Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы подготовки мелкозернистой структуры в полуфабрикатах из титановых сплавов 8
1.1. Термическая и термоциклическая обработка титановых сплавов 10
1.2. Деформационная обработка титановых сплавов 16
1.2.1. Механизмы формирования мелкозернистой структуры в титановых сплавах при горячей деформации 18
1.3. Влияние исходной дисперсности пластинчатой микроструктуры на трансформацию структуры 23
1.4. Формирование мелкозернистой структуры в титановых сплавах при различных видах деформации 26
1.5. Влияние напряженного состояния на механические свойства и структуру металлов 35
1.6. Постановка задачи исследования 40
Глава 2. Материалы и методы исследования 43
2.1. Выбор материалов и их химический состав 43
2.2. Экспериментальные методики 45
Глава 3. Влияние траектории деформации на механическое поведение и микроструктурные изменения при горячей деформации титанового сплава ВТ9 58
3.1. Влияние одно- и двухкомпонентного вида нагружения на трансформацию пластинчатой микроструктуры титанового сплава ВТ9 59
3.2. Зависимость механического поведения и эволюции пластинчатой микроструктуры сплава ВТ9 от соотношения осевой и сдвиговой компонент горячей деформации 75
3.3. Схема влияния двухкомпонентного нагружения на процесс трансформации крупнозернистой пластинчатой микроструктуры в мелкозернистую равноосную 79
Глава 4. Микроструктурные изменения в титановом сплаве ВТ9 при горячей деформации одноосным сжатием в зависимости от показателя напряженного состояния 86
Глава 5. Получение мелкозернистой структуры в крупногабаритных заготовках типа "вал" и "шайба" в условиях двухкомпонентного нагружения 104
5.1. Основные принципы получения мелкозернистой структуры в крупногабаритных заготовках из двухфазных титановых сплавов 104
5.2. Опытный технологический процесс получения мелкозернистой структуры в крупногабаритных заготовках методом горячего деформирования в условиях двухкомпонентного нагружения 105
5.3. Оценка эффективности метода получения мелкозернистой структуры в крупногабаритных заготовках из двухфазных титановых сплавов методом двухкомпонентного нагружения 115
Выводы 117
Список литературы 119
- Влияние исходной дисперсности пластинчатой микроструктуры на трансформацию структуры
- Влияние напряженного состояния на механические свойства и структуру металлов
- Зависимость механического поведения и эволюции пластинчатой микроструктуры сплава ВТ9 от соотношения осевой и сдвиговой компонент горячей деформации
- Микроструктурные изменения в титановом сплаве ВТ9 при горячей деформации одноосным сжатием в зависимости от показателя напряженного состояния
Введение к работе
Развитие современного производства требует разработки новых экономичных ресурсосберегающих методов получения крупногабаритных полуфабрикатов с однородной мелкозернистой структурой. Особенно остро стоит эта проблема при обработке труднодеформируемых титановых сплавов. Деформация титановых сплавов проводится в двухфазной (а+/?)-области, так как только при такой обработке удается достигнуть мелкозернистого состояния, необходимого для обеспечения требуемого комплекса механических свойств. Формирование мелкозернистой структуры полуфабрикатов зависит от термомеханических параметров обработки - температуры, скорости и степени деформации. В крупногабаритных заготовках трудно обеспечить равномерное распределение этих параметров в объеме, что приводит к неоднородности макро- и микроструктуры. Одним из важных, но малоизученных факторов, влияющим на формирование структуры, является напряженно-деформированное состояние в объеме деформируемой заготовки.
Разработка эффективных методов получения мелкозернистой структуры в промышленных титановых сплавах связана с необходимостью изучения влияния параметров напряженно-деформированного состояния в заготовке на трансформацию крупнозернистой пластинчатой микроструктуры в мелкозернистую равноосную.
В этой связи, актуальным представляется рассмотрение влияния параметров напряженно-деформированного состояния: траектории деформации и показателя напряженного состояния на микроструктурные изменения при горячей деформации типичных двухфазных титановых сплавов.
Цель работы: Установить связь между параметрами напряженно-деформированного состояния и микроструктурными изменениями при горячей деформации титановых сплавов и разработать на этой основе опытный технологический процесс получения крупногабаритных цилиндрических заготовок с однородной мелкозернистой структурой.
5 Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выявить влияние траектории деформации на деформационное поведение сплава ВТ9 и однородность микроструктуры в объеме деформированных образцов;
Выявить влияние соотношения осевой и сдвиговой компонент деформации при двухкомпонентном пропорциональном нагружении на механическое поведение и кинетику трансформации пластинчатой микроструктуры в мелкозернистую равноосную титанового сплава ВТ9.
Исследовать влияние вида предварительной деформации на механическое поведение сплава ВТ9 при последующем растяжении в температурно-скоростном режиме сверхпластичности.
Исследовать механическое поведение и формирование структуры в титановом сплаве при горячей деформации одноосным сжатием в зависимости от показателя напряженного состояния в образце.
Оценить практическую возможность применения двухкомпонентного нагружения в качестве метода получения крупногабаритных цилиндрических полуфабрикатов из титановых сплавов с однородной мелкозернистой структурой.
Достоверность полученных результатов определялась разнообразием применяемых методов механических испытаний, качественного и количественного анализа микроструктуры, исследований тонкой структуры образцов, рентгеноструктурного анализа. Для оценки погрешности проведения механических испытаний образцов и измерения параметров микроструктуры титановых сплавов использовали статистические методы обработки результатов.
Проведенные эксперименты позволили получить новые результаты:
- В результате экспериментальных исследований выявлено, что
траектория деформации влияет на однородность трансформации пластинчатой микроструктуры двухфазного титанового сплава ВТ9 в мелкозернистую в объеме рабочей части деформируемых цилиндрических образцов. После одноосного растяжения мелкозернистая равноосная структура наблюдается в зоне образования шейки, а после кручения - в периферийных зонах образцов.
Горячая деформация цилиндрических образцов из титанового сплава ВТ9 с исходной крупнозернистой пластинчатой микроструктурой в двухфазной (<х+7?)-области по схеме двухкомпонентного нагружения "кручение с одновременным растяжением" повышает однородность макро- и микроструктуры в объеме по сравнению с однокомпонентными схемами нагружения.
Установлено, что соотношение крутящей и растягивающей компонент
при пропорциональном нагружении оказывает влияние на кинетику трансформации крупнозернистой пластинчатой структуры в мелкозернистую равноосную при горячей деформации в (сН-/?)-области. Ускорение трансформации пластинчатой микроструктуры в равноосную наблюдается при деформировании образцов кручением с одновременным растяжением при соотношении осевой и крутящей компонент деформации 1:1.
Предложена схема, объясняющая влияние двухкомпонентного нагружения на процесс трансформации крупнозернистой пластинчатой микроструктуры в мелкозернистую равноосную. Пластины, ориентированные вдоль оси образца, разворачиваются под действием крутящей компоненты и делятся на короткие фрагменты за счет локализованных полос сдвига, возникающих под действием растягивающей компоненты. И наоборот, пластины, ориентированные в исходном состоянии поперек оси образца, разворачиваются под действием растягивающей компоненты и делятся за счет полос сдвига, возникающих под действием крутящей компоненты.
Установлено, что с уменьшением исходной высоты образца при
7 осадке в (а+/5)-области наблюдается ускорение трансформации пластинчатой микроструктуры титанового сплава ВТ9 в мелкозернистую в зоне контакта образца с деформирующим инструментом, в результате чего повышается однородность макроструктуры. Этот эффект обусловлен повышением показателя напряженного состояния в осевой зоне образца.
На основании проведенных исследований разработан опытный технологический процесс получения крупногабаритных цилиндрических полуфабрикатов из титановых сплавов с однородной мелкозернистой структурой во всем объеме, включающий горячую изотермическую деформацию по схеме "кручение с одновременным растяжением" с последующей осадкой и протяжкой. Использование разработанного опытного технологического процесса позволило получить крупногабаритные заготовки типа "вал" из титанового сплава ВТ6 и "шайба" из титанового сплава Ті 17 с однородной мелкозернистой структурой.
На защиту выносятся следующие результаты:
Результаты исследования механического поведения и микроструктурных изменений при горячей деформации цилиндрических образцов из титанового сплава ВТ9 в условиях одно-и двухкомпонентного нагружения.
Схема, объясняющая влияние двухкомпонентного нагружения «кручение с одновременным растяжением» на процесс трансформации крупнозернистой пластинчатой микроструктуры титанового сплава ВТ9 в мелкозернистую равноосную.
Результаты исследования влияния показателя напряженного состояния при осадке титанового сплава ВТ9 на микроструктурные изменения.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность научному консультанту к.т.н. Караваевой М.В. за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.
Влияние исходной дисперсности пластинчатой микроструктуры на трансформацию структуры
Известно, что массивные полуфабрикаты из титановых сплавов характеризуются неоднородностью исходной литой структуры, а также образованием метастабильных мартенситных фаз при охлаждении заготовок с температур деформации. В участках, где скорости охлаждения повышенные, формируется структура мартенситного типа, при меньших скоростях формируется структура с утолщенными пластинами я-фазы в пределах /3-превращенных зерен. Кроме того, на неравномерность структурных преобразований влияет низкая теплопроводность титановых сплавов [85].
Исследованию влияния исходной дисперсности пластинчатой микроструктуры на трансформацию посвящено ряд работ [86-94].
Авторы работы [87] отмечают необходимость формирования пластин мартенсита в титановых сплавах минимально возможной толщины перед окончательной деформацией в (сгНД)-области. Для этого проводят предварительную горячую деформацию в температурном интервале существования переохлажденной /?-фазы с последующей закалкой в воду. При этом деформация позволяет не только получить более тонкие пластины мартенсита, но и изменяет размеры заготовки, обеспечивая ее сквозную прокаливаемость.
Авторы работы [88] отмечают, что дисперсная микроструктура, формирующаяся при закалке титанового сплава ВТ22, является неравновесной и благодаря этому быстрее трансформируется в равноосную. В работе [89] по исследованию формирования однородной СМК структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией, отмечается роль внутризеренной структуры, изменять которую можно, в частности, за счет регламентирования скорости охлаждения. Сплавы с fi-метастабильной и мартенситнои микроструктурами при температурах формирования СМК структуры в а- или о+/?-области деформируются с большой степенью деформации без образования трещин. Кроме того, при нагреве и деформации метастабильные фазы распадаются с образованием ультрадисперсной смеси а- и /?-фаз, что способствует ускорению измельчения микроструктуры и повышению ее однородности.
Для оценки влияния исходной структуры на однородность деформации образцы с грубопластинчатой и смешанной микроструктурами подвергались осадке на степень деформации 70% при 550 С и скорости деформации 10 3 с"1 [90]. Для всех состояний на кривой о--е,- наблюдается пик напряжения течения с последующим разупрочнением. Максимальное напряжение течения (650 МПа), достигаемое раньше, чем в остальных состояниях (=3%), имеет сплав с исходной мартенситнои структурой. Для грубопластинчатого состояния пик о; отмечается при =7%, а для смешанной структуры при =12%. Анализ деформационного рельефа показал, что однородность деформации в сплаве ВТ6 увеличивается с повышением дисперсности исходной структуры.
В работе [67] показано, что при одинаковых условиях деформации (температура, скорость и степень деформации) материал с тонкопластинчатой структурой «-фазы легче превращается в равноосную структуру, чем грубопластинчатый материал. Для перевода тонкопластинчатой структуры в равноосную требуется осадить образец на 60%), для толсто-пластинчатой структуры требуется 80% высотной деформации.
Работа [91] посвящена изучению влияния толщины пластин а-фазы титанового сплава ВТ6 на величину напряжения течения при горячей деформации и действующие при этом механизмы. Было выбрано три исходных состояния титанового сплава ВТ6: мартенситная структура, тонкопластинчатая и грубопластинчатая. Показано, что при высоких скоростях деформации пик напряжения течения повышается с уменьшением толщины пластин а-фазы. Однако для низких скоростей такая тенденция сохраняется только для пластинчатых морфологии. Мартенситная же структура показывает самые низкие значения напряжения течения при данных условиях. Проведенное измерение коэффициента скоростной чувствительности т (параметр, описывающий чувствительность напряжения пластического течения к скорости деформации [92]) связывает такое изменение действием различных высокотемпературных механизмов деформации при высоких и низких скоростях. Было отмечено, что значение коэффициента скоростной чувствительности зависит от температуры, скорости деформации и исходной микроструктуры. Так для низких степеней деформации (до начала процесса динамической сфероидизации) действующими механизмами являются дислокационное скольжение/переползание (т»0,2). Исключение составляет мартенситная структура, деформация которой контролируется дислокационным скольжением/переползанием и процессами диффузионной ползучести (т«0,3). С повышение степени деформации т«0,3-0,4. Эти величины отвечают за динамическую сфероидизацию и зернограничное проскальзывание.
Работа [93] посвящена изучению влияния начальной микроструктуры титанового сплава ВТ6 на пластическое течение и кинетику динамической глобуляризации при горячей деформации по схеме одноосного сжатия. Было рассмотрено три исходных состояния титанового сплава: игольчатая, пластинчатая и смешанная. Самое низкое значение напряжения течения отмечалось для смешанной структуры. Отмечается, что степень деформации необходимая для начала процесса динамической глобуляризации выше значения степени деформации, при которой начинается процесс разупрочнения на кривых ПІ-ЄІ. Скорость динамической глобуляризации выше в образце с игольчатой структурой. Авторы связывают это с легкостью проникновения Р-фазы вдоль субграниц или полос локализованного сдвига в тонких пластинах, по сравнению с толстыми. Для пластинчатой структуры процесс глобуляризации завершается при ,-=2,5, для игольчатой ,-=1,4.
Таким образом, анализ работ показал существенное влияние исходной дисперсности пластин а- и /?-фаз на микроструктурные изменения при высокотемпературной деформации титановых сплавов. Дисперсная микроструктура, формирующаяся при закалке, является неравновесной и благодаря этому быстрее и легче трансформируется в равноосную [88, 89]. Такое увеличение скорости преобразования структуры объясняется легкостью проникновения /?-фазы вдоль субграниц или полос локализованного сдвига в тонких пластинах по сравнению с толстыми [93, 94]. Отмечается также, что дисперсность исходной структуры влияет на конечный размер зерна и на однородность деформации, а следовательно на однородность микроструктурных преобразований в объеме деформируемых образцов [90, 92].
Влияние напряженного состояния на механические свойства и структуру металлов
Известно, что любой материал чутко реагирует на схему напряженного состояния, которая возникает в нем под действием внешних сил [119-122]. Экспериментально установлено, что большинство твердых тел противостоят без разрушения действию всестороннего сжатия, т.е. напряженного состояния, вызывающего главным образом изменение объема тела. И наоборот, те же тела быстро разрушаются при сравнительно невысоких напряжениях, если схема напряженного состояния такова, что она вызывает в основном изменение формы тела, а не его объема.
Напряженное состояние в окрестностях точки твердого тела полностью описывается тензором напряжений Тн. Для анализа напряженного состояния принято разделять тензор напряжений Тн на два составляющих, один из которых оценивает ту долю общего напряженного состояния, которая вызывает изменение объема, а другой - ту долю, которая вызывает изменение формы тела [122, 123]: где ТЦ - это шаровой (сферический) тензор напряжений, описывающий напряженное состояние в окрестностях точки твердого тела; Da - тензор, называемый девиатором напряжений и выражающий долю напряженного состояния, которая вызывает формоизменение вокруг той же точки.
Напряженное состояние, определяемое шаровым тензором, представляет собой всестороннее равномерное сжатие или всестороннее равномерное растяжение. Такое напряженное состояние не может вызвать изменение формы тела - возможно лишь изменение объема (при упругой деформации) и разрушение. Если же напряженное состояние, в котором находится какое-либо тело, определяется девиатором, то тело изменяет форму без изменения объема даже при упругом деформировании.
Следует отметить, что разложение тензора напряжений на два - шаровой и девиаторный - представляет прежде всего математическую операцию, которой не следует придавать безоговорочно физического смысла, т.е. например, считать, что тело находится под одновременным или последовательным действием двух независимых систем напряжений, эффекты которых складываются.
В литературе в качестве характеристики напряженного состояния используют понятие гидростатического давления (сжимающие напряжения шарового тензора) [24]. При повышении гидростатического давления схема напряженного состояния приближается к схеме всестороннего равномерного сжатия.
В ряде работ [124-132] проводилось исследование влияния гидростатического давления на механические свойства и структуру металлов. Высокое гидростатическое давление увеличивает степень неравновесности (термодинамической нестабильности) дефектной структуры материла, а следовательно вызывает определенные перестройки в структуре материала, направленные на ее упорядочение. Показано, что в структуре материала могут наблюдаться следующие изменения: 1) уменьшается доля подвижных дислокаций вследствие увеличения концентрации стопоров; 2) интенсифицируются процессы неконсервативного движения дислокаций, вследствие чего ускоряется развитие процесса полигонизации; 3) уменьшается энергия дефектов упаковки; 4) замедляются диффузионные процессы, с одной стороны, и увеличивается степень пересыщения точечными дефектами - с другой; 5) интенсифицируется процесс размножения дислокаций по механизму двойного поперечного скольжения, приводящий с ростом деформации к формированию субзерен, свободных от дислокаций.
В работе [124] исследовали влияние гидростатического давления на механические свойства и структуру поликристаллического молибдена. При воздействии на молибден гидростатического давления (5ГПа) наблюдается увеличение предела текучести и коэффициента деформационного упрочнения в интервале деформаций 0-2%. В тонкой структуре выявлено упорядочение дислокационной структуры под влиянием гидростатического давления.
Авторы работы [125] отмечают, что всестороннее давление приводит к замедлению роста суммарного рекристаллизационного объема при первичной рекристаллизации, уменьшению скорости зародышеобразования и роста центров рекристаллизации. Влияние давления сильнее сказывается на скорости образования зародышей. В результате при отжиге меди М-А1 под давлением возникла более крупнозернистая структура.
Работа [126] посвящена изучению влияния давления на отжиг слабодеформированных металлов с ГЦК решеткой. Отмечается, что приложение давления при высокотемпературном отжиге слабодеформированного алюминия не сказывается на перераспределении дислокаций. Для меди приложение давления приводит к существенному повышению температуры рекристаллизации и полигонизации, что связывается с затруднением поперечного скольжения дислокаций из-за увеличения степени их расщепления и переползания дислокаций вследствие понижения диффузионной подвижности точечных дефектов с давлением.
В работе [127] отмечается снижение температуры а-ї у превращения в железо-никелевом сплаве Fe-28%Ni под действием всестороннего давления. Приложение давления 8 ГПа понижает температуру начала образования аустенита на 300 С в недеформированном и на 200 С в деформированном сплаве. Кроме того, наблюдается изменение морфологии аустенита вследствие уменьшения доли термически активируемых процессов, участвующих в превращении за счет существенного понижения температуры а- у-превращения.
Высокое динамическое и статическое давление способствует появлению фаз с меньшим удельным объемом, пластическая деформация приводит к созданию высоких внутренних напряжений [128]. Давление и внутренние напряжения действуют на фазовый переход аналогично охлаждению. Так, деформирование сдвигом под давлением при комнатной температуре сплава Г40 (40,5% Мп) и стали 70Г11 (0,71%С; 10,1%Мп) вызывает интенсивное развитие в них мартенситного /- превращения [129]. Хотя, железомарганцевые сплавы, содержащие более 36% Мп, стабильны по отношению к у- є превращению при деформации даже в области криогенных температур [130].
Авторы работы [131] наблюдали, что возникающие во время деформации значительные внутренние напряжения, наряду с внешним квазигидростатическим давлением, оказывают заметное влияние на фазовый ОЦК-ГЦК переход в сплаве Fe-32%Ni-0,03%C. При этом всестороннее давление уменьшает объем системы, стабилизируя более плотноупакованную фазу с ГЦК решеткой, а напряжения создаваемые при деформации, поставляют в систему механическую энергию превращения и ускоряют сдвиговой переход ОЦК-ГЦК. Отмечено, что сдвиг под всесторонним давлением не вызывает разрушения образца, поскольку под давлением затруднено образование трещин и несплошностей, и не происходит изменение формы образца, то есть отсутствует его геометрическое разупрочнение.
Зависимость механического поведения и эволюции пластинчатой микроструктуры сплава ВТ9 от соотношения осевой и сдвиговой компонент горячей деформации
Итак, нами было показано, что двухкомпонентное нагружение повышает ресурс пластичности материала, увеличивает степень однородности деформации и обеспечивает трансформацию пластинчатой микроструктуры в мелкозернистую равноосную в большем объеме образца. Для разработки технологии получения заготовок с мелкозернистой структурой по схеме двухкомпонентного нагружения необходимо определиться с оптимальным соотношением осевой и крутящей компонентой деформации, приводящей к наилучшей проработке пластинчатой микроструктуры. Так как растяжение образцов с грубопластинчатой микроструктурой сопровождается быстрой макролокализацией деформации, то для наших дальнейших исследований было выбрано исходное состояние титанового сплава ВТ9 с тонкопластинчатой микроструктурой.
Видно, что с увеличением растягивающей компоненты максимальное значение крутящего момента постоянно снижается от 76 Н-м - при однокомпонентном кручении - до нуля - при растяжении в отсутствии кручения (рис. 3.13, а). Максимальное осевое усилие при добавлении небольшой крутящей компоненты при 7=22,5 практически постоянно и составляет Р=3,6 кН, а затем уменьшается на 30% при р=45 и на 60% при р=67,5.
Для всех исследованных траекторий деформаций наблюдаются максимальные значения напряжений течения при малых значениях е, 0,05, которые снижаются при увеличении истинной деформации до е,=0,4 (рис. 3.13, б). Максимальные значения о; при всех траекториях деформации близки. При е,=0,02 максимальное значение напряжения течения несколько выше для кривой, соответствующей 7=45 (соотношение компонент 1:1): сгтах=46 МПа, самое низкое значение - для кривой, соответствующей кручению ((р=9)\ "тах=4ОМПа. Кривые, соответствующие остальным видам нагружения, располагаются между ними. Однако наиболее интенсивное разупрочнение наблюдается для пропорционального нагружения, когда (р=АУ. По достижению е=0,4 кривые зависимости о;-е/ для исследуемых схем нагружения сближаются.
При всех изучаемых схемах нагружения происходит аналогичные изменения микроструктуры, уже описанные неоднократно. Наблюдается изгиб пластин и деление их на фрагменты. Степень микроструктурных изменений зависит от степени деформации, а также от соотношения крутящей и осевой компонент деформации.
Рассмотрим зависимость коэффициента формы пластин а-фазы от величины истинной деформации при разных углах наклона траектории деформации (рис. 3.14).
Наиболее значительные структурные изменения происходят на начальном этапе деформирования: при ,-=0,2 Ка изменяется в 1,5-2 раза. Самое низкое значение Ка=4,2 наблюдается в образце, деформированном пропорциональным нагружением при (р=45, наиболее высокое - Ка=6,0 - при 9=90. Микроструктура соответствующих образцов представлена на рисунке 3.15. При пропорциональном напружений с соотношением компонент 1:1 (( =45) (рис. 3.15, а) в микроструктуре наблюдается изгиб пластин, на межфазных границах видны канавки, свидетельствующие о наличии межзеренных границ в пластинах «-фазы. На фоне изгиба «-пластин начинают появляться равноосные зерна. Микроструктура после кручения с малой истинной деформацией имеет несколько иной вид. Изгибы пластин еще не наблюдается, отмечается только их деление в результате сдвига через колонии пластин (рис. 3.15, б).
При увеличении истинной деформации скорость изменения Ка замедляется. При е,=0,6 значения Ка для всех схем нагружения примерно одинаковы: 3,5-4,0, за исключением деформации кручением, при котором Ка несколько больше: 4,6.
На рис. 3.15 б, г представлена микроструктура образцов после нагружения по траекториям деформации с углом наклона 45 и r/F=90 до величины истинной деформации е,=0,6. После пропорционального нагружения наблюдается структура типа микродуплекс, которая характеризуется наличием большого количества равноосных частиц (рис. 3.15, б).
Микроструктурные изменения в титановом сплаве ВТ9 при горячей деформации одноосным сжатием в зависимости от показателя напряженного состояния
Итак, нами было рассмотрено влияние траектории деформации на микроструктурные изменения при горячей деформации титанового сплава ВТ9. Показано, что траектория деформации не оказывает значительного влияния на механическое поведение материала. Траектория деформации влияет на однородность трансформации пластинчатой микроструктуры двухфазного титанового сплава ВТ9 в мелкозернистую в объеме рабочей части деформируемых цилиндрических образцов. Кроме того, установлено, что соотношение крутящей и растягивающей компонент при пропорциональном нагружении оказывает влияние на кинетику трансформации крупнозернистой пластинчатой структуры в мелкозернистую равноосную при горячей деформации в ( э -/?)-области.
При подготовке микроструктуры методом объемной обработки давлением широко используются схемы деформации в условиях значительных гидростатических давлений (прессование, ковка, прокатка, гидроэкструзия). Известно, что гидростатическое давление увеличивает степень неравновесности (термодинамической нестабильности) дефектной структуры материла, а следовательно вызывает определенные перестройки в структуре материала, направленные на ее упорядочение. В ряде работ показано [124-126], что в структуре материала могут наблюдаться следующие изменения: уменьшается доля подвижных дислокаций; интенсифицируются процессы неконсервативного движения дислокаций, вследствие чего ускоряется развитие процесса полигонизации; уменьшается энергия дефектов упаковки; замедляются диффузионные процессы. Кроме того, отмечено [127,131] снижение температуры а- у превращения в железо-никелевом сплаве Fe-28%Ni под действием всестороннего давления.
Таким образом, гидростатическое давление оказывает существенное влияние на деформационные процессы и свойства материала. Следует отметить, что в этих работах рассматривались микроструктурные изменения в сплавах под действием внешнего гидростатического давления. Для создания гидростатического давления обычно используют специальную аппаратуру [156].
Из механики деформируемого твердого тела известно [119-122,153,154], что если на данное напряженное состояние наложить отрицательный шаровой тензор (так называемое гидростатическое давление), то схема главных деформаций и характер формоизменения заготовки не изменится, однако схема главных напряжений изменится - в ней повысится роль напряжений сжатия. А это будет способствовать увеличению пластичности металла [119]. Основной мерой сжимающих напряжений является показатель напряженного состояния, который как раз характеризует вклад гидростатического давления в схему напряженного состояния.
Показатель напряженного состояния (к) - это скалярная величина и рассчитывается по формуле [119-121]: где тср - среднее нормальное напряжение или гидростатическое давление; Г- интенсивность касательных напряжений. Среднее нормальное напряжение рассчитывается по формуле: где о], 72, Тз - главные напряжения. Интенсивность касательных напряжений определяется по формуле: Известно [123], что испытания на осадку при наложении трения на торцовых поверхностях приводит к неоднородности напряженного состояния в различных точках образца. Так, в центральной зоне образца реализуется схема объемного трехосного сжатия. При этом, если степень деформации на боковой поверхности при осадке незначительно меняется с изменением отношения h0/do, то значение показателя к существенно зависит от этого параметра [155].
Для изменения показателя напряженного состояния к в образце при одноосной осадке было предложено использование цилиндрических образцов с различной исходной высотой. Было проведено математическое моделирование одноосной осадки цилиндрических образцов с одинаковым исходным диаметром 13 мм, но с различной исходной высотой 16, 8 и 4 мм. Величину показателя напряженного состояния оценивали в четырех точках (рис. 4.1). Результаты моделирования представлены в таблице 4.1 и на рисунке 4.2.
Результаты моделирования показали, что величина локальной деформации (е) в центральной зоне образца слабо зависит от исходной высоты. Локальная деформация в зоне под бойком незначительно повышается с уменьшением исходной высоты. В то же время абсолютное значение показателя напряженного состояния (к) в этих зонах повышается с уменьшением исходной высоты образцов.
Таким образом, исходная высота образцов влияет на напряженное состояние материала. При наложении сил трения при одноосной осадке цилиндрических образцов с различной исходной высотой изменяется вклад гидростатического давления в схеме напряженного состояния, возникающей при деформации. С уменьшением исходной высоты образца абсолютное значение показателя напряженного состояния к повышается.
Рассмотрим влияние показателя напряженного состояния (к), который характеризует вклад гидростатического давления в схему напряженного состояния на микроструктурные изменения при горячей деформации двухфазного титанового сплава ВТ9 по схеме одноосное сжатие.
