Исследование статистических связей механических свойств с химическим составом прутков и листов из титановых сплавов

Полный текст

К настоящему времени в мире исследовано несколько сот опытных титановых сплавов и разработано более сотни промышленных композиций [1, 2]. В связи с этим целесообразно провести статистическое обобщение их состава, механических и технологических свойств. Несмотря на большое число опубликованных материалов (статей, монографий, сборников трудов конференций и т.п.), в них не всегда указан точный химический состав исследованных сплавов. В ранее проведенных нами исследованиях [3-6 и др.] в качестве исходных данных для статистического анализа был использован средний химический состав сплавов по нормативной документации и типичные механические свойства (предел прочности и относительное удлинение) отожженных прутков диаметром 8-12 мм [1, 2]. Для оценки прочностных и пластических свойств прутков в зависимости от содержания легирующих элементов и примесей были использованы понятия о структурных и прочностных эквивалентах легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену [1]. Совместное влияние b-стабилизирующих элементов на структуру и прочность сплавов можно оценить с помощью структурного и прочностного эквивалентов по молибдену, а влияние a-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей - с помощью структурного и прочностного эквивалентов по алюминию [1]: (1) (2) (3) (4) В монографии [2] для расчета уровня прочности отожженных прутков (диаметром 8-12 мм) α-, псевдо α- и α+β-титановых сплавов было предложено использовать прочностные эквиваленты по алюминию и молибдену: (5) где: σ0=235 МПа соответствует временному сопротивлению разрыву чистого титана. В наших работах [3-6] для оценки относительного удлинения прутков диаметром 8-12 мм в зависимости от прочностных эквивалентов для α-, псевдо α- и α+β-сплавов титановых сплавов с [Al]≈ 3-14% и [Mo]≈ 0-6% было получено соотношение: (6) Для отечественных и зарубежных титановых сплавов всех классов (α, псевдо α, α+β, псевдо β) регрессионная зависимость относительного удлинения прутков 8-12 мм от предела прочности титановых сплавов имеет вид [3]: (7) Однако для практических целей более удобна линейная модель, которая была получена для оценки относительного удлинения отечественных сплавов (при σв=400-1200 МПа) [6]: (8) Цель настоящей работы состояла в установлении статистических зависимостей механических свойств кованых прутков диаметром 12-65 мм и листов толщиной 1,5-8,0 мм от конкретного (а не среднего по ГОСТ) химического состава титановых сплавов (в отожженном состоянии). Для этого были обобщены и статистически обработаны только те литературные данные, в которых был указан конкретный состав сплава, вид полуфабриката (прутки и листы), его габариты (диаметр или толщина), направление вырезки образцов, конкретные режимы отжига и механические свойства. В качестве литературных источников в основном были использованы результаты исследований, проведенные в ВИАМе и опубликованные в сборниках статей и монографиях [7-13]. Всего было исследовано 174 композиции химического состава отечественных промышленных и модельных сплавов, из них для прутков – 113, листов – 61. Для исследованных сплавов структурный эквивалент по алюминию изменяется от 1,5 до 12%, по молибдену – от 0 до 24% (для прутков) и до 33% (для листов); прочностной эквивалент по алюминию – от 3,8% до 13,5 %, по молибдену – от 0 до 10% (для прутков) и до 6% (для листов). Предел прочности прутков и листов из исследованных сплавов (после полного отжига) лежит в интервале 385-1520 МПа и 378-1330 МПа соответственно, относительное удлинение – 3,0-44,0 % и 8,0-40,0%, поперечное сужение – 19,0-80,0% и 22,0-70,0%; ударная вязкость – 0,23-2,63 МДж/м2 и 0,14-2,0 МДж/м2. Статистический анализ проводили в программе «Stadia 8.0» [14]. Исследуемыми факторами были структурные и прочностные эквиваленты легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, поперечное сужение, ударная вязкость, диаметр прутка, толщина листа. На первом этапе статистической обработки были проанализированы корреляционные зависимости механических свойств от диаметра прутков и от толщины листа. Для этого были рассчитаны коэффициенты частной корреляции. Увеличение диаметра кованых прутков с 12,0 до 65,0 мм и толщины листов с 1,5 до 3,0 мм статистически не влияет на уровень механических свойств сплавов, так как коэффициенты корреляции близки к нулю. Для листов толщиной 1,5-8,0 мм значения коэффициентов корреляции r=-0,5÷-0,55 свидетельствует о том, что увеличение толщины листа сопровождается некоторым снижением уровня механических свойств сплавов. Результаты корреляционно-регрессионного анализа зависимости механических свойств от различных факторов приведены в таблице 1. При анализе влияния прочностных эквивалентов из статистического массива были исключены псевдо β- и β-сплавы, так как для них эффект растворного упрочнения ослабляется с увеличением содержания легирующих элементов, и прямолинейный закон упрочнения сменяется на параболический, так что при большом содержании легирующих элементов способность сплавов к растворному упрочнению исчерпывается и формулы (3) и (4) для расчета прочностных эквивалентов становятся неприемлемыми. Таблица 1 Результаты регрессионного анализа зависимости механических свойств прутков диаметром 12-65 мм из титановых сплавов от различных факторов (после простого отжига) Примечания: R – коэффициент корреляции, R2 – коэффициент детерминации, S – статистическая ошибка. С повышением с 1,5 до 12% предел прочности прутков линейно повышается, а относительное удлинение снижается. В зависимости предел прочности сначала повышается, достигает максимума при =8-12% , затем уменьшается. Наиболее высокие значения прочности (σв=1520 МПа) и минимум пластичности (δ=3,0 %; ψ=1,0 %) имеют прутки модельного комплексно легированного сплава состава Ti-5Al-3Sn-4Mo-6V-1Fe-0,3Si с =8,8 %м. и =10,3 % м. Аналогичные данные были получены и для листов. В настоящей работе было проведено статистическое сравнение регрессионной модели 4 (таблица) с соотношением (5), полученным на основе анализа другого массива данных, состоящего из 53 сплавов [1]. Сравнение регрессионных моделей для прутков и листов, полученных в настоящей работе, в наших работах [3-6 и др.] и в монографии [1] показало, что их статистические характеристики очень близки друг к другу. Таким образом, на основе статистического исследования различных массивов данных как для отечественных, так и для зарубежных сплавов было установлено, что предел прочности возрастает линейно с повышением структурного эквивалента по алюминию с 1 до 12%. В зависимости структурного эквивалента по молибдену наблюдается максимум прочности и минимум пластичности при =8-12%. Увеличение прочностного эквивалента по алюминию и молибдену на 1% приводит к повышению прочности кованых прутков в среднем на 60-65 МПа и на 45-50 МПа соответственно. При этом относительное удлинение снижается в среднем на 1,1 и 0,9%. Повышение предела прочности кованых прутков и листов на 100 МПа сопровождается снижением относительного удлинения в среднем на 2,0-2,5%, а поперечного сужения – 4,0-5,0%. 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 дорогих легирующих элементов эквивалентными количествами более дешевых элементов в традиционных титановых сплавах.

Об авторах

Л. В Давыденко

Университет машиностроения

Email: mami-davidenko@mail.ru
к.т.н. доц.; 8 (495) 223-05-23, доб. 1551

Ю. Б Егорова

МАТИ – РГТУ имени К.Э. Циолковского

Email: egorova_mati@mail.ru
д.т.н. проф.

И. М Мамонов

МАТИ – РГТУ имени К.Э. Циолковского

к.т.н. доц.

Е. В Чибисова

МАТИ – РГТУ имени К.Э. Циолковского

Список литературы

Дополнительные файлы