ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ХОЛОДНОЙ СДВИГОВОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРУЖИННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Modern needs for the formation of key technologies for the creation of high-speed mainline aircraft can be divided into seven groups, the topics of which cover the technical aspects of training: ensuring an acceptable level of sound impact while simultaneously ensuring the required aerodynamic efficiency by creating an integrated layout of a self-lifting aircraft, ensuring the target fuel efficiency of the power plant and permissible harmful emissions at supersonic flight speeds while observing noise level requirements for take-off and landing modes, ensuring the target values of the weight and resource efficiency of the structure while ensuring the required rigidity and aeroelasticity, ensuring reliable stability and controllability in all flight modes, increasing the reliability and functionality of the onboard equipment and systems complex under kinetic heating conditions, improving the efficiency of onboard systems due to more electric aircraft technologies, participating in the development of international requirements and standards for certification and operation of new generation aircraft.

Key words: aircraft, high-speed size, area, lifting force, volume of the aircraft, mass, moment of inertia, square-cube law, flight range diagram.

Kuprikov Nikita Mikhaylovich, candidate in technical sciences, docent, 300@raketa.com, Russia, Saint Petersburg, Higher School of Cyber-Physical Systems and Management of the Peter the Great Polytechnic University, Senior Researcher, Institute 9 of the Moscow Aviation Institute,

Kuprikov Mikhail Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of department, 300@raketa.com, Russia, Moscow, Institute 9 of the Moscow Aviation Institute

УДК 539.4.014.1

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-431-438

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ХОЛОДНОЙ СДВИГОВОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРУЖИННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Д.А. Храмова, П.А. Ермоленков, Н.А. Бунина, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская, С.В. Алексеева

Изучено упрочнение холодной пластической деформацией кручением, совмещенной с низкотемпературной термической обработкой на примере двух сплавов: ТС6 и ВТ 23 - в закаленном состоянии. Сплав ТС6 относится к псевдо ß сплавам, а ВТ 23 к (a+ß) сплавам. В закаленных сплавах пластическая деформация инициирует мартенситное превращение метаста-бильной ß фазы. Эффективность упрочнения оценивалась по диаграммам кручения и растяжения упрочненных кручением образцов. Сдвиговая деформация реализуется практически при всех видах обработки давлением и соответственно, вносит наибольший вклад в упрочнение. Метод упрочнения кручением представляет практический интерес для длинномерных изделий и торсионов где требуется упрочнение поверхности. Эффективность упрочнения зависит от применяемой термической обработки.

Ключевые слова: остаточные напряжения, упрочнение пластической деформацией, мартенситное превращение, кручение, титановый сплав.

Решение современных задач обеспечения надежности конструкций требует использование моделей поведения материала в условиях эксплуатации. При этом возникает две проблемы: - систематизации моделей для применения и экспериментального определения коэффициентов модели. В случае использования сложных реологических моделей требуется использование процедуры идентификации модели. Задача идентификации - определение параметров и структуры математической модели, обеспечивающих наилучшее совпадение выходных данных модели и реальных процессов при одинаковых входных воздействиях. В качестве идентифицируемых моделей могут служить уравнения из теоретического аппарата проектирования, а также регрессионные эмпирические модели. Так, непосредственно для решения задач отработки создаются модели, в которых зависимость параметров подсистемы х, определяющих его надёжность, от факторов, учитывающих конструктивные решения и условия эксплуатации ее, выражается уравнениями регрессии:

Х = X + X Ъцага} + 8 ,

1=0 г< ]

где Ъ^Ъщ - коэффициенты регрессии, е - средняя ошибка аппроксимации.

Особенности конкретной подсистемы технических систем (ТС) определяются соответствующими коэффициентами регрессии. Достоинство таких моделей заключается в учете факторов, определяющих условия испытаний. Кроме того, такие модели позволяют разрабатывать оптимальные планы и программы испытаний на основе теории математического планирования эксперимента. Недостатки заключаются в том, что все факторы должны быть управляемыми и регистрироваться средствами измерения. При изменении конструкции подсистемы должны меняться и коэффициенты регрессии, при этом могут появиться новые переменные, их взаимодействия, может измениться и сама форма связи. И, самое важное, при разработке регрессионных моделей не используется имеющийся теоретический аппарат проектирования. Поэтому опытные данные ряда работ можно использовать для уточнения расчетных оценок, определяемых с помощью теоретических зависимостей. При этом в качестве выходного параметра принимается разность между теоретической хт и экспериментальной хэ оценками:

Аи Аи

Ахг] = Х - хэ = X + X Ъаага] + 8 г] ,

г=0 г<]

где а1, а1 аj - линейные члены и их взаимодействия, не учтенные в модели при теоретических расчетах.

Для решения указанных проблем в данной статье предлагается применять метод акустической эмиссии, позволяющий связать акустоэмиссионные сигналы с параметрами ниже систематизированных реологических моделей. К настоящему времени задачи многокритериального подхода к решению проблемы ресурсо и энергосбережения решаются на пересечении представлений теории информации, теории систем, теории надёжности, теории проектирования технических систем. Теория информации, развивающая, классическое понятие информации, введённое Р. Шенноном, в направлении представлений о ценности, полезности информации, представлений динамической теории информации об эволюции информации, представлений о связи информации с синергетикой (самоорганизацией), приводят к пониманию связи информационных мер с представлениями об уровне организованности, упорядоченности сложных систем, сложных процессов управления. При этом решение данных задач должно основываться на основе обобщения накопленного опыта. В последнее время разрабатываются методы, позволяющие повышать эффективность процесса отработки и испытаний технических систем на надежность за счет привлечения дополнительной и априорной информации, за счёт оптимального использования систем автоматизированного проектирования, систем управления жизненным циклом изделия, за счет более эффективного использования экспериментальных данных и данных, полученных в процессе эксплуатации.

Одно из важных требований системного подхода при разработке сложных технических систем заключается в необходимости рассматривать их во «времени». Описание существования ТС во «времени» приводит к понятию «жизненного цикла». Под жизненным циклом ТС понимается структура процесса ее разработки, производства и эксплуатации, охватывающего время от возникновения идеи создания системы до снятия ее с эксплуатации.

Жизненный цикл, как правило, включает следующие этапы:

I - формирование требований к системе и разработку ТЗ (внешнее проектирование, макропроектирование);

II - проектирование (внутреннее);

III - изготовление, испытания и доводку опытных образцов ТС;

IV - серийное производство;

V - эксплуатацию и целевое применение;

VI - модернизацию системы.

Успешность выполнения работы во многом определяется технологическим обеспечением ресурса металла. Металл на всех стадиях жизненного цикла технических систем испытывает различную поврежденность. Оценивая и управляя этой поврежденностью на стадии изготовления можно продлевать ресурс. В настоящее время усилилось внимание к применению титановых сплавов а+в и псевдо в типов. Множество исследований посвящено изучению прочностных свойств, влиянию режимов обработки, а также новых возможностей применения титановых сплавов ТС 6 и ВТ 23 [1-5]. В данной работе было изучено влияние сдвиговой деформации на прочность данных сплавов.

Методика экспериментов. Исследование упрочнения сдвиговой пластической деформацией производилось на образцах диаметром 8 мм и длиной рабочей части 80мм. Испытания проводились на машине кручения типа TNS-DW05. Суммарная степень деформации не превышала 1000°, т.е. 12,5°/мм. Изучалось влияние дискретности деформации с чередующейся термической обработкой - нагрев 300°С в течение часа. Деформация 1000° соответствует максимуму равномерной деформации (аналог достижения предела прочности). Образцы, упрочненные по различным схемам, испытывались на растяжение с записью диаграмм. Испытания на растяжение проводились на машине SHIMADZU AG - Х-1. На рис.1 представлены характерные диаграммы кручения и растяжения. Результаты обработки диаграмм приведены в табл.1.

100 -л

2-е эпкручибпние

X

200 400 600 " "* 8 12

Угол закручивания, градусы Удлинение, мм

а б

Рис. 1. Диаграммы: а - кручения образцов из сплава ТС 6; б - диаграммы растяжения

закрученных образцов по различным режимам из сплава ТС 6. (1 - исходное состояние;

2-500° ^ по часовой ^ 500° против часовой; 3 - 500° по часовой ^ т/о ^ 500° по часовой;

4- 500° по часовой^ т/о ^ 500° по часовой т/о)

Таблица 1

Результаты обработки диаграмм_

Режим обработки Механические свойства

При растяжении При кручении

Об, мПа 00,2, мПа 5, % Тт мПа Tmax мПа Tmax мПа

Исходное состояние 899,7 - 20,6 746,4 - -

Кручение: 500° почасовой ^500 против часовой 1094,7 1015,1 9,5 - - -

Кручение: 500° по часовой^ т/о^ 500°по часовой 1039 835 18,8 - 865,8 -

Кручение: 500° по часовой^ т/о^ 500° по часовой^ т/о 1035 975 12 - - 870,8

Обсуждение результатов. Холодная деформация кручением, в конечном итоге, приводит к упрочнению по дислокационному механизму, в следствии мартенситного превращения и созданию остаточных напряжений ОН (рис. 1а) по причине неоднородности деформации. Мартенситное превращение сказывается на характеристиках прочности и пластичности и особенно на соотношении Ов/а0,2. характеристике механической нестабильности. Увеличение соотношения указывает на протекание превращения при пластической деформации (в особенности при сдвиговой, как ранее нами было установлено).

Чем выше исходный уровень прочности - тем больше и величина ОН в максимуме. ОН приводят к торможению легкоподвижных дислокаций и затрудняют их перестройку при полигонизации а, следовательно, необходим отпуск-старение. При отпуске происходит, в конечном итоге, релаксация напряжений, т.е. ОН приобретают другой статус. По сечению заготовки устраняются поля напряжений разных знаков, но неоднородность полей напряжений сохраняется. Внешне это хорошо заметно по изменению вида диаграммы растяжения. Участок равномерной деформации существенно подрастает. Несмотря на неоднородность упрочнения по сечению (середина остается неупрочненной) эффект упрочнения весьма существенный.

Удлинение, мм

Рис. 2. Диаграммы растяжения образцов из сплава ВТ 16 после предварительной сдвиговой дефлорации: 1- 500 по часовой ^ т/о ^ 500 против часовой ^ т/о; 2- 250 по часовой^ т/о^ 250 по часовой^ т/о^ 250 по часовой^ т/о^ 250 почасовой^ т/о^ 250 по часовой^ т/о

Упрочнение кручением по различным схемам показало отсутствие влияния реверсивности (табл.1). Важным фактором является суммарная деформация. Как видно из рис.2, слабо влияет и степень дискретности деформации. Отпуск, который устраняет ОН существенно повышает предел текучести и пластичность. Деформация кручением в два этапа (500°^-т/о^-500°), независимо от направления, как показывает последующее испытание на растяжение, обеспечивает значительный эффект упрочнения по пределу прочности и относительному удлинению (ов = 1039 мПа; 5 = 13,8%), но условный предел текучести остается на уровне исходного неупрочненного состояния. С позиций механики разрушения, когда ов>о0,2 , т.е. при растяжении идет интенсивное упрочнение такой материал является предпочтительным. Допускаемые напряжения в конструкции, однако, определяются пределом текучести. При упрочнении образцов по схеме 500°^т/о^-500°^т/о, испытания на растяжение показывают равенство пределов прочности и текучести и как следствие меньшее удлинение (хуже пластичность 5 = 12%).Упрочненный кручением разрывной образец, имеет специфическую схему упрочнения: пропорциональность сдвиговой деформации, которая максимальна на поверхности и равна нулю в середине. Результат испытаний на растяжение - это некоторое усредненное значение анизотропного материала. Естественно, что пластическая деформация неоднородно упрочненного образца является сложным процессом, так как зоны материала с разными механическим свойствами будут оказывать взаимное влияние. С точки зрения механизма упрочнения необходимо иметь в виду следующее: среди всех известных способов упрочнения самым эффективным является упрочнение холодной пластической деформацией в различных модификациях [5-8]. Практическая реализация данного способа - это прокатка и волочение [9-11]. В настоящее время интенсивно изучается метод РКУП (равно канального углового прессования) [12-14]. Последний привлек внимание возможностью получать упрочненные заготовки более-менее значительных размеров. Данный метод нередко сочетается с прокаткой. По физической сущности РКУП - это упрочнение сдвиговой деформацией, что, соответственно, еще раз подтверждает эффективность этого метода упрочнения. К сожалению, данный метод имеет два существенных недостатка: применение мощного оборудования с не дешевой оснасткой и неоднородность упрочнения по сечению в связи с сохранением нейтральной оси. Упрочнение сдвиговой деформацией технически очень сложно реализовать с однородной степенью деформации по объему для практически необходимых объемов заготовки или детали. Упрочнение сдвиговой деформацией, легко реализуемый процесс при кручении, применяемый для круглых заготовок, которые можно использовать для торсионов и витых цилиндрических пружин. Анализ напряженно-деформированного состояния, упрочненной таким методом цилиндрической пружины [15] с помощью программного комплекса ANSYS Workbench показал благоприятное распределение напряжений в сечении витка под нагрузкой.

Холодная пластическая деформация всегда рассматривается, как способ генерации дислокаций и как следствие - упрочнение. Однако, если сплав находится в неравновесном состоянии, то деформация стимулирует диффузионные и бездиффузионные превращения сдвигового

типа [16,17] соответственно дополнительно усиливая эффект упрочнения. На рис.3 представлены диаграммы кручения образцов из сплава ВТ 23 в закаленном состоянии.

Угол закручивания, градусы

Рис.3. Диаграммы кручения образцов сплава ВТ23

Из графиков видно, что деформация существенно повышает предел текучести: без промежуточной термообработки в 2,5 раза, а с термообработкой в 3 раза. Такое значительное увеличение предела текучести свидетельствует о снижении температуры мартенситного превращения под действием пластической деформации. Энергия пластической деформации передается мартенситному превращению и процесс «старения» идет при более низкой температуре и значительно быстрее. Данное явление хорошо изучено на сталях аустенитного класса типа 12Х18Н10Т и нашло практическое применение. Упрочнение кручением титановых сплавов мартенситного типа приводит к образованию в сечении неоднородной структуры со сложной картиной распределения ОН и для практических нужд требует разработки режимов термической обработки.

Заключение. Эффективность упрочнения кручением (сдвиговой деформацией) в значительной степени определяется промежуточной термической обработкой. Результат упрочнения не зависит от реверсивности и дискретности кручения. Наибольший эффект упрочнения достигается на сплавах мартенситного типа. Результаты исследования могут быть использованы для упрочнения упругих элементов типа торсионов и витых цилиндрических.

Список литературы

1. Рудской А.И., Лунёв В.А., Шаболдо О.П. Волочение: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.126 с.

2. Антипов А.И., Моисеев В.Н., Модер Н.И. Упрочнение титанового сплава ВТ35 при старении / // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. №12. С. 22-25.

3. Ivasishin O.M. Rapid Heat Treatment of TIMETAL R LCB Alloy / O.M. Ivasishin, P.E.Markovsky, P.G.Allen, D.G.Sawakin, Yu. V. Matviychuk // Titanium, 99, Science and Technology, Proceedings of the Ninth World Conference on Titanium, Central Research Institute of Structural Materials (CRISM) "PROMETEY", Saint-Petersburg,Russia, 1999. Vol.I. Р. 505-512.

4. Bhattacharjee A. Microstructure and tensile behavior of a low cost beta alloy / A. Bhattacharjee, Vydehi A. Joshi, A.K. Gogia // Titanium, 99, Science and Technology, Proceedings of the Ninth World Conference on Titanium, Central Research Institute of Structural Materials (CRISM) "PROMETEY". Saint-Petersburg, 1999. vol. I. Р. 537-5144.

5. Гордиенко А.И., Шипко А.А. Структурные и фазовые превращения в титановых сплавах при быстром нагреве. Минск: Наука и техника, 1983. 335 с.

6. Ремшев Е.Ю., Олехвер А.И., Гусев А.С., Силаев М.Ю. Применение неразрушающе-го метода акустической эмиссии в производстве заготовок и изделий из титановых сплавов // Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники: материалы V Всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 19 июля 2021 г.) / ФГУП «ВИАМ». М.: ВИМ, 2021. С. 258-273.

435

7. Фролова Е.О., Лобов В.А., Расулов З.Н. Применение метода акустической эмиссии для контроля титановых сплавов в авиационной промышленности // Сборник аннотаций конкурсных работ XIII Всероссийский межотраслевой молодёжный конкурс научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики». М. Издательство Перо, 2021. С. 224-226.

8. Воробьева Г.А. Исследование влияния аэротермоакустической обработки (АТАО) на свойства холоднодеформированной бронзы БРНХК / Г.А. Воробьева, М.Ю. Силаев, Е.Ю. Ремшев, Е.А. Еськова // Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды двенадцатой общерос. науч.-практ. конф. В 3 т. Т. 2. / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2020. С. 15-20.

9. Ремшев Е.Ю., Данилин Г.А., Воробьева Г.А., Кузнецов В.В. Исследование влияния аэротермоакустической обработки на структуру и свойства титанового сплава ТС6 // Металлы. 2017. №1. С.43-48.

10. Винник П.М., Иванов К.М., Данилин Г.А., Ремшев Е.Ю., Силаев М.Ю. Исследование деформации при продольном выдавливании через канал с изменяющейся формой поперечного сечения // Металлург. 2017. №3. С. 58-63.

11. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968. Т. 1. 596 с.

12. Хорев А.И. Вопросы теории и практического применения термомеханической обработки титановых сплавов // Легирование и термическая обработка титановых сплавов: сборник статей / ред. А.Т. Туманов, С.Г. Глазунов, А.И. Хорев. ОНТИ ВИАМ, 1977. С. 173185.

13. Хорев А.И. Термомеханическая и механикотермическая обработки титановых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1979. №3. С. 51-54.

14. Хорев А.И. Создание теории термической, термомеханической обработок и текстурного упрочнения перспективных титановых сплавов // Материаловедение. 2009. № 4. С. 28-36.

15. Шаболдо О.П., Виторский Я.М., Караштин Е.А. Создание пружинного материала на основе высокопрочного титанового Р-сплава марки ТС6 // «ЦНИИ материалов - 100 лет на благо России». Санкт-Петербург, 2012. С. 158-168.

16. Воробьева Г.А., Усков В.Н., Ремшев Е.Ю., Складнова Е.Е. Влияние термической и аэротермоакустической обработки на свойства деформируемых титановых сплавов // Труды 15-й международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика». СПб.: СПГПУ, 2013. С. 71-76.

17. Ремшев Е.Ю., Колмагорова Е.В., Данилин Г.А. Применение комбинированных методов повышения качества пружин из титановых сплавов // Труды 11-й МНТК Современные металлические материалы и технологии. СПбГПУ, 2015. С. 789-798.

Храмова Дарья Алексеевна, старший преподаватель, labmetcontrol@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

Ермоленков Павел Алексеевич, аспирант, labmetcontrol@,mbox.т, Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

Бунина Надежда Александровна, д-р техн. наук, профессор, labmetcontrol@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургская инженерная академия,

Войнаш Сергей Александрович, инженер, sergey_voi@,mail. т, Россия, Санкт-Петербург, ООО «ПРО ФЕРРУМ»,

Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного,

Ореховская Александра Александровна, канд. с.-х. наук, начальник отдела, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Россия, Белгородская область, п. Майский, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина,

Алексеева Светлана Владимировна, канд. техн. наук, доцент, pum222@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М.Кирова

STUDY OF THE POSSIBILITY OF HARDENING BY COLD SHEAR DEFORMATION OF TITANIUM ALLOYS IN SPRING PRODUCTION

D.A. Khramova, P.A. Ermolenkov, N.A. Bunina, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya, S.V. Alekseeva

Hardening by cold plastic deformation by torsion combined with low-temperature heat treatment was studied using the example of two alloys: TC6 and VT 23 in the hardened state. Alloy TS6 refers to pseudo в alloys, and VT 23 to (a + в) alloys. In hardened alloys, plastic deformation initiates the martensitic transformation of the metastable в phase. The hardening efficiency was estimated from the torsion and tension diagrams of the samples hardened by torsion. Shear deformation is realized in almost all types of pressure treatment and, accordingly, makes the greatest contribution to hardening. The torsion hardening method is of practical interest for long products and torsion bars where surface hardening is required. The effectiveness of hardening depends on the applied heat treatment.

Key words: residual stresses, hardening by plastic deformation, martensitic transformation, torsion, titanium alloy.

Khramova Daria Alekseevna, senior lecturer, labmetcontrol@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, «VOENMEH» named after D.F. Ustinova,

Ermolenkov Pavel Alekseevich, postgraduate, labmetcontrol@inbox. ru, Russia, Saint-Petersburg D.F. Ustinova,

Bunina Nadezhda Alexandrovna, doctor of technical sciences, professor, labmetcon-trol@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Engineering Academy,

Voinash Sergey Alexandrovich, engineer, sergev_voi@mail.ru, Russia, St. Petersburg, LLC «PRO FERRUM»,

Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, professor, sokolo-va_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,

Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, head of department, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Belgorod region, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin,

Alekseeva Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, pum222@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Forest Technical University