Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Научные труды. Вып. 16 (88)

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 622875.01.99
В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно-технических программ. Ряд статей сборника подготовлен по материалам докладов, рекомендованных к публикации секциями Всероссийской научно-технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ» - НМТ- 2008 (ноябрь, 2008 г., МАТИ, Москва). Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.
Научные труды. Вып. 16 (88) [Электронный ресурс]. - Москва : МАТИ, 2009. - 331 с. ил. - ISBN 978-5-93271-548-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/526311 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«МАТИ» - Российский государственный 

технологический университет 

имени К.Э. Циолковского

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 16 (88)

Москва

2009

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды. Вып. 16 (88). - М.: МАТИ, 2009. - 331 с. ил.

ISBN 978-5-93271-548-2

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты 
фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в 
том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам 
и ряду научно-технических программ. Ряд статей сборника подготовлен по материалам докладов, рекомендованных к публикации секциями Всероссийской научно-технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ» - НМТ- 
2008 (ноябрь, 2008 г., МАТИ, Москва).

Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: проф. А.П. Петров 

Заместитель главного редактора: проф. В.А. Васильев

заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л.,
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И.,
доц. Голов Р.С..проф. Дмитренко В.П.,
акад. РАН, проф. Ильин А.А., проф. Намазов В.Н.,
проф. Попов В.Г., проф. Суминов И.В., проф. Сухов С.В.,
проф. Уваров В.Н., нач. ОНТИ Чивикина Г.И.,
проф. Юрин В.Н.

Затеева Т.А., Иванова Э.И.

проф. Агамиров Л.В., проф. Бойцов А.Г, 
проф. Болотин И.С., проф. Коллеров М.Ю., 
проф. Путятина Л.М., проф. Суминов В.М., 
проф. Черняев А.В., проф. Цырков А.В.

Тел. (495) 915-37-76, факс (495) 915-09-35 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISBN 978-5-93271-548-2 
^
^ ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный
технологический университет имени
К.Э. Циолковского, 2009

Редакционная коллегия:

Ответственные 
секретари редколлегии:

Научные редакторы:

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 2009 году издаются 2 выпуска сборника «Научные труды» МАТИ - № 15 и 
16. Отличительная черта этих выпусков- часть опубликованных в них статей подготовлены по материалам докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» - НМТ-2008, состоявшейся в ноябре 
2008 года. Это доклады, рекомендованные секциями конференции к опубликованию 
в 
сборнике 
«Научные 
труды» МАТИ. Здесь доклады 
как ученых из МАТИ, так и 
других 
организаций, 
принимавших участие в конференции.

НМТ - 2008 - крупная 
научно-техническая 
конференция. 
Традиционно 
проводится с 1993 года, неизменно 
вызывая большой интерес научно- 
технической 
общественности страны. На рис. 1 
представлены 
некоторые 
количественные 
характеристики 
последних 
6 
конференции 
НМТ (1998, 2000, 2002, 2004, 
2006 и 2008 гг.).

На 20 секциях конференции НМТ-2008 было представлено 419 докладов около 
700 
ученых 
и 
специалистов 
115 ведущих вузов, НИИ и промышленных предприятий 45 городов 32 регионов 
России из всех федеральных округов - от Северо-запада до Дальнего Востока, 
ряда зарубежных специалистов Азербайджана, Белоруссии, Казахстана и Украины. Работа конференции велась по 7 основным направлениям:

I. Материаловедение и технология материалов
II. Проектирование, производство и эксплуатация изделий машиностроения
III. Приборостроение, лазерная техника и информационные технологии
IV. Электронная техника и технология
V. Экономика, экология и гуманитарные науки
VI. Управление качеством и сертификация
VII. Компьютерные технологии в учебном процессе инженерного образования

Помимо материалов докладов конференции НМТ-2008 в данном выпуске 
«Научных трудов» МАТИ представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно-технических программ. Некоторые работы выполнены в соавторстве с учеными и специалистами РАН, научно-исследовательских и производственных организаций.

Сборник «Научные труды» МАТИ № 16 (88) содержит 13 тематических разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета.

ШВсе доклады 
ЙД о клады МАТИ

НА вторы 
ПОрганизации

Рис.1. Количественные характеристики 
конференций НМТ

Научные труды МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)
3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.295.5.017: 621.73.043

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА TI-6AL 
ПРИ ОБРАТИМОМ ЛЕГИРОВАНИИ ВОДОРОДОМ

д.т.н., проф. В.К. Носов, к.т.н., доц. А.В. Овчинников, 
к.т.н. Ю.Ю. Щугорев, Н.А. Грачев

В работе рассмотрено влияние фазового состава на механические свойства сплава Ti- 
6AI при обратимом легировании водородом и низкотемпературном вакуумном отжиге.

In work influence of phase structure on mechanical properties of alloy Ti-6AI is considered at 
reversible alloying by hydrogen and low-temperature vacuum annealing.________________________

Введение

В последнее время интенсивное развитие получило новое направление 
обработки титановых сплавов водородная технология, основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим и термомеханическим 
воздействием [1,2]. Цель настоящей работы - изучить влияние фазовых и 
структурных превращений на механические свойства сплава Ti-6AI при обратимом легировании водородом.

Материал и методика экспериментов

В настоящей работе в качестве объекта исследования был выбран а - 
титановый сплав Ti-6AI (основа Ti; 5,8% AI; 0,04% С; 0,07% Fe; 0,04% Si; 0,004% 
Н2; 0,15% О 2; 0,05% N2). Исследования проводили на образцах, вырезанных из 
прутков и листовых полуфабрикатов.

Легирование 
образцов 
водородом 
осуществляли 
термодиффузионным 
способом в среде высокочистого водорода, полученного разложением гидрида 
титана при температуре 800 °С до концентраций 0,3; 0,5; 0,7% по массе. Далее 
образцы выдерживали при температуре наводороживания 1 час. Охлаждение 
образцов после наводороживающего отжига осуществляли со скоростью 0,03 
К/с.

Прокатку прутков 0 13 мм под последующие механические испытания 
проводили на прокатном стане ДУО 250 из заготовок 0 20 мм с 0,004 и 0,3% 
водорода, проточенных из кованого прутка. Прокатку осуществляли в калиброванных валках с вытяжкой X = 2,4 , с подогревом после каждого прохода. Температура нагрева под прокатку заготовок с исходным содержанием водорода 
составляла 900 °С, заготовок с 0,3% водорода - 800 °С. Прокатку полос проводили на лабораторном прокатном стане ДУО 250 без подогрева валков. Исходные заготовки 0 20 мм протачивали из кованого прутка, плющили на пневматическом молоте и фрезеровали до толщины 10-12 мм. Температура нагрева под 
прокатку заготовок с 0,004% водорода составляла 900 °С, наводороженных до 
0,3; 0,5 и 0,7% - 700 °С, после каждого прохода заготовки подогревали.

4
Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Вакуумный 
отжиг 
осуществлялся 
в 
вакуумной 
печи 
СВНЭ-1.31/16-И4. 
Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-07 в фильтрованном Ка медном излучении. Испытания на растяжение осуществляли на 
испытательной машине FP-100, усилием 100 кН.

Результаты экспериментов

Катанные прутки сплава Ti-6AI с 0,004 и 0,3% водорода подвергали вакуумному отжигу при температурах 650 и 700°С в течение 5-и и 3-х часов соответственно. Вакуумный отжиг прутков с 0,004% при 650 °С в течение 5-и часов 
формирует рекристаллизованную структуру со средним размером a-зерна Dcp = 
15 мкм, а у прутков с 0,3% водорода - частично рекристаллизованную микрокристаллическую структуру со средним размером зерна Dcp= 1,9 мкм. Повышение температуры вакуумного отжига до 700 °С приводит к укрупнению зерна, 
средний размер которого составляет Dcp= 6,7 мкм.

После прокатки полос формируется структура с механической текстурой 
в направлении прокатки. У сплава с 0,004% водорода после прокатки в отдельных объемах сохраняются исходные крупные a-зерна, а с повышением содержания водорода и снижением температуры нагрева под прокатку до 700 °С 
снижается объемная доля первичной а'-фазы и увеличивается дисперсность

эвтектоидной смеси аэ+5. В дальнейшем полосы подвергли вакуумному отжигу при 600 и 700 
°С в течение 5-и и 2-х часов соответственно. Вакуумный отжиг 600 °С в течение 5-и часов формирует в сплаве с 0,004% водорода частично 
рекристаллизованную 
структуру 
со 
средним 
размером зерна Dcp= 26 мкм. С повышением начальной концентрации водорода до 0,3, 0,5 и 
0,7% водорода и снижением температуры прокатки до 700 °С уменьшается объемная доля и 
размер a-фазы до 1,6, 1,1 и 0,9 мкм соответственно. На дифрактограммах сплава с начальной 
концентрацией 
водорода 
0,5% 
выявляется 
асимметрия 
дифракционных 
максимумов 
(рис. 
1,6.), а у сплава с начальной концентрацией водорода 0,7% - их раздвоение (рис. 1, а.). Это 
свидетельствует 
о 
том, 
что 
фазовый 
состав 
сплава с начальными концентрациями водорода 
0,5 и 0,7% представлен а- , адег и аг- фазами. 
После прокатки с температуры нагрева 900 °С и 
последующего вакуумного отжига при 700 °С в 
течение 2 часов у сплава с 0,004% водорода 
формируется 
однородная 
рекристаллизованная 
a-структура со средним размером зерна Dcp = 32 
мкм. С повышением концентрации водорода в 
сплаве Ti-6AI водородом наблюдается снижение среднего размера первичного а'- зерна до 
Dcp = 3,3 мкм. Вакуумный отжиг 700 °С приводит

дифрактограмм образцов 
полос сплава "П-6А1 после 
вакуумного отжига 
600 °С в течение 5 часов:

а) 0,7% Н; б) 0,5% Н

Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

к выравниванию содержания алюминия между а1- и адег- фазами и а2-фаза не 
образуется. Выравнивание химического состава первичной и дегазированной 
a-фазой подтверждается отсутствием на дифрактограммах асимметрии и раздвоения дифракционных максимумов. Результаты механических испытаний на 
растяжение при комнатной температуре плоских образцов сплава Ti-6AI после 
прокатки и вакуумного отжига представлены в табл. 1. Из полученных результатов видно, что после вакуумного отжига при 600 °С в течение 5 часов неоднозначно меняются предел прочности и относительное удлинение.

Таблица 1

Механические свойства полос сплава Ti-6AI при нормальной температуре 
с различной начальной концентрацией водорода после вакуумного отжига

Режимы обработки
Фазовый

состав
Dcp, мкм
ав.МПа
5%

0,004%Н , tnp0K =900 °С, 
В.О. 600 °С, 5 часов
a
26
835
13

0,3% Н , tnp0K =700 °С, 
В.О. 600 °С, 5 часов
СС +ССдег
1,6
1025
13

0,5% Н , tnp0K =700 0 С, 
В.О. 600 °С, 5 часов
(а'+а2)+схдег
1,1
1090
4

0,7% Н , tnpoK =700 °С, 
В.О. 600 °С, 5 часов
(а'+а2)+ссдег
0,9
735
4

0,004% Н ,tnp0K =900 °С, 
В.О. 700 °С,2 часа
а
32
790
16

0,3% Н , tnpo,=700 °С, 
В.О. 700 °С, 2 часа
а'+адег
12
895
16

0,5% Н ,tnpoK =700 °С, 
В.О. 700 °С, 2 часа
а'+ССдег
6,8
925
11

0,7% Н , tnp0K =700 °С, 
В.О. 700 °С, 2 часа
а'+адег
3,3
960
7

В частности, с увеличением 
концентрации 
водорода 
с 
0,004% до 0,3% снижается размер рекристаллизованного зерна 
с 26 мкм до 1,6 мкм, при этом 
предел 
прочности 
увеличивается, 
а 
относительное 
удлинение 
остается без изменения. Из полученных результатов видно, что 
после вакуумного отжига при 600 
°С в течение 5 часов неоднозначно меняются предел прочности и носительное удлинение, в 
частности, 
с 
увеличением 
концентрации водорода с 0,004% до 
0,3% 
снижается 
размер 
рекристаллизованного зерна с 26 мкм 
до 1,6 мкм; при этом предел 
прочности увеличивается, а от
Рис 2. Механические свойства цилиндрических образцов сплава Ti-6AI со средним размером зерна 15 и 0,9 мкм в интервале температур 20 ■* 750 °С

6
Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

носительное удлинение остается без изменения. Начиная с концентрации водорода 0,5%, уменьшение среднего размера зерна сопровождается ростом 
предела прочности и резким снижением относительного удлинения. У сплава с 
0,7% водорода дальнейшее уменьшение размера зерна не коррелирует с одновременным 
снижением 
предела 
прочности 
и 
относительного 
удлинения. 
Этот факт обусловлен образованием и увеличением объемной доли аг-фазы с 
повышением концентрации водорода, что и приводит к повышению предела 
прочности и заметному снижению относительного удлинения.

Механические испытания на растяжение цилиндрических образцов, изготовленных из прутков со средним размеров зерна Dcp= 15 мкм и Dcp= 1,9 мкм, 
проводили в интервале температур [20 -*■ 750 °С]. Результаты испытаний представлены в табл. 3 и на рис2. При нормальной температуре (табл. 3) предел 
прочности сплава возрастает с уменьшением зерна от 828,5 МПа у образцов с 
Dcp= 15 мкм до 1135,7 МПа у образцов с Dcp= 1,9 мкм. Характерной особенностью диаграмм растяжения образцов P-AI является формирование зуба текучести. Зависимость относительного сужения от размера зерна не установлена, а 
относительное удлинение несколько снижается с уменьшением размера зерна. 
Влияние размера зерна на предел прочности и относительное сужение сплава 
"П-6А1 наглядно иллюстрирует рис. 2. Относительное сужение образцов с микрокристаллической структурой выше во всем структурой выше во всем интервале повышенных температур. Высокая степень локализации деформации в 
шейке образцов с микрокристаллической структурой (Dcp= 1,9 мкм) в интервале 
повышенных температур несколько снижает у них значения относительного удлинения по сравнению с образцами с размером зерна Dcp= 15 мкм

В интервале температур 20-550 °С предел прочности сплава с микрокристаллической структурой выше, а в области 600 °С, вблизи температуры начала 
рекристаллизации a-фазы (tpH = 580 °С), происходит изменение связи прочности с величиной зерна: предел прочности сплава с Dcp= 15 мкм становится выше, чем у сплава с Dcp = 1,9 мкм.

Таблица 3

Механические свойства сплава Ti-6AI с различной величиной зерна

при нормальной температуре

Режимы обработки

Механические свойства

Пер,
мкм
отв,МПа
атн,МПа
ов.МПа
5,%
Ф,%

0,004% Н , tnpoK.=900 °С, 
В.О. 650 °С, 5 часов
15
812,5
804,6
828,5
13
52

0,3% Н, tnpoK.=800 °С, 
В.О. 700 °С, 3 часа
6,7
1111,7
1079,7
1079,7
13
52

0,3% Н, tnpoK= 800 °С, 
В.О. 650 °С, 5 часов
1,9
1135,7
1111,7
1111,7
8
50

Выводы

Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

1. 
Установлено, что в интервале температур 20-550 °С наблюдается снижение размера зерна и повышение предела прочности, а при температурах испытаний 600-750 °С, прочности снижается с уменьшением величины зерна.
2. 
Установлено, что при прокатке с температуры нагрева 700 °С и последующем вакуумном отжиге при 600 и 700 °С полос сплава Ti-6AI с повышением 
содержания 
водорода 
уменьшается 
средний 
размер 
рекристаллизованного 
зерна.

Литература

1. Водородная технология титановых сплавов. / А.А. Ильин, Б.А. Колачев, В.К. 
Носов, А.М. Мамонов - М.: МИСиС, 2002.

2. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. - М.: Наука, 1994.

8
Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)

ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

УДК 621.77.019

ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ УРОВНЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 
ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 
ДАВЛЕНИЕМ, ПОСРЕДСТВОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

д.т.н., проф. В.И. Галкин, к.т.н., доц. А.Р. Палтиевич

Современная задача технологов - изменяя параметры напряженно-деформированного 
состояния, температуры и скоростей, определить механизмы прогнозирования и управления 
свойствами в получаемом изделии. Наиболее перспективный метод - использование для 
управления параметрами технологического процесса средств математического моделирования 
на основе конечно-элементного анализа.

Modern problem of technologists - changing parameters of the strain-stress condition, temperature and speeds to define mechanisms of forecasting and management of properties in a forming 
product. The most perspective method - use for management in parameters of technological process 
of means of mathematical modeling on the basis of the is final-element analysis.

Производство изделий методами обработки металлов давлением (ОМД) 
широко распространено в современном металлургическом производстве. Для 
процессов ОМД характерна значительная проработка структуры материала и 
получение изделий с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

В деформационных процессах в качестве материалов используют как 
традиционные гомогенные материалы на основе металлов и их сплавов, так и 
гетерогенные материалы, состоящие из связанных между собой нескольких 
компонентов с различными механическими свойствами. Одними из наиболее 
перспективных конструкционных материалов являются гетерогенные материалы со строго определенными функциональными свойствами. При меньших по 
сравнению с гомогенными материалами весовыми параметрами, они обладают 
повышенной прочностью и жесткостью, что определяет их широкое применение 
в случаях, когда масса изделия строго лимитирована. Наиболее перспективными гетерогенными материалами следует считать волокнистые композиционные 
материалы (ВКМ) и слоистые композиционные материалы (СКМ).

Проектирование процессов ОМД связано с решением задач по конструированию технологической оснастки, выбором температурно-скоростных и энергетических режимов формоизменения и оценки их влияния на структуру и свойства получаемого изделия. Несмотря на стремление технологов к равномерному распределению напряженно-деформированного состояния (НДС) по всему 
объему пластически деформируемого тела, в реальных процессах ОМД может 
наблюдаться значительная неоднородность НДС, что в свою очередь приводит 
к неравномерности проработки структуры материала, его разнозернистости и 
анизотропии механических свойств.

Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)
9

ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В то время как пластическое течение гомогенных материалов за последние годы достаточно широко изучено, деформационные процессы, проходящие 
внутри гетерогенного материала, еще только требуют проведения комплексных 
исследований. А механизмы управления структурой и свойствами получаемых 
изделий как из гетеро- так и гомогенных материалов наукой вообще практически не изучены. Поэтому современные исследования в области процессов ОМД 
должны вестись в направлении определения путей, позволяющих управлять 
структурой и свойствами материала в получаемом изделии, на разных этапах 
деформации.

Наиболее перспективное направление исследований процессов формоизменения металла при ОМД - использование средств математического моделирования. Это позволяет, во-первых, проводить детальный и многофакторный 
анализ влияния НДС и температурно-скоростных параметров на свойства изделия, а, во-вторых, значительно снижает затраты и время на проведение исследований. В настоящее время в качестве средств математического моделирования технологических процессов широко применяются САЕ - системы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). МКЭ позволяет с большой 
точностью исследовать динамику и кинематику деформационных процессов в 
любой части исследуемой области с учетом реологических особенностей деформируемых материалов как гомогенного, так и гетерогенного строения. МКЭ 
дает возможность строить более совершенные математические модели, в том 
числе и объемные, основанные на значительно меньшем числе допущений и 
ограничений. Поэтому результаты исследований, полученные с его помощью, 
более объективны. МКЭ представляет собой весьма универсальный метод, 
имеющий простую физическую основу и математическую форму, которая реализуется с помощью гибкого алгоритма, хорошо приспособленного для решения на ЭВМ.

Активное исследование пластического формоизменения гомогенных материалов в процессах ОМД ведется уже порядка 15 лет. За этот период появились мощные программные комплексы, такие как DeForm и QForm, позволяющие моделировать основные процессы ОМД - прокатку, прессование, объемную штамповку, высадку и т.п. Технологами накоплен большой опыт в создании 
геометрических моделей оснасток и заготовок, в определении действующих параметров НДС, температур и полей скоростей в деформируемом материале, 
энергосиловых параметров оборудования. В последние годы САЕ-системы

«научились» 
определять 
как 
видимые дефекты - недош- 
тамповка 
и 
задиры, 
так 
и 
скрытые - прострелы и зажимы (рис. 1), рассчитывать 
деформацию и напряжения в 
инструменте. 
Полученный 
опыт использования средств 
математического 
моделирования 
позволил 
вывести 
проектирование 
технологических 
процессов 
ОМД 
на 
новый научный уровень, где 
появилась следующая акту
Рис.1. Образование зажима 
при моделировании детали (правая часть) 
и его подтверждение металлографическими 
исследованиями (левая часть)

10
Научные труды. МАТИ, 2009 г. Вып. 16 (88)