Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Исследование усталостной долговечности титана ВТ1-0, полученного методом интенсивной пластической деформации

Содержание:

Введение…………………………………………………………………… 4 Глава 1. Литературный обзор. 8 1.1 Характеристики исследуемого материала. 8 1.2 Виды усталостных испытаний образцов из титана ВТ1-0. 13 1.3 Метод интенсивной пластической
деформации титана ВТ1-0. 20 1.4 Структура и механические свойства
титана ВТ1-0, полученного методом интенсивной пластической деформации. 20 1.5 Особенности деформационного
разрушения титана ВТ1-0. 21 Заключение по главе 1. 24 Глава 2. Методика работы на
оборудовании. 27 2.1 Описание лабораторной установки для
определения усталостных характеристик титана ВТ1-0. 28 2.2 Акустико-эмиссионный комплекс. 36 Заключение………………………………………………………………… 53 Списοк испοльзοванных истοчникοв……………………………………. 54

Введение:

Титан
и его сплавы, благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и
биосовместимости, широко используются в качестве конструкционных материалов в
медицине, химической промышленности, машиностроении и авиастроении [1, 2]. В то
же время, для использования титана в таких ответственных изделиях как элементы
крепежа и хирургические имплантаты, уровень механических свойств технически
чистого титана в крупнозернистом состоянии недостаточно высокий. Известно, что
повысить механические свойства металлических материалов можно за счет
формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры при интенсивной пластической
деформации (ИПД) [3 – 5].

Одним
из наиболее перспективных с практической точки зрения, методов ИПД является
равноканальное угловое прессование (РКУП). В литературе достаточно хорошо
исследовано изменение микроструктуры титана в зависимости от маршрута
деформирования и степени деформации при РКУП [6 – 9]. Показано, что в
результате формирования УМЗ структуры в титане достигается высокий уровень
статической прочности. Но в тоже время известно, что в результате интенсивного
упрочнения возникает вероятность снижения других эксплуатационных
характеристик, связанных с пластичностью. В частности, существует проблема
преждевременного разрушения из-за локализации деформации в результате
воздействия циклических или чрезмерных нагрузок [10]. В этой связи большое
значение имеет соотношение однородной и локализованной деформации, которое, в
свою очередь, определяется характером диаграммы растяжения и соотношением
условного предела текучести с пределом прочности.

В
направлении изучения взаимосвязи свойств материала и его деформационного
поведения со структурой особое место отводится исследованию механизмов
деформации и разрушения путем анализа деформационного рельефа и поверхности
изломов образцов после статических испытаний на растяжение. В
работах [11, 12] проведен анализ излома образцов в крупнозернистом и УМЗ
состоянии, полученном деформацией по схеме РКУП. Авторы других работ [10, 13,
14] исследовали микрорельеф поверхности излома титана после РКУП-конформ и последующего
растяжения. Однако в литературе не достаточно акцентирована связь механизмов
деформации и разрушения со структурой, сформированной в результате РКУП с
различным числом проходов.

Цель
данной работы — установить влияние РТУ поверхности на прочностные и усталостные
характеристики титанового сплава ВТ1-0. Для этого на образцах из сплава ВТ1-0
термодиффузионными методами были сформированы поверхностные газонасыщенные слои
глубиной 30…60 мкм с разным уровнем упрочнения 100 % > K > 5 %, который
определяли по величине относительного прироста твердости поверхности K = ((Hs m — H c m)/Hс m)·100 %, где: Hs m — твердость
поверхности; H с m — твердость сердцевины металла. Затем
образцы подвергали испытаниям на прочность и усталость по различным схемам
нагружения. Для испытаний на изгиб с вращением и циклическое растяжение
применяли цилиндрические образцы диаметром рабочей части 3,8 мм и 3 мм
соответственно, а на малоцикловий чистый изгиб — плоские

Заключение:

В результате прοведенных
исследοваний были устанοвлены стадии накοпления усталοсти при циклическοй дефοрмации
пο активнοсти излучения сигналοв АЭ различных типοв истοчникοв.

При циклическοй дефοрмации
изгибοм метοдοм АЭ пο активнοсти сигналοв АЭ различнοгο типа былο выделенο
6 стадий, включая стадию дοлοма, каждая из кοтοрых мοжет
сοοтветствοвать стадиям циклическοй усталοсти, выявленным на οснοвании микрοструктурнοгο
анализа.

Οбразοвание микрοтрещин и их
развитие дο размерοв макрοтрещин сοпрοвοждается вοзрастанием скοрοсти счета
сигналοв АЭ дислοкациοннοгο типа и излучаемых микрοтрещинами. Οбразοвания макрοтрещин
не сοпрοвοждается сοοтветствующими сигналами АЭ в связи с пοстепенным рοстοм
микрοтрещин дο размерοв макрοтрещин;

Метοд АЭ имеет высοкую
степень дοстοвернοсти при анализе эвοлюции развивающихся дефектοв и мοжет быть
испοльзοван для οпределения структурнοгο сοстοяния при циклическοм вοздействии
на материал и прοгнοзирοвания дοлгοвечнοсти.

Фрагмент текста работы:

1.1 Характеристики исследуемого материала Титан
– 22 элемент периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева.
Благодаря своим хорошим свойствам, титан и титановые сплавы широко применяются
в различных областях промышленности. Кроме того, ввиду их биосовместимости, они
нашли применение в медицине в качестве костных имплантов. Важнейшими свойствами
титана являются его высокая удельная прочность и хорошая сопротивляемость
коррозии.

Процесс
переработки титана разделен на 4 этапа: 1. Приведение титановой руды в ”губку”,
пористую форму. 2. Плавление ”губки” для формирования слитка. 3. Первичная
фабрикация, при которой слиток конвертируется в такие продукты, как брусок,
прут, пластина, лист, лента и труба. 4. Вторичная фабрикация. Хотя коммерчески
чистый титан имеет приемлемые механические свойства, для большинства приложений
используют титановые сплавы с небольшим количеством алюминия, ванадия,
молибдена, циркония, кремния и других примесей. Растворяемость этих добавок
резко меняется с температурой сплава, позволяя ему упрочняться при термических
обработках. Эти термические обработки проводятся после того, как сплав принял
свою окончательную форму, но до того, как был введен в использование, что
позволяет получать материал высокой прочности.

Главная
цель легирования титана – повышение механических свойств. Такие легирующие
элементы, как Al, Fe, Mn, Cr, Sn, V, повышают прочность титана, несколько
снижая при этом пластичность и вязкость. Al, Zr, Mo, Sn увеличивают
жаропрочность, а Zr, Nb, Та повышают коррозийную стойкость. Наиболее
используемыми титановыми сплавами являются ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ6 (Ti-6Al-4V,
Grade5), ВТ5 (ВТ5Л), ОТ4-1 и ВТ16. Титан
имеет две полиморфные модификации:

1)
низкотемператур ную модификацию α-титан, устойчивую до 882 ◦С, с гексагональной
плотноупакованная решеткой (ГПУ);

2)
высокотемпературную β-титан, устойчивую выше 882 ◦C, с объемоцентрированной
кубической решеткой (ОЦК). Титановые сплавы обычно разделяют на четыре группы:
• α-сплавы, содержащие нейтральные элементы (такие, как олово) и/или
α-стабилизаторы (например, алюминий или кислород). Сплавы этой группы не поддаются
термообработке.

Технически
чистый титан ВТ1-0 содержит: Al – 0,028%; Si – 0,002%; Fe – 0,036%; C – 0,008%;
O2 – 0,115%; H2 – 0,003%; Cr+Mn – 0,012; Cu+Ni – 0;015%, Ti – остальное. Сплав
ВТ5 имеет следующий химический состав Al – 5,563%; Si – 0,145%; Fe – 0,3%; C –
0,09%; O2 – 0,18%; H2 – 0,012%; Cr – 0,28; Ni – 0;045%; Ti – остальное.

Образцы
для исследований были изготовлены из прессованных прутков диаметром 12 мм и
имели размеры рабочей части: диаметр 5 ± 0,05 мм, длина 30 ± 0,2 мм. В
экспериментальных исследованиях применялся метод Дорна, при котором в процессе
нагрева образцов при постоянных растягивающих напряжениях температуру изменяли
скачкообразно. Скачек температуры ΔТ составлял 30 К. За периодом
скачкообразного увеличения температуры следовал период выдержки. После
достижения на этом этапе некоторой деформации вновь скачкообразно меняли
температура. Поскольку скачек температур незначителен, а напряжение до и после
изменения температуры оставалось постоянным, изменением модуля упругости и субструктуры
можно пренебречь. При таком допущении изменение скорости ползучести
определяется только изменением температуры. Испытания образцов проводились в
диапазоне температур от 673 до 1323 К при постоянных растягивающих напряжениях
σ = 2,00; 4,45; 6,91 и 9,36 МПа, что значительно ниже предела текучести
исследуемых сплавов при заданных температурах.