Влияние условий взрывчатой штамповки и режимов термической обработки на механические свойства, величину остаточных напряжений и микроструктуру сплава 48-ОТ3В » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние условий взрывчатой штамповки и режимов термической обработки на механические свойства, величину остаточных напряжений и микроструктуру сплава 48-ОТ3В

02.11.2020

Влияние условий взрывной штамповки на механические свойства и микроструктуру сплава 48-ОТ3В


Штамповка взрывом при изготовлении крупногабаритных деталей из листового проката сплава 48-ОТЗВ имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со штамповкой под прессами. Детали, полученные взрывной штамповкой, сохраняют поверхность исходного листа, в то время как нагрев заготовок перед гибкой или штамповкой приводит к газонасыщению их поверхности.

В литературе имеются указания на то, что взрывная штамповка, несмотря на кратковременное воздействие взрыва, приводит к некоторым изменениям структуры металла и, следовательно, к изменениям механических свойств и возникновению напряжений.

В процессе установления возможности изготовления взрывной штамповкой деталей колец, бандажей и сферических полотен переборок из сплава 48-ОТ3В авторами было выяснено влияние скоростного деформирования на изменение механических свойств, структуры, напряжений, склонности к хрупким разрушениям и чувствительности к надрезу. Определены также оптимальные режимы термической обработки и проведены исследования на наличие микротрещин в металле.

Исследования проводились на материале деталей колец, изготовленных в масштабе 1:4 (рис. 1,а), натурной детали кольца (рис. 1,б) и детали отштампованного донышка в масштабе 1:2 (рис. 1, в). Одна из моделей деталей кольца при гибке подверглась четырехкратному воздействию взрывов, все остальные исследованные детали были отштампованы за две операции.

Гибка и штамповка деталей осуществлялись в металлических матрицах без прижимных устройств. В качестве передающей среды при гибке моделированных деталей кольца на первой операции использовалась вода, на последующих — вода и песок, которым заполняли пространство между дном бака и заготовкой. В качестве передающей среды при гибке натурной детали кольца служил песок, при штамповке деталей донышка — вода. Формообразование осуществлялось порошкообразным парафинированным аммонитом ЖВ № 6 при параметрах, приведенных в табл. 1.
Влияние условий взрывчатой штамповки и режимов термической обработки на механические свойства, величину остаточных напряжений и микроструктуру сплава 48-ОТ3В

Пробы из моделированной детали кольца отбирались в двух точках по длине и ширине, из моделированного донышка — в трех точках по радиусу (центр детали, половина радиуса и край детали), а из натурной детали кольца — в соответствии с эскизом на рис. 2. Во всех случаях образцы вырезались вдоль продольной оси проката (детали).

Для определения механических свойств моделированных деталей из каждой пробы изготавливались три разрывных и три ударных образца. От проб натурной детали кольца образцы отбирались по толщине (по три образца у поверхностей и в центре).

Из табл. 2 следует, что прочностные и пластические свойства, а также ударная вязкость моделированных деталей после беспрессовой штамповки практически остаются такими же, как в исходном состоянии даже в области максимальных напряжений, и не зависят от выбранных силовых режимов беспрессовой штамповки.

У металла натурной детали кольца после взрывной штамповки произошло незначительное понижение пластических свойств в средней по толщине зоне детали (рис. 2). Значения ударной вязкости в большинстве случаев несколько понизились по сравнению с исходным состоянием. Однако отклонения по всем характеристикам не выходят за пределы требований технических условий. Существенного различия в свойствах по толщине детали не обнаружено; только в отдельных случаях в средней по толщине зоне значения относительного сужения, временного сопротивления и предела текучести несколько ниже, чем у поверхностной зоны. Такая же картина распределения механических свойств наблюдается по сечению листов такой же толщины, что объясняется существенно меньшей проработкой в процессе пластической деформации крупных и вытянутых в направлении прокатки кристаллов в средней по толщине зоне.


Металлографические исследования проводились на шлифах, отобранных из различных мест опытных деталей. Микроструктура сплава изучалась в основном на оптическом микроскопе. Типичные шлифы натурной детали кольца просматривались параллельно на электронном микроскопе с целью выявления микротрещин, которые могли возникнуть под действием ударной волны (при неправильно выбранном силовом режиме).

Исследованиями не установлено существенных изменений в микро-и макроструктуре сплава в результате взрывной штамповки. Во всех случаях независимо от состояния металла (до или после гибки) микроструктура была пластинчатой, а макроструктура — полосчатой, с незначительной волнообразной направленностью полос после гибки (рис. 3 и 4).


Трещин при увеличении в 12 500 раз не обнаружено, что свидетельствует о правильности выбранных силовых режимов взрывной штамповки натурной детали (рис. 5).

Для выяснения симметричности деформирования натурной детали кольца были проведены замеры твердости по Виккерсу на шлифах при нагрузке 30 кг. Результаты этих замеров представлены в табл. 3.

Измерения показали, что твердость со стороны растянутых и сжатых волокон по всему сечению шлифов, независимо от места их вырезки (центр и край детали), практически одинакова (225—285 кгс/мм2) и соответствует уровню исходного состояния металла (226—282 кгс/мм2).

Эти данные подтверждают симметричность деформирования при гидровзрывной штамповке и вполне согласуются с ранее полученными результатами при исследовании среднеуглеродистых сталей.

Представляло интерес исследовать влияние беспрессовой штамповки на склонность сплава 48 ОТ3В к хрупким разрушениям и чувствительность к надрезу. Для этого из проб детали натурного кольца были изготовлены образцы с круглым и острым надрезами. Испытание образцов проводилось в интервале температур от 20 до -120°.

Результаты этих испытаний приведены на рис. 6, из которого следует, что взрывная штамповка практически не изменяет склонности сплава к хрупкости при низких температурах. Изменение ударной вязкости в интервале температур испытания от 20 до -100° происходит одинаково. Так, у образцов с круглым надрезом ударная вязкость металла до штамповки взрывом снижается от 8,5 до 5,5 кгс*м/см2, а у образцов с острым надрезом — от 7,1 до 4,7 кгс*м/см2; после штамповки взрывом ударная вязкость снижается у образцов с круглым надрезом от 7,1 до 5,3 кгс*м/см2, а у образцов с острым надрезом — от 6,7 до 4,9 кгс*м/см2.

Приведенные данные позволяют считать, что чувствительность сплава к надрезу для обоих состояний металла практически одинакова Таким образом, беспрессовая штамповка опытной детали кольца при выбранных силовых режимах не влияет на склонность сплава к хрупким разрушениям и чувствительность к надрезу.

Влияние термической обработки на уровень механических свойств и микроструктуру деталей, изготовленных с использованием энергии взрыва


Испытания проводились на пробах, отобранных от моделированной детали кольца.

Пробы отжигались в лабораторных условиях при температурах 600, 650, 700 и 875° с выдержкой 1 час 40 минут (4 мин/мм). После термической обработки из каждой пробы изготавливали три разрывных диаметром 6 мм и три ударных образца, результаты испытания которых представлены в табл. 4.

В результате отжига по исследованным режимам было установлено некоторое повышение ударной вязкости (на 10—23%) и пластичности (на 7—10%). Микроструктура металла во всех случаях пластинчатая.

Таким образом, отжиг восстанавливает вязкость и пластичность сплава, уровень которых вследствие воздействия взрыва, как это отмечалось выше, несколько понизился.

С целью установления оптимального режима отжига натурных деталей отжигались пробы, отобранные от детали кольца, при температурах 600, 650 и 700° с выдержками 2, 4, 6 и 8 часов.

Результаты испытаний образцов, изготовленных из отожженных по указанным выше режимам проб, приведены на рис. 7, из которого следует, что отжиг при указанных температурах и длительностях не оказывает существенного влияния на уровень механических свойств. И в данном случае подтвердилось благотворное влияние отжига на ударную вязкость и, правда, в меньшей мере на пластичность сплава. Макро-и микроструктура сплава после отжига существенных изменений не претерпели.

Как известно, разрушение детали в процессе эксплуатации происходит прежде всего под воздействием напряжений первого рода, которые уравновешиваются в макроскопических объемах. Наиболее приемлемым методом определения величины этих напряжений является структурный рентгеноанализ. Сущность этого метода заключается в том, что наличие упругих деформаций приводит к смещению линий на дебаевской рентгенограмме. Изменение межплоскостного расстояния d на величину Ad приводит к изменению угла брэговского отражения. Зная величину этого смещения, можно подсчитать величину напряжений первого рода по формуле

где E=11200 кгс/мм2 — модуль упругости титана;

u=0,3 — коэффициент Пуассона;

Q — угол брэговского отражения;

АQ — угловое смещение.

Рентгенограммы снимались с образцов размером 25x50x100 мм в состоянии до и после взрывной штамповки в камере обратной съемки с серебряным эталоном. Фокусировались линии (302) а-титана и (333) серебра (Q = 78°2Г). Расстояния между линиями измерялись на компараторе с точностью до 0,001 мм.

Из приведенных в табл. 5 данных следует, что отжиг приводит к изменению угла брэговского отражения от 75°51' (в состоянии штамповки) до 75°41' (после отжига).

Угол 75°41' характеризует металл в ненапряженном состоянии, так как после отжига при температуре 875° полностью снимаются остаточные напряжения не только первого рода, но второго и третьего рода.

Поскольку углы 0 после отжига при температурах 600, 650 и 700° имеют практически такие же значения, можно сделать заключение, что отжиг при таких температурах устраняет напряжение первого рода.

Величина суммарных напряжений первого рода после взрывной штамповки, определенная по вышеуказанной формуле, при условии углового смещения АQ = 10' равна 28 +4 кгс/мм2, что составляет 36—46% o0,2. Однако абсолютный уровень напряжений может быть и выше, так как при вырезке образцов они частично снимаются.

Величина напряжений первого рода на натурной детали кольца не определялась, поскольку при вырезке образцов по толщине детали снятие напряжений может быть весьма существенным.

Таким образом, отжиг при температурах 600—700° с выдержкой 4 мин/мм полностью снимает остаточные напряжения, возникающие в сплаве в результате деформирования при разрывной штамповке, и повышает пластичность и ударную вязкость до уровня исходного состояния.

В отношении насыщения кислородом отжиг при температурах до 700° не вызывает опасений, так как на поверхности детали появляется лишь тонкая окисная пленка толщиной 0,0025—0,005 мм.

Полученные результаты хорошо согласуются с данными работы, согласно которым полное снятие остаточных напряжений достигается отжигом при температурах 650—700° и длительности выдержки не менее 5 часов.

Опытная деталь натурного кольца после беспрессовой штамповки была отожжена в производственных условиях при температуре 650° и длительности выдержки 6 часов. Механические свойства (табл. 6), полученные при испытании разрывных образцов диаметром 6 и 10 мм, изготовленных из растянутых зон в средней трети по толщине детали, находятся на уровне исходного состояния металла и удовлетворяют требованиям на поставку листов толщиной 61—130 мм из титанового сплава 48-ОТ3В, предназначенных для сферических переборок.

По результатам исследования можно сделать вывод, что у деталей, изготовленных взрывной штамповкой, нет необходимости после отжига контролировать механические свойства и глубину газонасыщенного слоя.

Выводы


1. В результате штамповки с применением энергии взрыва прочностные и пластические свойства, макро- и микроструктура деталей из сплава 48-ОТ3В либо вообще не изменяются по сравнению с исходным состоянием (моделирование деталей кольца и донышка), либо изменяются незначительно (натурная деталь кольца); ударная вязкость несколько понижается, но в допустимых пределах, а склонность к хрупким разрушениям и чувствительность к надрезу, а также однородность механических свойств по площади деталей не изменяются.

2. При взрывной штамповке в деталях возникают напряжения первого рода, величина которых составляет 28±4 кгс/мм2.

3. Отжиг при температурах 600—700° с выдержкой 4 мин/мм полностью снимает остаточные напряжения, возникающие при взрывной штамповке, и восстанавливает значения ударной вязкости до исходного уровня.

4. Дефектов в виде микротрещин в металле, отштампованном с применением энергии взрыва, не наблюдается.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: