых разные плоскости отражения параллельны поверхности образца, т.е. при =0. Тогда рентгеновская деформация =0 может быть представлена следующим выражением:

=0=(a)hkl /aо= 2(/E)hklост. (5) где: (a)hkl= (а - ао)hkl - разница параметров решетки, рассчитанных для рефлекса hkl, при наличии остаточных напряжений (а) и при их отсутствии (ао).

Введя обозначение (/E)hkl = S12+JГ =Кhkl, получим: