Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Эталонные образцы для ультразвукового контроля. Требования, предъявляемые к ним. Способы изготовления 8
1.2. Микроструктура и ее влияние на свойства титановых сплавов 11
1.2.1. Микроструктура титановых сплавов 11
1.2.2. Влияние микроструктуры на механические свойства 13
1.2.3. Влияние микроструктуры на высокотемпературную деформацию. / 15
1.3.Образование и качество соединения при диффузионной сварке титана 19
1.3.1. Образование физического контакта 20
1.3.2. Активация контактных поверхностей 23
1.3.3. Объемное взаимодействие при диффузионной сварке 25
1.3.4. Критерии и факторы качества диффузионно-сварного соединения 26
1.4. Цель и задачи исследования 29
2. Методика проведения исследований 32
2.1. Общая характеристика титанового сплава ВТ9 32
2.2. Методика металлографических исследований 33
2.3. Методика фрактографических исследований 34
2.4. Методика механических испытаний 37
2.5. Методика измерения твердости 38
2.6. Установка для испытаний на ползучесть и диффузионной сварки...41
2.7. Оценка достоверности измерений 42
3. Анализ микроструктур и свойств сплава ВТ9 в условиях диффузионной сварки 44
3.1. Анализ микроструктур 44
3.2. Химический состав и механические свойства сплава ВТ9 48
3.3. Фрактографические исследования поверхностей разрушения 50
3.4. Высокотемпературная ползучесть 53
3.4.1.Ползуч есть сплава с исходной мелкозернистой структурой...54 3.4.2. Ползучесть сплава с исходной крупнозернистой пластинчатой структурой 58
3.5. Высокотемпературная деформация поверхности под действием внутренних (собственных) напряжений 62
3.5.1. Образование деформационного рельефа на поверхности сплава с мелкозернистой структурой 63
3.5.2. Образование деформационного рельефа на поверхности сплава с крупнозернистой пластинчатой структурой 69
3.6. Выводы и результаты по главе 3 74
4. Анализ влияния технологических параметров процесса диффузионной сварки на качество соединения сплава ВТ9 76
4.1. Влияние режимов диффузионной сварки на механические свойства сварных соединений из сплава ВТ9 77
4.2. Анализ влияния режимов диффузионной сварки на деформацию свариваемых заготовок и развитие физического контакта 91
4.3. Топография поверхностей разрушения диффузионных соединений 102
4.4. Моделирование распределения ямок отрыва по фрактограмме микровязкого разрушения мелкозернистого материала 107
4.5. Статистико-кинетическая модель развития объемного контакта 114
4.6. Выводы и результаты по главе 4 120
5. Разработка технологии изготовления эталонных образцов для ультразвукового контроля 122
5.1. К обоснованию схемы диффузионной сварки эталонных образцов.. 122
5.2.Исследования процесса сварки в условиях автовакуумирования 128
5.3.Технология диффузионной сварки образцов-эталонов для УЗК с плоскодонным отражателем 138
5.3.1. Технологический процесс сварки 140
5.4. Выводы и результаты по главе 5 143
Основные выводы и результаты работы 144
Литература 146
Приложения 155
- Эталонные образцы для ультразвукового контроля. Требования, предъявляемые к ним. Способы изготовления
- Методика металлографических исследований
- Химический состав и механические свойства сплава ВТ9
Введение к работе
Актуальность темы. Вопрос повышения точности и надежности такого метода контроля, как ультразвуковая дефектоскопия связан с разработкой образцов-эталонов, имитирующих дефекты определенного типа и размера.
На практике для настройки дефектоскопов широко используются образцы с дефектом в виде несквозного отверстия с плоским дном (ГОСТ 1478-86). Изготовление таких образцов с отражателем диаметром менее 1,0 мм с получением точной геометрии донной плоскости отверстия представляет значительные технические трудности.
Одним из наиболее перспективных способов изготовления эталонных образцов с плоскодонным отражателем практически любого диаметра является диффузионная сварка. По этой схеме соединяются две заготовки, в одной из которых выполнено сквозное отверстие, а у второй заготовки торцевые контактные поверхности строго параллельны. В этом случае зона сварки по своим акустическим свойствам не должна отличаться от основного материала.
Однако при сварке образцов из титанового сплава ВТ9 на режимах, обеспечивающих получение качественного диффузионного соединения, величина накопленной деформации составляет 4 - 6 %, что приводит к искажению геометрии плоскодонного отражателя. При уменьшении величины накопленной деформации в зоне диффузионного соединения сохраняется граница раздела, являющаяся источником дополнительных эхо-сигналов и препятствующая настройке дефектоскопа.
В связи с этим разработка процесса диффузионной сварки заготовок из сплава ВТ9 без их деформации (или с деформацией в допустимых пределах) является актуальной задачей, решение которой связано с исследованием процессов, протекающих под действием внутренних (собственных) напряжений без макродеформации свариваемых заготовок.
Цель работы. Разработка процесса изготовления диффузионной сваркой с эффектом автовакуумирования эталонных образцов с плоскодонным отражателем из сплава ВТ9.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние микроструктуры и термодеформационного цикла диффузионной сварки на высокотемпературную ползучесть и развитие деформационного рельефа на поверхности заготовок из сплава ВТ9.
-
Установить зависимости прочности сварного соединения и высокотемпературной деформации от технологических параметров
диффузионной сварки заготовок из сплава ВТ9 с различными микроструктурными характеристиками.
-
Разработать статистическую модель, позволяющую по микрофрактографическим характеристикам поверхности разрушения делать вывод о степени завершенности процесса образования сварного соединения заготовок из сплава ВТ9.
-
Исследовать процесс образования диффузионного соединения с учетом деформации контактных поверхностей под действием внутренних напряжений.
-
Обосновать и разработать технологию автовакуумной диффузионной сварки образцов-эталонов с плоскодонным отражателем из сплава ВТ9.
Научная новизна. Для сплава ВТ9 в исследованном диапазоне температур диффузионной сварки с учетом исходной микроструктуры установлены закономерности его высокотемпературной деформации под действием внешних (сжимающих) и внутренних напряжений.
Получены математические зависимости, отражающие связь между такими критериями завершенности формирования сварного соединения, как прочность диффузионного соединения, характер разрушения и технологическими параметрами процесса сварки.
Разработана модель развития областей объемного взаимодействия (ООВ) в процессе формирования диффузионного соединения для сплава ВТ9 с мелкозернистой структурой и установлено, что образование ООВ проходит в две стадии: на первой по зерну появляются отдельные участки ООВ, на второй происходит их укрупнение путем поглощения по типу рекристаллизации.
Предложены и обоснованы принципы осуществления процесса сварки в условиях автовакуумирования и всестороннего сжатия свариваемых заготовок без их макродеформации.
Практическая значимость. Результаты выполненных исследований послужили основой для разработки новой технологии диффузионной автовакуумной сварки титановых эталонных образцов для настройки ультразвуковых дефектоскопов.
Получены гистограммы распределения размеров ямок на поверхности разрушения сплава ВТ9 в зависимости от термического цикла диффузионной сварки, которые позволяют по фрактографическим признакам поверхности разрушения соединения судить о завершенности процесса сварки и свойствах сварных соединений.
Получены уравнения скорости ползучести сплава ВТ9 в условиях одноосного сжатия, позволяющие оценить величину накопленной
деформации свариваемых заготовок в зависимости от технологических параметров сварки.
Определены области технологических параметров и допустимых деформаций, обеспечивающие формирование диффузионного соединения со свойствами, не отличающимися от свойств основного металла.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается высоким уровнем совпадения экспериментальных данных и теоретических расчетов, систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики и планирования экспериментов при их постановке и обработке результатов, использованием независимых дублирующих экспериментальных методов, а также практическим использованием полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской
с международным участием научно-технической конференции,
посвященной 150-летию со дня рождения Н.Г. Славянова (Пермь, 2004), XI
Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие
технологии» (Курск, 2004), Международной научно-технической
конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2004), Международной
конференции специалистов-сварщиков (Запорожье, Украина, 2004);
ежегодных научно-технических конференциях Воронежского
государственного технического университета (2002 - 2004); научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений; изложена на 140 страницах, содержит 75 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 108 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность за консультации и методическую помощь доктору технических наук, профессору Пешкову Владимиру Владимировичу и доктору физико-математических наук, профессору Батаронову Игорю Леонидовичу.
Эталонные образцы для ультразвукового контроля. Требования, предъявляемые к ним. Способы изготовления
Достоверность ультразвукового контроля зависит во многом от чувствительности дефектоскопической аппаратуры, характеризуемой в общем случае как возможность дефектоскопа выявлять отражатели заданного размера.
Проведение контроля на произвольном уровне чувствительности дефектоскопа может привести к пропуску опасных дефектов или, наоборот, к необоснованному бракованию изделий в результате регистрации эхо-сигналов от мелких неопасных дефектов или даже от структурных неоднородностей. Поэтому обнаружение дефектов, оценка их размеров и отбраковка продукции должна производиться на строго определенных уровнях чувствительности.
Настройку образцов можно производить двумя способами: прямым — с помощью испытательных образцов и косвенным - по АРД-диаграммам, то есть специальным номограммам, построенным в параметрах: амплитуда, расстояние, диаметр отражения [1].
Корректировка чувствительности по испытательным образцам является основным способом при контроле сварных соединений и основного материала металлоконструкций. Эталонный образец изготавливают из металла той же марки, что и контролируемое изделие. Обязательными условиями являются соответствие качества поверхности образца качеству поверхности контролируемого изделия, а также проведение термообработки, если она предусмотрена для изделия. Отклонение толщины испытательного образца от номинальной толщины изделия не должно превышать 10 % (не более 3 мм). Размеры образца должны быть такими, чтобы ложные сигналы от стенок и углов образца по развертке были значительно разнесены с эхо-сигналом от отражателя.
На испытательном образце на расстоянии не менее 20 мм от одного из краев делают искусственные эталонные отражатели, соответствующие требуемой предельной или браковочной чувствительности.
Выбор типа отражателя определяется его свойствами, технологичностью изготовления и возможностью получения заданных размеров. ГОСТ 14782-86 предусматривает применение следующих эталонных отражателей: плоскодонное отверстие, боковой цилиндрический отражатель, сегментный отражатель и угловой отражатель,
Методика металлографических исследований
Одним из наиболее доступных и надежных методов изучения изменений, вносимых в металл термическим воздействием, является металлографический метод, с помощью которого исследуются особенности строения металла, характер изменения структурных составляющих, избыточных фаз и т.д.
При изготовлении металлографических шлифов использовали механическое шлифование, электрополирование и химическое травление.
Шлифование образцов выполнялось на плоскошлифовальных станках с вращающимися кругами диаметром 250 мм и плавным регулированием скорости вращения диска в пределах 600 - 1500 об ./мин. В качестве абразивных материалов использовали зеленый корунд в виде водостойких шкурок на бумаге. Шлифование проводили в несколько стадий, постепенно уменьшая размер абразивных частиц. Для грубого шлифования применяли корундовые порошки на бумажной основе марки КЗ (ГОСТ 5009 - 75). Для более тонкого шлифования использовали электростатические микропорошки марки КЗМ на бумажной основе. С целью исключения возможности загрязнения мелкозернистой бумаги частицами крупного абразива, при переходе к каждому последующему номеру бумаги со шлифа удаляли оставшуюся наждачную пыль, а для облегчения определения окончания шлифования на очередном номере бумаги направление шлифовки изменяли на 90 градусов. Качество шлифования контролировалось при 100 кратном увеличении на отсутствие внешних дефектов, кроме рисок от последнего номера бумаги. Шлифование заканчивали на алмазной пасте в следующем порядке: АСМ 40/28 НОМ; АСМ 10/7 НОМ. После окончания шлифовки образцы промывали в проточной воде.
Полирование образцов производилось при скорости вращения диска 1100 - 1200 об./мин. Для грубого полирования круги обтягивали шинельным сукном, а для тонкого - фетром. В качестве абразивного материала применяли водную суспензию окиси хрома или окиси алюминия с размерами частиц 0,1 - 0,3 мкм. Полирование вели до выведения всех дефектов поверхности шлифа и придания ей зеркального блеска. Шлифы периодически промывали в проточной воде 10-15 минут.
Для устранения следов наклепа в поверхностных слоях и с целью повышения качества поверхности шлифа образцы подвергали электрополированию. Процесс осуществляли в растворе следующего состава: 30 мл плавиковой кислоты; 170 мл серной кислоты; 16 мл воды. Плотность тока при свинцовом катоде составляла 2,5 - 3 А/см2, время определялось скоростью съема металла, которая находилась в пределах 7-10 мкм/мин. Качество приготовления шлифа контролировалось визуально с помощью микроскопа при увеличении 100 крат. После окончательной промывки образец обезвоживали спиртом и просушивали на воздухе.
Химический состав и механические свойства сплава ВТ9
Исследование влияния термического цикла диффузионной сварки на механические свойства сплава проводили на образцах, изготовленных из прутков 012 мм, так как, во-первых, этот материал характеризовался наиболее равномерной микроструктурой (равноосной мелкозернистой), а во-вторых, отжиг приводит к наибольшим изменениям в структуре этого материала (рис. 3.1).
Отжиг заготовок для образцов осуществляли в интервале температур 850-1100 С в течение 2 часов в вакууме не ниже 10 3 Па с последующим охлаждением с печью.
Результаты механических испытаний приведены в табл. 3.3. Из анализа полученных данных следует, что отжиг в интервале температур до конца полиморфного превращения приводит к незначительным изменениям механических свойств сплава. Повышение температуры отжига выше полиморфного превращения сопровождается снижением п , у/ и д, но приводит к повышению ударной вязкости материала. Это следует связывать с образованием крупнозернистой пластинчатой микроструктуры, для которой характерно большее сопротивление распространению трещины по сравнению с мелкозернистой [17,20].
