close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0D2F8BE046

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ШИГАПОВ АЛМАЗ ИЛЬГИЗОВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ РАЗУПРОЧНЕНИЯ
АЛЮМИНИЕВЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
ДЛЯ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
05.16.09 – Материаловедение (в машиностроении)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2017
Работа выполнена на кафедре «Материаловедение, сварка и производственная
безопасность» в ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический
университет им. А.Н. Туполева – КАИ»
Научный руководитель:
Ильинкова Татьяна Александровна, доктор технических
наук, профессор, кафедры «Материаловедение, сварка и
производственная безопасность», ФГБОУ ВО «Казанский
национальный
исследовательский
технический
университет им. А.Н. Туполева – КАИ», г. Казань.
Официальные оппоненты: Муратов
Владимир
Сергеевич, д.т.н., профессор,
заведующий кафедрой «Материаловедение и торговая
экспертиза» ФГБОУ ВО «Самарский государственный
технический университет», г. Самара.
Семенычев
Валентин
Владимирович,
кандидат
технических
наук,
главный
научный
сотрудник
Ульяновского научно-технологического центра ВИАМ,
г. Ульяновск.
Ведущая организация:
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения
СО РАН» г. Томск.
Защита состоится:«29» сентября 2017 г. в 13 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.081.31 при ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный
университет» по адресу г. Набережные Челны, пр. Мира, 13А, Набережночелнинский
институт (филиал) ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»,
УКЛ-5, ауд. 309.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО «Казанский
(Приволжский) федеральный университет».
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 423812, Татарстан, г. Набережные
Челны, пр. Сююмбике, 10А, диссертационный совет Д 212.081.31; Email:
[email protected]
Автореферат разослан «___» ____________2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.081.31
к.т.н., доцент
Мавлеев Ильдус Рифович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В современном машиностроении к отраслям занимающихся
производством транспортных средств, предъявляются особые постоянно растущие
требования. Транспортные средства, рассчитанные на длительную эксплуатацию,
перевозку сотен пассажиров и десятков тонн грузов должны быть надежным, но при этом
быстрым и дешевым средством передвижения. Для решения этих целей нашли применение
алюминиевые сплавы, из которых можно изготавливать крупногабаритные монолитные
узлы, исключив большое количество стыковых соединений и тем самым существенно
сократить вес конструкции.
Применение для изготовления современных конструкций авиационной техники
массивных крупногабаритных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов с высоким
уровнем удельной прочности, приводит к повышению количества металлургических и
технологических дефектов. С увеличением размеров заготовок уменьшается степень
проработки литой структуры при термомеханической обработке, уменьшается скорость
охлаждения при закалке, может ухудшиться состояние поверхности изделий, вследствие
усложнения операций механической обработки. Это в свою очередь ведет к
необходимости
совершенствования
технологических
операций
изготовления
полуфабрикатов и деталей из них, а также к ужесточению контроля качества
полуфабрикатов и деталей.
В
серийном
производстве
после
операции
анодного
оксидирования
крупногабаритных алюминиевых деталей и полуфабрикатов часто обнаруживаются
цветовые дефекты в виде потемнения анодной пленки различной интенсивности - «темные
пятна» (известны также как «горячие пятна» или «мягкие пятна»). Причины, которые
могут приводить, к появлению этого дефекта связаны с нарушениями технологии
обработки деталей, предшествующих процессу анодного оксидирования. Анализ ранее
опубликованных работ (Фриляндер И.Н.,Цукров С.Л., Пасхин Л.Н., Давыдов В.Г., Захаров
В.В., Бер Л.Б., Ананьев В.Н., Sanders R.E., Sanders T.H., Staley J.T., Sawtell R.R. и др.)
показал, что появление таких пятен, свидетельствует о снижении прочностных и
эксплуатационных свойств алюминиевых деталей.
В настоящее время по нормативным документам наличие темных пятен на
алюминиевых деталях не является браковочным признаком. Однако для пропуска деталей
на дальнейшие этапы производства, при появлении на них темных пятен после операции
анодирования, необходимо произвести оценку их годности по прочностным показателям
на участках с темными пятнами и сравнения полученных значений с требованиями
конструкторских и нормативных документов.
Поэтому настоящая работа, посвященная изучению технологических причин
локального разупрочнения длинномерных алюминиевых профилей для силовых
конструкций, разработке методики контроля степени их разупрочнения и определению
научно обоснованных браковочных показателей представляется актуальной.
Работа выполнена в КНИТУ-КАИ при поддержке Министерства образования и науки
РФ (постановление № 220), госконтракт №14.Z50.31.0023.
Целью работы является установление закономерностей локального разупрочнения
крупногабаритных алюминиевых профилей, от различных видов температурно-временных
режимов воздействия, возможных при нарушениях технологических операций их
обработки и применение полученных результатов при разработке методики их контроля.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
1. Определить физико-механические свойства образцов-свидетелей, имитирующих
нарушения технологических режимов обработки длинномерных алюминиевых профилей
из сплава марки В95оч на различных стадиях производственного цикла.
3. Научно обосновать браковочные показатели локального разупрочнения на основе
полученных корреляционных связей между удельной электропроводимостью и
механическими свойствами алюминиевого сплава В95очТ2 различных плавок.
3. Изучить влияние рассеяния химического и структурно-фазового состава сплава
различных плавок на формирование цвета анодной пленки в местах локального
разупрочнения.
4. Разработать методику контроля степени разупрочнения алюминиевых
полуфабрикатов при появлении на них темных пятен после финишной обработки –
анодирования.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что локальное разупрочнение крупногабаритных профилей из сплава
В95очТ2 в местах появления темных пятен, сопровождается различной степенью
снижения твердости и повышения удельной электропроводимости, что обусловлено
режимом термического воздействия (выходящего за рамки стандартной ТО) и химическим
составом конкретной плавки сплава.
2. Определен интервал изменения удельной электропроводимости и твердости
конкретного полуфабриката, разных плавок из сплава марки В95очТ2 в диапазоне
допустимого изменения механических свойств согласно ТУ и установлены граничные
уровни этих параметров, при которых гарантируется необходимая прочность материала.
3. Установлена зависимость цвета анодного покрытия от режима температурновременного воздействия оказывающего влияние на структурно-фазовое состояние
поверхности материала в допустимом диапазоне прочностных свойств и за еѐ пределами.
Теоретическая значимость результатов диссертации заключается в установлении
кинетических зависимостей степени разупрочнения сплава В95очТ2 при воздействии
различных температурно-временных режимов, возможных при нарушениях стандартной
технологии обработки крупногабаритных алюминиевых профилей и выявление
допустимого для конкретных плавок сплава уровня снижения показателей свойств.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что
созданная методика контроля степени локального разупрочнения крупногабаритных
деталей из алюминиевых сплавов позволяет принять обоснованное решение о годности
окончательно изготовленных деталей и тем самым избежать вынужденных простоев
производства, сопровождающиеся финансовыми потерями. Установление корреляционных
связей между твердостью, прочностью и удельной электропроводимостью позволяют
использовать неразрушающий метод контроля степени разупрочнения профилей в
производственных условиях.
Положения, выносимые на защиту:
- кинетические зависимости снижения прочности (повышения удельной
электропроводимости) алюминиевого сплава В95очТ2 от вида и режима термической
обработки, а также степени рассеяния содержания легирующих элементов в сплаве
В95очТ2 различных плавок;
- научно обоснованные браковочные показатели локального разупрочнения на основе
полученных корреляционных связей между удельной электропроводимостью и
механическими свойствами различных плавок сплава В95очТ2;
- экспериментально-расчетная методика контроля степени разупрочнения
полуфабрикатов и деталей из алюминиевых сплавов в процессе изготовления.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием
поверенных измерительных приборов, стандартных методов испытаний механических
свойств и электрической проводимости, а также современного программного обеспечения
количественного анализа параметров структуры, устойчивой воспроизводимостью
экспериментальных
данных,
полученных
с
применением
независимых
и
взаимодополняющих методов исследований, согласованностью полученных результатов с
работами других исследователей.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, выполнении
основного объема теоретических и экспериментальных исследований, интерпретации и
обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов под
руководством научного руководителя.
Апробация работы.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: ХХІ международной
молодежной научной конференции «Проблемы и перспективы развития наукоемкого
машиностроения», «Туполевские чтения (школа молодых ученых)» (Казань, КНИТУ им.
А.Н. Туполева, 2013г.); ІІІ семинаре международной научной школы для молодежи
«Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, УрФУ, 2014г);
международной научно – практической конференции «Теоретические и практические
аспекты технических наук» (Уфа, Аетерна, 2015г); международной научно – практической
конференции «Приоритетные направления развития науки» (Стерлитамак, РИО АМИ,
2015г); XVI семинаре металловедов – молодых ученых «Уральская школа молодых
металловедов» (Екатеринбург, УрФУ, 2015г); Всероссийской научно-практической
конференции студентов аспирантов и молодых ученых «VIII Камские чтения»
(Набережные челны: КФУ, 2016г).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых
журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе и
библиографического списка из 135 наименований. Общий объем составляет 118 страниц
машинописного текста, в том числе 46 рисунков, 21 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность темы, сформулированы цель и основные
решаемые вопросы диссертационной работы, показана научная новизна, общетеоретическая
значимость и практическая ценность результатов, приводятся сведения об апробации
работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.
В первой главе выполнен аналитический обзор научно-технической литературы и
работ в области исследования. В конце главы сформулированы задачи настоящей
диссертационной работы, решение которых необходимо для достижения поставленной
цели исследования.
Во второй главе описаны объект исследования, методика приготовления образцов,
оборудование и методы их исследования.
Основанием для выбора материала на испытания послужил анализ результатов
многолетней работы по изучению появления темных пятен на производстве ПАО «КАЗ
им. С. П. Горбунова». Объектом исследования выбраны профили ПК 5045-10 из
высокопрочного алюминиевого сплава В95оч семи различных плавок, поставляемые по ТУ
1-83-58-2002 ОАО «Алкоа Металлург Рус» (г.Белая Калитва). Профили имеют длину 20725
мм, поставляются в термообработанном по режиму Т2 состоянии.
Анализ технологии изготовления деталей из профилей показал, что в процессе
изготовления, факторами, влияющими на появление участков с пониженными
механическими свойствами являются:
- длительное время переноса образцов из печи в закалочный бак, плотная упаковка
изделий при термической обработке, большая садка, высокая температура закалочной
среды, использование широких стальных прокладок при креплении деталей в садке,
наличие воздушных карманов из-за неправильного расположения изделий в садке при
термообработке;
- затупление фрезы, увеличение подачи, вращение фрезы на одном месте при ее входе
и выходе, несоблюдение режимов резания, вызывающие повышение температуры
обрабатываемых деталей при механической обработке;
- нагрев заготовок с общим и местным подогревом выше установленных
температурно-временных норм при термоправке.
Исходя из выше изложенного, работа проводилась по трѐм направлениям:
1. Кратковременный нагрев (КН) - имитация нарушения режима механической обработки,
в результате которого возможен перегрев материала, приводящий к разупрочнению и
понижению механических свойств ниже допусков по ТУ.
Поскольку длительность воздействия повышенной температуры при механической
обработке носит кратковременный характер, то для имитации было выбрано время 30
минут, температура нагрева,°С: 200; 210; 220; 230; 240; 250; 300;
2. Длительный нагрев (ДН) - имитация нарушения режима термоправки, заключающаяся в
более длительном нагреве при допустимой температуре, а также при температуре выше
допустимой по сравнению с требованиями технологии. На основании рекомендаций
ВИАМ (ПИ1.2А.513-98) выбрано время выдержки - 50; 100; 150; 200 часов при
температуре 150°С, а также - 0,5; 1; 2; 3 часов при нагреве 200°С;
3.Длительное подстуживание (ДП) - имитация ситуаций, возникающих при нарушении
термической обработки, осуществлялась снижением температуры закалки, путем задержки
образцов на воздухе перед погружением в закалочный бак. Время подстуживания выбрано
- 10; 20; 30; 40; 50; 60; 80; 100; 120; 180; 240; 300 секунд. Температура образцов перед
погружением в закалочный бак измерялась пирометром.
Количество заготовок образцов для испытаний выбиралось из расчета выполнения
работ согласно требованиям стандартных испытаний по четырем вариантам: контрольному
и трех имитационных. Заготовки вырезались из профиля на горизонтально-фрезерном
станке по технологии, исключающей нагрев заготовки.
Заготовки образцов подвергали стандартной термической обработке (СТО) согласно
требованиям ПИ 1.2.699. Для получения механических свойств, соответствующих
максимальным значениям по техническим условиям на полуфабрикат (таблица 1),
опытным путем был подобран следующий режим термообработки:
- нагрев до 470 °С, выдержка 50 мин, закалка в воду;
- старение по режиму Т2 – 1 стадия: 115 °С выдержка 6 ч, 2 стадия: 165 °С выдержка
11ч.
Представленные значения механических свойств конкретных плавок сплава (таблица
1) в последующем считались контрольными.
Таблица 1– Механические свойства и удельная электропроводимость контрольных
образцов после термообработки
Условный
№ плавки
1
2
3
4
5
6
7
ТУ1-83-58-2002
γ,
МСм/м
21,0
21,1
21,2
21,0
21,1
21,3
21,3
≥ 21,0
Ϭв,
МПа
590
590
580
585
585
590
580
500-590
Ϭ0,2,
МПа
530
530
520
520
530
530
530
430-530
δ,
%
11,0
11,0
12,0
13,0
11,0
12,0
12,0
≥8
НВ
166
169
169
166
169
169
169
-
Все образцы после проведенных работ подверглись анодному оксидированию
(анодированию) по стандартной технологии согласно ПИ 1.2.616. После анодирования был
сфотографирован внешний вид поверхности образцов.
Удельная электропроводимость (γ) образцов измерялась по ГОСТ 27333 с помощью
вихретокового прибора ВЭ-27НЦ.
Химический состав сплава различных плавок определяли в соответствии с ГОСТ 7727
с помощью оптико-эмиссионного анализатора фирмы OBLF VeOS.
Качественный
рентгеноструктурный
анализ
проводился
с
помощью
многофункционального рентгеновского дифрактометра Rigaku Smart Lab с медным
вращающимся анодом. Съемка дифрактограмм в режиме симметричной геометрии БреггаБрентано.
Исследования микроструктуры осуществлялось на поперечных микрошлифах с
помощью светового металлографического микроскопа AXIOVERT фирмы Carl Zeiss.
Количественную оценку структурных составляющих проводили с помощью прикладного
пакета AxioVizion (№7348С56С78), принцип работы которого основан на определении и
количественном описании цветовых пикселей на фотографии. Травление микрошлифов
производили в растворе следующего состава: H2O – 90 мл, HNO3 – 2,5 мл, HCl – 2,5 мл, HF
– 5 мл. Время травления 5 сек.
Твердость по Бринеллю (НВ) оценивали на твердомере ТШ-2М в соответствии с
ГОСТ 9012 при следующих параметрах: шарик диаметром 5 мм, нагрузка 250 кг (2452 Н),
время выдержки 30 секунд.
Статические испытания на растяжение проводили на разрывной испытательной
машине фирмы Amsler. Механические характеристики (Ϭв – временное сопротивление; Ϭ0,2
– предел текучести; δ – относительное удлинение) определяли по ГОСТ 1497. Заготовки
для механических испытаний вырезали из профиля в долевом направлении размером
150×20×20 мм, далее из них изготавливали образцы тип III по ГОСТ 1497.
Для построения графиков использовали компьютерную программу Exсel.
В третьей главе приведены результаты исследования механических свойств,
удельной электропроводимости и твердости образцов исследуемого сплава после
различных видов имитаций.
КН показал, что нагрев образцов до температуры 220°С не приводит к существенным
изменениям свойств сплава, свыше 220°С происходит резкое снижение механических
свойств. Снижение временного сопротивления ниже допуска по ТУ в зависимости от
600
575
550
525
500
475
450
425
400
375
350
325
300
275
250
24,5
Верхний допустимый уровень
Нижний допустимый уровень
γ, МСм/м
Ϭв, МПа
плавки происходит в интервале температур 228-235°С (рисунок 1, а). При этом удельная
электропроводность закономерно увеличивается (рисунок 1, б), твердость уменьшается
(рисунок 1, в).
ДН приводит к падению прочностных характеристик ниже допуска по ТУ, в
зависимости от плавки, происходящее при 150°С в диапазоне 150 - 200 часов и при 200ºС в
диапазоне 1,5–2,5 часа, т.е. с повышением температуры длительность еѐ воздействия,
приводящая к снижению прочностных свойств сплава ниже допусков по ТУ, существенно
сокращается.
24
23,5
23
22,5
22
21,5
21
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310
Температура, 0С
плавка 1
плавка 2
плавка 3
плавка 4
плавка 5
плавка 6
плавка 7
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310
плавка 1
плавка 4
плавка 7
плавка 2
плавка 5
а)
Температура, 0С
плавка 3
плавка 6
б)
НВ
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310
Температура, ºС
плавка 1
плавка 2
плавка 3
плавка 4
плавка 5
плавка 6
плавка 7
в)
Рисунок 1 – Влияние температуры кратковременного нагрева (КН) на свойства сплава: а)
временное сопротивление; б) удельная электропроводимость; в) твердость
Температура, 0С
480
При имитации ДП плавно снижается
температура образцов, с которой фактически
460
производилась закалка (рисунок 2), т.к.
440
образцы перед погружением в закалочный бак
420
выдерживались на воздухе от 10 до 360
400
секунд. Для этого вида имитации снижение Ϭв
380
ниже допуска по ТУ, в зависимости от плавки,
360
происходит при выдержке образцов на
340
воздухе в течение 250 – 300 секунд, что
соответствует температуре закалке 350 – 365
320
°
0
50 100 150 200 250 300 350 400
С. Анализ механических свойств после всех
видов имитационных режимов показал, что Ϭв
Время переноса, с
является наиболее критическим параметром
Рисунок 2 – Изменение температуры
по сравнению с Ϭ0,2 и δ, так как именно этот
образцов с увеличением времени
параметр в первую очередь выходит за
переноса образцов в закалочный бак
пределы норм.
Таким образом установлено, что все выбранные виды температурно-временного
воздействия привели к снижению прочностных свойств сплава В95оч. При этом
достижение нижнего допуска временного сопротивления Ϭв согласно ТУ происходит при
температуре: - 350 ÷ 365 °С за время τ ~ 0,1 ч; - 228 ÷ 235 °С за время τ – 0,5 ч; - 200 °С за
время τ – 1,5 ÷ 2,5 ч; - 150 °С за время τ – 150 ÷ 200 ч.
Для каждой плавки и вида температурно-временного воздействия были построены
графики зависимости: Ϭв – τ, а также γ – τ, НВ – τ, Ϭв – γ, Ϭв – НВ и произведена
аппроксимация этих зависимостей методом наименьших квадратов. В таблице 2 и 3
представлены аппроксимирующие функции на примере плавки №5.
Таблица 2 – Аппроксимирующие функции зависимости временного сопротивления от
времени воздействия имитационного режима ТО сплава В95оч
Вид ТО
Ϭв – τ
СТО+ДН150°С Ϭв = - 0,034 τ + 57,5
СТО+ДН200°С Ϭв = - 3,2881 τ + 57,593
СТО+ДП
Ϭв = - 0,5127 τ + 615,75
γ–τ
НВ – τ
γ = 0,0007 τ + 21,9
НВ = - 0,120 НВ + 170
γ = 0,5638 τ + 21,487 НВ = - 9,2931 НВ + 163,68
γ = 0,0069 τ + 21,069 НВ = - 0,1572НВ + 173,89
Из таблицы 2 следует, что кинетика процессов разупрочнения при воздействии
различных температурно-временных режимов имеет существенную разницу.
Таблица 3 – Аппроксимирующие функции зависимостей γ = f(Ϭв) и НВ = f(Ϭв) сплава В95оч
после всех видов ТО
Вид ТО
Ϭв – γ
Ϭв – НВ
СТО+КН
γ = - 0,0033Ϭв²+0,2253Ϭв+19,661
НВ = - 0,0085Ϭв2+3,5915Ϭв-15,161
2
СТО+ДН150ºС γ = - 0,0174Ϭв +1,6842Ϭв-17,294
НВ = - 0,1787Ϭв2+22,577Ϭв-541,26
СТО+ДН200ºС γ = - 0,0071Ϭв²+0,6114Ϭв+10,073
НВ = - 0,1646Ϭв2-15,136Ϭв+486,92
СТО+ДП
γ = - 0,0112Ϭв2+1,0390Ϭв-0,7401
НВ = - 0,1264Ϭв2+16,421Ϭв-365,94
Используя уравнения, приведенные в таблице 3, были установлены граничные
значения удельной электропроводимости и твердости, соответствующие допустимому
нижнему значению Ϭв (500 МПа), для каждой конкретной плавки (таблица 4). Полученные
значения удельной электропроводимости и твердости являются предельно допустимыми
при разупрочнении для каждой конкретной плавки исследуемого материала.
Таблица 4 – Граничные значения твердости (НВ) и удельной электропроводимости (γ)
при Ϭв равном 500 МПа
Усл.№
плавки
1
2
3
4
5
6
7
среднее
Sn
СТО + КН
НВ
γ, МСм/м
143
22,6
143
22,6
147
22,2
146
22,4
145
22,6
146
22,8
146
22,6
145
22,5
1,58
0,20
СТО+ДН1500С
НВ
γ, МСм/м
148
23,1
148
23,3
148
23,0
145
23,0
145
23,3
148
23,5
146
23,3
147
23,2
1,47
0,19
СТО+ДН2000С
НВ γ, МСм/м
146
22,7
148
22,7
144
22,6
145
22,5
143
22,8
145
23,0
146
22,5
145
22,7
1,63
0,18
СТО + ДП
НВ
γ, МСм/м
148
22,9
148
22,9
144
22,7
148
22,9
143
23,1
147
23,2
148
23,0
147
23,0
1,91
0,17
Допустимые изменения значений твердости ΔHB и удельной электропроводимости
Δγ, вычисленные как разница в показаниях контрольных и граничных характеристик по
формулам (1) и (2), представлены в таблице 5.
НВ∆ = НВк - НВгр
(1);
где НВк  число твердости контрольных образцов; НВгр  граничное значение числа
твердости, полученное после имитационного разупрочнения.
γ∆ = γк - γгр
(2);
где γк  значение удельной электропроводимости контрольных образцов; γгр  граничное
значение
удельной
электропроводимости,
полученное
после
имитационного
разупрочнения.
Эти данные показывают, что в допустимом диапазоне Ϭв (500 ÷ 590) МПа, твердость
сплава различных плавок при разупрочнении может снижаться на 18…26 единиц НВ, а
удельная электропроводимость – увеличиваться на 1,0…2,2 МСм/м.
Таблица 5 – Допустимые значения снижение твердости ΔHB и повышение удельной
электропроводимости Δγ для различных плавок сплава В95оч
Усл.№
плавки
1
2
3
4
5
6
7
СТО+КН
СТО+ДН1500С
ΔHB Δγ, МСм/м ΔHB Δγ, МСм/м
23
1,6
18
2,1
26
1,5
21
2,2
22
1,0
21
1,8
20
1,4
21
2,0
24
1,5
24
2,2
23
1,5
21
2,2
23
1,3
23
2,0
СТО+ДН2000С
СТО+ДП
ΔHB Δγ, МСм/м ΔHB Δγ, МСм/м
20
1,7
18
1,9
21
1,6
21
1,8
25
1,4
25
1,5
21
1,6
18
1,9
26
1,7
26
2,0
24
1,7
22
1,9
23
1,2
21
1,7
НВ
180
γ,МСм/м
Полученные результаты позволили определить диапазон изменения твердости и
удельной электропроводимости, в зависимости от режима термической обработки и
назначить допустимые граничные уровни твердости по нижнему пределу - 148 НВ для
всех имитационных режимов. Граничные уровни γ назначены по верхнему пределу
отдельно для конкретных имитационных режимов: 22,2 МСм/м - СТО+КН; 22,5 СТО+ДН200°С; 22,7 - СТО+ДП; 23,0 - СТО+ДН150°С, поскольку эта характеристика является
более чувствительной к режиму имитационной термической обработки и рассеяние ее
значений на нижнем допустимом уровне временного сопротивления велико (рисунок 3).
допустимый уровень Ϭв
170
160
допустимый уровень Ϭв
23,5
22,5
150
23,0
22,7
22,5
22,2
148
21,5
140
20,5
130
470
490
510
530
550
570
590
Ϭв, МПа
Диапазон изменения γ после СТО+КН
Диапазон изменения γ после СТО+ДН150˚
Диапазон изменения γ после СТО+ДН200˚
Диапазон изменения γ после СТО+ДП
470
490
510
530
550
570
590
Диапазон изменения γ после СТО+КН Ϭв, МПа
Диапазон изменения γ после СТО+ДН150˚
Диапазон изменения γ после СТО+ДН200˚
Диапазон изменения γ после СТО+ДП
Рисунок 3 – Зависимость твердости и удельной электропроводимости от прочности всех
испытанных плавок сплава В95очТ2 в процессе имитационного разупрочнения
Аппроксимация зависимостей Ϭв – НВ и Ϭв – γ методом наименьших квадратов
приводит к следующим уравнениям:
Все виды ТО: НВ = 0,2744Ϭв + 8,0883; R² = 0,97
γ = - 0,0033 Ϭв2 + 0,2215Ϭв–19,937; R² = 0,94
СТО+КН:
(3);
(4);
СТО+ДН2000С: γ = - 0,0037 Ϭв2 + 0,2267Ϭв - 20,657; R² = 0,94
(5);
СТО+ДП: γ = - 0,0076Ϭв2 + 0,6482Ϭв – 9,6755; R² = 0,93
(6);
СТО+ДН150
0
С :
2
γ = - 0,0187 Ϭв + 1,8401Ϭв – 21,937; R² = 0,94
(7);
Оценка степени достоверности аппроксимации R² выявленных закономерностей,
свидетельствует о хорошем совпадении расчетных линий с экспериментальными данными
и взаимосвязи анализируемых пар данных. Полученные уравнения позволяют с высокой
достоверностью прогнозировать значение Ϭв при известных значениях γ и HB.
В четвертой главе представлены исследования влияния имитационной
термообработки на структурные изменения в сплаве. Исследование микроструктуры
образцов, термообработанных по стандартному режиму Т2 (СТО), показало, что матрицей
является твердый раствор, упрочненный дисперсными частицами вторичных фаз,
выделившихся из твердого раствора при старении. Средний размер выделившихся частиц
составляет 0,52 мкм, объемная доля выделений равна 29,7 % (таблица 6). Для
сравнительного микроисследования были выбраны образцы плавки № 5, имеющие
одинаковый нижний уровень временного сопротивления (500 МПа) после различных
видов имитационных термообработок. Из таблицы следует, что все примененные
имитационные режимы ТО вызывают дополнительное увеличение объемной доли
вторичных фаз. Увеличение объемной доли вторичных фаз и их укрупнение на нижнем
граничном уровне прочности Ϭв, = 500 МПа происходит в наибольшей степени после
имитационного режима СТО+ДП в течение 240 с, – на 19,3 % и 1,2 мкм соответственно.
Все другие имитационные режимы по их влиянию на изменения в структуре сплава можно
расположить в следующий ряд: СТО+ДН200ºС, 2 часа; СТО+КН230ºС, 30 мин; СТО+ДН150ºС,
200 часов. Очевидно, длительный нагрев при относительно низкой температуре
обеспечивает более равномерную коагуляцию выделений второй фазы и приводит к
большей релаксации электронов проводимости.
Таблица 6 – Характеристики структуры и свойств образцов сплава В95оч плавки №5 после
различных имитационных режимов
Характеристики
СТО
СТО+ДН200ºС
2 часа
СТО+КН230ºС
СТО+ДН150ºС, СТО + ДП,
30 мин
200 часов
240 сек.
Ϭв = 500 МПа
39,8
40,3
49,0
Объемная доля
вторичн. фаз, %
Диаметр
вторичн. фаз, мкм
НВ
γ, МСм/м
29,7
38,8
0,52
0,58
0,71
0,78
1,2
169
21,1
142
22,7
146
22,5
146
23,3
150
22,6
Полученные результаты в целом позволяют утверждать, что на твердость и удельную
электропроводимость конкретных плавок влияют условия термообработки, определяющие
структурно-фазовое состояние сплава.
Сравнительный анализ цвета образцов показал, что распад пересыщенного твердого
раствора, происходящий при имитационных обработках, оказывает влияние на состояние
анодной пленки. После имитационной термообработки и анодирования цвет образцов
подвергавшихся всем видам нагрева, с увеличением времени выдержки или температуры
становится более темным по сравнению с контрольным образцом. Цвет покрытия на
образцах изменяется от светлого (получаемого после СТО), до темного и имеет различные
оттенки в зависимости от плавки и вида имитационной термообработки (рисунок 4). Цвет
образцов после длительного подстуживания наиболее интенсивно изменяется лишь при
увеличении времени выдержки свыше 100 секунд. При этом до 240 секунд цвет изменяется
от зелено-серого до серого, свыше 240 секунд, образцы резко темнеют
Сопоставление цвета анодной пленки с состоянием микроструктуры показало
видимую взаимосвязь количества выделений мелкодисперсных фаз твердого раствора и
цвета анодной пленки: чем больше концентрация выделений второй фазы тем темнее
становится покрытие (рисунок 5). Наиболее интенсивно цвет анодной пленки изменяется
после длительного подстуживания образцов перед закалкой. Учитывая, что окрашивание
анодных пленок связано с их адсорбционной способностью, можно сделать вывод, что
значительное влияние на цвет покрытия оказывает структурно-фазовое состояние
алюминиевых сплавов. Гомогенная структура материала дает при анодировании
прозрачный и бесцветный окисный слой, гетерогенная – уменьшает прозрачность и
вызывает потемнение. В процессе термообработки образцов, легирующие элементы
практически полностью растворяются в алюминии, образуя пересыщенный твердый
раствор с гомогенной структурой. После нагрева количество выделений вторичных фаз
увеличивается, и структура сплава состоит из твердого раствора и интерметаллидных
выделений, а анодное покрытие темнеет пропорционально количеству интерметаллидных
выделений. Однако заметное потемнение анодного покрытия при нагреве может наступить
позже, по сравнению с недопустимым снижением механических свойств. При имитации
ДП закалка происходит с более низких температур, в сплаве существует гетерогенная
структура – насыщенный твердый раствор и не растворившиеся фазы в виде
интерметаллидов. Поэтому цвет анодного покрытия принимает темный цвет уже после
термообработки, при этом механические свойства остаются в допуске по техническим
условиям, так как растворившаяся часть легирующих элементов участвует в процессе
упрочнения.
Рисунок 4 – Изменение цвета и прочности (Ϭв) образцов после различных режимов ТО
Разница в оттенках темного цвета покрытия подтверждает, что кинетика процессов
разупрочнения при нагревах и длительном подстуживании в процессе закалки имеет
существенную разницу. Таким образом, по изменению цвета анодного покрытия можно
судить о качестве ТО, но сам цвет покрытия не может являться однозначным критерием
отбраковки алюминиевых деталей при появлении на них темных пятен.
Рисунок 5 – Микроструктура (× 200) и внешний вид анодных покрытий на образцах сплава
В95оч после различных видов ТО
Образцы разных плавок, пройдя имитационную термообработку в одних условиях,
отличаются по цвету, что указывает на влияние и химического состава сплава.
Количественная оценка химического состава исследуемых образцов, показывает
различную степень изменения содержание легирующих элементов от плавки к плавке в
пределах марочного состава (рисунок 6).
Рисунок 6 – Химический состав исследуемых образцов, %
Качественный рентгеноструктурный анализ вышеуказанных образцов после
различных имитационных режимов показал, что в структуре сплава присутствуют фазы
MgZn2 и Al2CuMg (рисунок 7). В таблице 7 приведено суммарное содержание легирующих
элементов (∑лэ) – цинка, магния и меди входящих в эти фазы исследованных плавок.
Рисунок 7 – Сравнительные дифрактограммы образцов: № 2 (СТО+ДН150ºС, 200 часов), № 3
(СТО+ДН200ºС, 2 часа), № 4 (СТО+КН230ºС, 30 мин), № 5 (СТО + ДП, 240с) в диапазоне
углов 2θ 27-50°. Интенсивность пиков искусственно ограничена на уровне 8000 cps
Таблица 7 – Суммарное количество легирующих элементов (Zn, Mg, Cu) входящих в фазы
исследованных плавок сплава марки В95оч
Условный номер плавки
Количество легирующих
элементов, %
1
2
3
4
5
6
7
9,51
9,37
9,58
9,54
9,26
9,19
9,3
Сопоставление граничных значений удельной электропроводимости и суммарного
содержания этих легирующих элементов ∑лэ в исследованных плавках показало, что между
этими характеристиками наблюдается достаточно тесная связь: граничное значение
удельной электропроводимости всех образцов уменьшается при повышении ∑лэ
(рисунок 8).
γ, МСм/м
24
23,5
23
22,5
22
9,1
9,2
9,3
9,4
Кратковременный нагрев
Длительный нагрев при 150⁰С
Длительный нагрев при 200⁰С
Длительное подстуживание
9,5
9,6
ΣЛЭ
Рисунок 8 – Связь между удельной электропроводимостью и ∑лэ – Zn, Mg, Cu
Линии тренда показывают, что смещение положения экспериментальных точек
происходит практически параллельно друг другу с определенным сдвигом для различных
имитационных термообработок. Эти данные свидетельствуют о том, что рассеяние
химического состава внутри марочного является дополнительным фактором, влияющим на
соотношение между γ и Ϭв.
Основываясь на результатах проведенных исследований, предлагается следующий
подход к оценке годности деталей из алюминиевых сплавов при появлении на них темных
пятен после анодирования в процессе производства. Алгоритм контроля представлен в
виде блок схемы на примере проведенных исследований профилей из сплава марки В95оч
(рисунок 9).
Рисунок 9 – Блок схема (алгоритм) контроля крупногабаритных алюминиевых деталей при
появлении на них темных пятен
При выявлении темных пятен после анодирования, измеряется твердость или
удельная электропроводимость детали на участке имеющей максимальное потемнение.
После этого проводится оценка степени разупрочнения участков двумя способами –
производится экспресс контроль путем сравнения полученных значений с ранее
определенными граничными или проводится имитационная ТО на образцах. Для
проведения имитационной ТО, в качестве образцов возможно использовать неприменимый
остаток контролируемого материала или другой, но той же плавки, из которой изготовлена
контролируемая деталь. Метод имитационной термической обработки следует выбрать
тот, который в большей степени имитирует условия появления темных пятен в процессе
изготовления деталей. Степень разупрочнения оценивается проведением механических
испытаний, по результатам которых строятся корреляционные кривые и определяются
аппроксимирующие уравнения. Для расчета в уравнение подставляется ранее измеренное
значение твердости или удельной электропроводности в темном участке контролируемой
детали. Если после проведенных расчетов полученные значения не выходят за рамки
требований нормативных документов дается заключение о пропуске данной детали в
дальнейшее производство.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Установлено, что локальное разупрочнение крупногабаритных профилей из сплава
В95очТ2 в местах появления темных пятен сопровождается различной степенью снижения
твердости и повышения удельной электропроводимости в зависимости от режима
температурно-временного воздействия и степени рассеяния химического состава
конкретной плавки сплава. При этом температурный интервал нагрева 350 ÷ 365 °С
является критичным, при котором скорость диффузионных процессов, приводящих в
распаду пересыщенного твердого раствора, наибольшая. После всех видов имитации
разупрочнения в допустимом диапазоне временного сопротивления сплава различных
плавок его твердость может снижаться на 18…26 единиц НВ, а удельная
электропроводимость – увеличиваться на 1,0…2,2 МСм/м.
2. На основании корреляционных зависимостей между исследованными
характеристиками свойств сплава В95оч назначен допустимый нижний граничный уровень
твердости, равный 148 единиц НВ для всех имитационных режимов и верхний граничный
уровень удельной электропроводимости для конкретных имитационных режимов: 22,2
МСм/м – «кратковременный нагрев»; 22,5 МСм/м – «длительный нагрев при 200 ºС»; 22,7
МСм/м – «длительное подстуживание»; 23,0 МСм/м – «длительный нагрев при 150 °С»,
поскольку эта характеристика является более чувствительной к режиму имитационной
термической обработки и рассеяние ее значений на нижнем допустимом уровне
временного сопротивления велико.
3. Установлена взаимосвязь цвета темных пятен с количественными параметрами
вторичных фаз исследуемого сплава. При различном температурно-временном
воздействии интерметаллидные фазы типа MgZn2 и Al2CuMg, выделяющиеся из
пересыщенного твердого раствора имеют различную степень дисперсности, объемную
долю и характер распределения. Рассеяние параметров микроструктуры связано с
неоднородностью химического состава сплава различных плавок. Рассеяние концентрации
магния, цинка и меди в сплаве различных плавок является дополнительным фактором,
влияющим на соотношение между временным сопротивлением и удельной
электропроводимостью.
4. Разработана методика контроля степени разупрочнения алюминиевых сплавов,
заключающаяся в измерении удельной электропроводимости или твердости на участке
детали с «темным пятном» и проведении имитационных термических обработок образцов
конкретной плавки материала, установлении степени снижения прочностных
характеристик, принятии решения о годности детали на основании экспериментальных
результатов. Методика защищена патентом РФ.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах
Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах
1. Шигапов А.И. Исследование природы образования «темных пятен» на поверхности
длинномерных алюминиевых профилей и их влияние на механические свойства
полуфабрикатов / Климова Т.А., Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // Металловедение и
термическая обработка металлов. - 2015. - №1.- С. 3 – 8.
2. Шигапов А.И. Контроль разупрочнения профилей из алюминиевого сплава
В95очТ2 неразрушающим методом / Шигапов А.И., Климова Т.А., Ильинкова Т.А. //
Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. - №5. - С. 37 – 41.
3. Шигапов А.И. Исследование структурных изменений в прессованных
полуфабрикатах из алюминиевого сплава В95очТ2 в области темных пятен / Шигапов
А.И., Ильинкова Т.А., Курынцев С.В., Петрова Е.П. // Металловедение и термическая
обработка металлов. - 2016. - №9. - С. 15 – 19.
Патенты
4. Патент № 2602411 Российская Федерация, МПК G01N27/20, Способ определения
разупрочнения деталей из алюминиевых сплавов [Текст] / Шигапов А.И.; заявитель и
патентообладатель ОАО Туполев; заявл. 12.03.2015; опубл. 20.11.2016.
Работы, опубликованные в других изданиях
5. Шигапов А.И. Методика контроля степени разупрочнения алюминиевых
полуфабрикатов из сплава В95 / Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // Проблемы и
перспективы развития наукоемкого машиностроения: сборник научных трудов
международной молодежной научной конференции «ХХІ Туполевские чтения (школа
молодых ученых)».– Казань, Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, – Т. 1. – 2013. – С. 219 – 220.
6. Шигапов А.И. Влияние различных видов температурно - временного воздействия
на удельную электропроводимость алюминиевых профилей из сплава марки сплава
В95очТ2 / Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // Материаловедение и металлофизика легких
сплавов: сборник научных трудов «ІІІ международная научная школа для молодежи».
– Екатеринбург: УрФУ, – 2014. – С. 215 – 217.
7. Шигапов А.И. Закономерности влияния различных режимов термической
обработки
на
характер
зависимости
прочности,
твердости
и
удельной
электропроводимости алюминиевого сплава В95оч / Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. //
Теоретические и практические аспекты технических наук: сборник статей Международной
научно - практической конференции. – Уфа: Аетерна, –2015. – С. 85 – 89.
8. Шигапов А.И. Применение вихретокового метода для контроля разупрочнения
алюминиевых деталей / Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // Приоритетные направления
развития науки: сборник материалов Международной научно – практической
конференции. – Стерлитамак: РИО АМИ, – 2015. – С. 60 – 63.
9. Шигапов А.И. Исследование структурных изменений алюминиевого сплава
В95очТ2 в темных пятнах после имитационной термообработки для определения его
влияния на цвет анодированного покрытия и значения удельной электропроводимости /
Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // Уральская школа молодых металловедов: сборник
материалов и докладов XVI Международной научно-технической Уральской школы семинара металловедов – молодых ученых; в 2 ч. – Екатеринбург: УрФУ, – Ч. 1. – 2015г.
10. Шигапов А.И. Исследование детали планера из алюминиевого сплава В95очТ2 /
Шигапов А.И., Ильинкова Т.А. // сборник докладов Всероссийской научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «VIII Камские чтения»; в 3 ч.
– Набережные челны: КФУ, – Ч. 1. – 2016. – С. 38 – 41.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
15
Размер файла
1 940 Кб
Теги
0d2f8be046, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа