Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н. Егорова Ю.Б., к.т.н. Давыденко Л.В., к.т.н. Белова С.Б.

МАТИ - Российский государственный технологический университет

имени К.Э. Циолковского,

Московский государственный технический университет «МАМИ», Россия

Об использовании эквивалентов по алюминию и

молибдену для оценки механических свойств

титановых сплавов

На основе обобщения накопленных экспериментальных данных, теоретических исследований в области металловедения и термической обработки, а также опыта практического применения титановых сплавов сформулированы принципы оценки их механических свойств на основе представлений об эквивалентах легирующих элементов по молибдену и алюминию.

Эквивалент a-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей по алюминию [Al]_экв определяет возможности выделения Ti₃Al (a₂)-фазы в количествах, достаточных для существенного снижения термической стабильности сплавов и записывается в виде [1, 2]:

[Al]_экв = % Al + %Sn/3 + %Zr/6 + 10 [% O + % C + 2 (% N)]. (1)

Эквивалент b-стабилизаторов по молибдену [Mo]_экв определяет количество b-фазы в заданном состоянии, возможности и кинетику фазовых превращений при термическом воздействии и свойства сплавов [1, 2]:

[Mo]_экв=%Mo+%Ta/4+%Nb/3,3+%W/2+%V/1,4+%Cr/0,6+%Mn/0,6+

+%Fe/0,4+%Ni/0,8. (2)

Прочностные эквиваленты легирующих элементов по алюминию и молибдену можно определить по соотношениям [2]:

= % Al + % Sn/2 + % Zr/3 + 20[% O] + 33[% N] + 12[% C] + 3,3[% Si] (3)

= %Mo + %V/1,7 + %Mn + %Cr/0,8 + %Fe/0,7 + %Nb/3,3 (4)

Элементы, эквивалентные алюминию, упрочняют титановые сплавы в основном в результате растворного упрочнения, а β-стабилизаторы – из-за увеличения количества более прочной β-фазы. Соотношения (3) и (4) нецелесообразно применять для псевдо β-сплавов, в которых механизм растворного упрочнения β-твердого раствора почти исчерпан.

На основе регрессионного анализа было установлено, что уровень прочности отечественных и зарубежных a-, псевдо a- и a+b-сплавов (после отжига) приближенно можно оценить по прочностным эквивалентам a-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей по алюминию и b-стабилизаторов по молибдену по соотношению [1, 2]:

s_в = 235 + 60 + 50 (МПа).

Для оценки относительного удлинения в зависимости от прочностных эквивалентов α-, псевдо α- и α+β-сплавов титановых сплавов с [Al]≈ 3-14% и [Mo]≈ 0-6% можно использовать соотношение:

δ=27,63-1,11[Al]-0,92[Мо].

Для этой группы сплавов на основе регрессионного анализа построена диаграмма прочностных эквивалентов, на которой приведены полосы, соответствующие определенным интервалам временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. С увеличением прочностного эквивалента по молибдену требуется меньшее количество эквивалентных алюминию элементов для получения заданного уровня механических свойств. Так, например, для обеспечения временного сопротивления разрыву σ_в=1000±25 МПа и относительного удлинения δ = 15±2% сплав должен иметь [Al]≈8% и [Mo]≈ 6% или [Al]≈10% и [Mo]≈ 4%.

Для отечественных титановых сплавов всех классов (α, псевдо α, α+β, псевдо β) было установлено, что увеличение прочности с 400 до 1000 МПа сопровождается снижением относительного удлинения в среднем с 30 до 12% . При дальнейшем повышении прочности до 1200 МПА относительное удлинение изменяется мало. По данным регрессионного анализа были получены несколько адекватных моделей зависимости относительного удлинения от структурных (модели № 2 и 3 табл. 1) и прочностных (модели № 4 и 5 табл. 1) эквивалентов. При статистическом анализе зависимости удлинения от структурных эквивалентов в обработку были включены титановые сплавы всех классов. При статистическом анализе зависимости удлинения от прочностных эквивалентов из обработки были исключены псевдо β- и β-титановые сплавы, так как для них прочностные эквиваленты не имеют смысла.

Таблица 1

Результаты регрессионного анализа зависимости относительного удлинения

титановых сплавов от химического состава и уровня прочности

№ п/п	Регрессионная модель	R	R^2	S*, %
1		0,94	0,88	1,85
2		0,92	0,85	2,17
3		0,91	0,83	2,24
4		0,93	0,87	2,07
5		0,94	0,87	2,09

Примечание: * - статистическая ошибка.

Разработанные модели позволяют прогнозировать механические свойства титановых сплавов в зависимости от эквивалентов или проводить выбор сплава с заданным уровнем механических свойств. Предложенные принципы оценки механических свойств можно использовать также для обоснования возможности замены эквивалентными количествами железа дорогих легирующих элементов в традиционных титановых сплавах.

Литература:

1. Колачев Б.А., Елисеев Ю.С., Братухин А.Г., Талалаев В.Д. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической технике./ Под ред. А.Г. Братухина - М.: Издательство МАИ, 2001. – 416 с.

2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. - М.: ВИЛС – МАТИ, 2009. – 520 с.