Способ определения изменения свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов после длительных нагревов

 

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может быть использовано при анализе стабильности свойств жаропрочных алюминиевых сплавов при эксплуатации. Способ предусматривает отбор образцов из полуфабриката в исходном искусственно состаренном состоянии, дополнительный их нагрев, испытание образцов и установление величины изменения свойств путем их сопоставления в исходном состоянии и после дополнительного низкотемпературного нагрева. При этом из полуфабриката отбирают дополнительно контрольные образцы, нагревают их при нескольких температурах в интервале 453 - 493 К в течение 5 - 100 ч, после чего испытывают образцы на растяжение при комнатной температуре с определением временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2, методом наименьших квадратов находят для каждого свойства коэффициенты регрессии b₀, b₁, b₂ уравнения их зависимости от параметров нагрева вида lgσ = b_o+b₁/T-b₂•lgτ, где Т - температура нагрева, К; τ- продолжительность выдержки, ч, по полученным уравнениям определяют величины прочности при параметрах дополнительного низкотемпературного нагрева исходных образцов, затем осуществляют промежуточный нагрев исходных образцов до температуры 463 - 493 К с продолжительностью нагрева 5 - 50 ч при температуре и продолжительности нагрева в этих пределах, удовлетворяющих вышеполученным уравнениям при σ, равной или , а дополнительный низкотемпературный нагрев исходных образцов после промежуточного нагрева ведут в течение 10 - 30 ч и, сопоставляя свойства, полученные при испытаниях образцов в исходном состоянии и после дополнительного нагрева исходных образцов, судят о величине изменения свойств. Техническим результатом изобретения является повышение оперативности оценки изменения свойств жаропрочных алюминиевых сплавов при эксплуатационном нагреве и, как следствие, повышение производительности. 5 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств металлов и может быть использовано при анализе стабильности свойств жаропрочных алюминиевых сплавов при эксплуатации.

Известен способ определения изменения свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов путем сопоставления механических свойств образцов из этих сплавов в исходном искусственно состаренном состоянии, определенных при комнатной температуре и при повышенных температурах. О преимуществе сплава судят по большей величине прочности при конкретной температуре испытания и по меньшей величине снижения прочности по сравнению со свойствами при комнатной температуре /ГОСТ 9651 - 84. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах/.

Недостатком этого способа является низкая информативность результатов испытания и ограниченная область применения, поскольку кратковременный нагрев образцов перед испытаниями не позволяет судить о изменении свойств в результате структурных превращений, протекающих в термически упрочняемых алюминиевых сплавах при длительных нагревах.

Известен способ определения изменения свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов после длительных нагревов, включающий взятие образцов из полуфабриката в исходном искусственно состаренном состоянии, их дополнительный длительный нагрев при температуре возможной эксплуатации изделий из данного сплава, испытание образцов и установление величины изменения свойств путем их сопоставления в исходном состоянии и после дополнительного низкотемпературного нагрева. Если температура нагрева достаточна для протекания в термически упрочняемых сплавах процесса коагуляции продуктов распада твердого раствора, то после определенной выдержки происходит снижение прочностных свойств, сопровождаемое изменением и других структурно-чувствительных характеристик /Романова О.А. Жаропрочный деформируемый алюминиевый сплав Д21. Журнал "Металловедение и термическая обработка металлов", 1974 год, N 6, с. 9-13 - прототип/.

Недостатком этого способа является его низкая производительность, связанная с необходимостью продолжительного нагрева образцов для получения заключения о величине изменения прочности или других свойств после нагрева при температуре возможной эксплуатации изделия, как правило, в интервале температур 135-175^oC.

Предлагается способ определения изменения свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов после длительных нагревов, включающий взятие образцов из полуфабриката в исходном искусственно состаренном состоянии, дополнительный их нагрев, испытание образцов и установление величины изменения свойств путем их сопоставления в исходном состоянии и после дополнительного низкотемпературного нагрева. При этом из полуфабриката берут дополнительно контрольные образцы, нагревают их при нескольких температурах в интервале 453-493 К в течение 5-100 ч, после чего испытывают образцы на растяжение при комнатной температуре с определением временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2, методом наименьших квадратов находят для каждого свойства коэффициенты регрессии b₀, b₁, b₂ уравнения их зависимости от параметров нагрева вида lgσ = b_o+b₁/T-b₂•lgτ, где T - температура нагрева, К, τ - продолжительность выдержки, ч, по полученным уравнениям определяют величины прочности при параметрах дополнительного низкотемпературного нагрева исходных образцов, затем осуществляют промежуточный нагрев исходных образцов до температуры 463-493 К с продолжительностью нагрева 5-50 ч при температуре и продолжительности нагрева в этих пределах, удовлетворяющих вышеполученным уравнениям при σ, равной а дополнительный низкотемпературный нагрев исходных образцов после промежуточного нагрева ведут в течение 10-30 ч и, сопоставляя свойства, полученные при испытаниях образцов в исходном состоянии и после дополнительного нагрева исходных образцов, судят о величине изменения свойств.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что из полуфабриката берут дополнительно контрольные образцы, нагревают их при нескольких температурах в интервале 453-493 K в течение 5-100 ч, после чего испытывают образцы на растяжение при комнатной температуре с определением временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2, методом наименьших квадратов находят для каждого свойства коэффициенты регрессии b₀, b₁, b₂ уравнения их зависимости от параметров нагрева вида lgσ = b_o+b₁/T-b₂•lgτ, где Т - температура нагрева, K, τ - продолжительность выдержки, ч, по полученным уравнениям определяют величины прочности при параметрах дополнительного низкотемпературного нагрева исходных образцов, затем осуществляют промежуточный нагрев исходных образцов до температуры 463-493 K с продолжительностью нагрева 5-50 ч при температуре и продолжительности нагрева в этих пределах, удовлетворяющих вышеполученным уравнениям при σ, равной а дополнительный низкотемпературный нагрев исходных образцов после промежуточного нагрева ведут в течение 10-30 ч и, сопоставляя свойства, полученные при испытаниях образцов в исходном состоянии и после дополнительного нагрева исходных образцов, судят о величине изменения свойств.

Технический результат предлагаемого способа - повышение оперативности оценки изменения свойств жаропрочных алюминиевых сплавов при эксплуатационном нагреве и, как следствие, повышение производительности.

Предлагаемый способ позволяет ускорить процесс коагуляции частиц упрочняющих фаз на стадии разупрочняющего старения (стадия перестаривания) путем применения промежуточного нагрева при более высокой температуре, чем температура эксплуатационного нагрева. Температурно-временная область этих промежуточных нагревов, обеспечивающая существенное сокращение общей длительности термической обработки, установлена экспериментально и лежит в пределах: 463-493 K, 5-50 ч. Температура промежуточного нагрева ниже 463 K ведет к увеличению продолжительности выдержки для получения требуемой стадии перестаривания, а более высокая температура нагрева (> 493 K) приводит к быстрому падению прочности, в результате чего выдержка при нагреве соизмерима со временем прогрева образцов и увеличивается ошибка эксперимента.

После промежуточного нагрева при температуре 463-493 K перед испытаниями для оценки изменения свойств структуру полуфабриката следует привести в равновесие, свойственное более низкой температуре дополнительного нагрева. При этом переходе на стадии коагуляционного старения в соответствии с диаграммой состояния должно происходить некоторое уменьшение равновесной концентрации твердого раствора, сопровождающееся увеличением объемного количества выделяющейся упрочняющей фазы. Эксперименты показали, что установление равновесия при дополнительном нагреве после промежуточного нагрева происходит в течение нескольких часов, поэтому продолжительность дополнительного нагрева с целью стабилизации структуры можно ограничить 10-30 ч. Увеличение продолжительности дополнительного нагрева более 30 ч может привести к большей, чем требуется, коагуляции частиц и к снижению прочности относительно прогнозируемого уровня при длительном дополнительном нагреве исходного полуфабриката по способу-прототипу.

В результате применения предлагаемого способа за более короткий промежуточный нагрев происходит разупрочнение материала до уровня прочности, свойственного прочности после длительного дополнительного низкотемпературного нагрева. Он позволяет изучать изменение свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов, наступающее после длительных нагревов, при значительном сокращении общей продолжительности нагрева образцов с 1000 - 10000 ч до 180 ч, что повышает оперативность в исследовании изменения свойств полуфабрикатов из различных сплавов и, как следствие, повышает производительность.

Примеры осуществления.

Взяли прессованные полосы, сечением 10 х 100 мм из жаропрочных алюминиевых сплавов 1215, АК4-2ч и Д19ч в исходном искусственно состаренном состоянии Т1 с уровнем механических свойств, приведенным в табл. 1. Контрольные образцы из полуфабрикатов нагрели при температурах 453, 463, 473, 483, 493 K с выдержкой при этих температурах от 8 до 96 ч, после чего испытали образцы на растяжение при комнатной температуре с определением временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2. На фиг. 1-3 для взятых сплавов приведены фактические значения прочностных свойств при комнатной температуре после нагрева по указанным режимам перестаривания с параметрами Т и τ.

Для каждого сплава методом наименьших квадратов по компьютерной программе Microsoft Excel 97 с использованием 23 сочетаний lgσ_в (или lgσ_0,2),1/T,lgτ определили эмпирические коэффициенты (коэффициенты регрессии) b₀, b₁, b₂ уравнений зависимости прочностных свойств от параметров нагрева на стадии перестаривания вида lgσ = b₀+b₁/T-b₂•lgτ. B результате расчетов были получены следующие уравнения: для сплава 1215
lgσ_в= 1,7096+470,2533/T-0,05258•lgτ; (1)
lgσ_0,2= 1,0590+753,8803/T-0,08015•lgτ; (2)
для сплава АК4-2ч
lgσ_в= 2,0675+270,9320/T-0,02079•lgτ; (3)
lgσ_0,2= 1,5886+488,696/T-0,04069•lgτ; (4)
для сплава Д19ч
lgσ_в= 2,1976+245,1107/T-0,02580•lgτ; (5)
lgσ_0,2= 1,7321+460,8796/T-0,04694•lgτ; (6)
Кривые изменения свойств каждого сплава, соответствующие этим уравнениям при температурах нагрева Т = 453 - 493 K, нанесены на фиг. 1-3.

Прочностные свойства и удельная электропроводимость полуфабрикатов после длительного низкотемпературного нагрева (эксп.) и расчетные значения прочностных свойств (расч.) для этих режимов по уравнениям (1-6) приведены в табл. 2.

Предлагаемый способ базируется на возможности экстраполяции полученных зависимостей в область низкотемпературного нагрева.

Поскольку полученные уравнения (1-6) позволяют прогнозировать уровень прочности материала после длительных низкотемпературных нагревов при эксплуатации, то их можно использовать и для установления режима ускоренного перестаривания для получения прочностных свойств соответствующих заданному режиму дополнительного низкотемпературного нагрева Т' и τʹ.
В табл. 3 для принятых значений параметров Т' и τ' приведены рассчитанные по уравнениям (1-6) величины Эти же уравнения позволяют установить температуру и продолжительность более высокотемпературного промежуточного нагрева, позволяющего получить за более короткий промежуточный нагрев состояние полуфабриката с показателями прочности соответствующими прочности материала при эксплуатации.

После установления расчетной продолжительности промежуточного нагрева взяли заготовки под образцы из исходных полуфабрикатов и подвергли их промежуточному нагреву с продолжительностью τ_пр для каждого сплава, требуемой для получения заданного значения табл. 3, а затем провели их дополнительный нагрев при температуре T' продолжительностью 24 ч. Как показывают результаты испытания разрывных образцов после промежуточного нагрева, приведенные в табл. 4, практически достигнутое разупрочнение материала соответствует расчетному уровню прочности, приведенной в табл. 3.

Для оценки изменения свойств после дополнительного нагрева провели испытания образцов в исходном состоянии T1 и после их промежуточного и дополнительного нагревов с определением кроме прочностных свойств также характеристик трещиностойкости K^y_c (вязкость разрушения в условиях плоского напряженного состояния), σ^не_тр^тто (остаточная прочность образца с трещиной), СРТУ (скорость роста трещины усталости). Результаты испытаний приведены в табл. 5. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить оперативность оценки изменения свойств жаропрочных алюминиевых сплавов при эксплуатационном нагреве, что повышает производительность в 6-60 раз в зависимости от длительности предполагаемого дополнительного низкотемпературного нагрева.

Формула изобретения

Способ определения изменения свойств полуфабрикатов из жаропрочных алюминиевых сплавов после длительных нагревов, включающий взятие образцов из полуфабриката в исходном искусственно состаренном состоянии, дополнительный их нагрев, испытание образцов и установление величины изменения свойств путем их сопоставления в исходном состоянии и после дополнительного низкотемпературного нагрева, отличающийся тем, что из полуфабриката берут дополнительно контрольные образцы, нагревают их при нескольких температурах в интервале 453 - 493 K в течение 5 - 100 ч, после чего испытывают образцы на растяжение с определением временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2, методом наименьших квадратов находят коэффициенты регрессии b₀, b₁, b₂ уравнения
lgσ = b₀+b₁/T-b₂•lgτ,
где T - температура нагрева, K;
τ - продолжительность выдержки, ч,
по полученным уравнениям определяют величины прочности при параметрах дополнительного низкотемпературного нагрева исходных образцов, затем осуществляют промежуточный нагрев исходных образцов до температуры 463 - 493 K с продолжительностью нагрева 5 - 50 ч при температуре и продолжительности нагрева в этих пределах, удовлетворяющих вышеполученному уравнению при σ, равной , а дополнительный низкотемпературный нагрев исходных образцов после промежуточного нагрева ведут в течение 10 - 30 ч и, сопоставляя свойства, полученные при испытаниях образцов в исходном состоянии и после дополнительного нагрева исходных образцов, судят о величине изменения свойств.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5