Научные труды (Вестник МАТИ), 2013, №21 (93)

Министерство образования и науни России

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО 
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МАТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИМЕНИ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО»
(MATH)

НвУЧНЫЕ

ТРУДЫ

/ вестник матч/

ВЫПУСК 21 (93)

МОСКВА 2013

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ -  Российский государственный технологический 
университет имени К.Э. Циолковского»

(МАТИ)

Н А У Ч Н Ы Е  Т Р У Д Ы

/ Вестник МАТИ /

Издание основано в 1940 году

Выпуск 21 (93)

Москва 2013

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 21 (93). -  М.: МАТИ, 2013. -  408 с.: ил.

Учредитель -  ФГБОУ ВПО ««МАТИ -  Российский государственный технологический 
университет имени К.Э. Циолковского»»

Свидетельство о регистрации ПИ № ФС 77 - 52752 от 1 февраля 2013 г. выдано Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (Роскомнадзор) Минкомсвязи РФ.

Подписной индекс в каталоге агентства «Роспечать» -  25221.

В данном выпуске рецензируемого научно-технического сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными и специалистами МАТИ и других организаций (в 
том числе в соавторстве) в широком спектре научных направлений, включая научно- 
исследовательские работы по грантам и научно-техническим программам.

Материалы, опубликованные в сборнике, включаются в базу данных Российского 
индекса научного цитирования (РИНЦ).

Сборник рассчитан на работников научных и производственных предприятий, 
преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: ректор, проф. А.В. Рождественский 

Заместитель главного редактора: проф. И.В. Суминов

Редакционная коллегия:

Ответственный 
секретарь редколлегии:

проф. Агамиров Л.В., заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., 
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
проф. Гегель Л.А., проф. Голов Р.С., проф. Дмитренко В.П.,

акад. РАН, проф. Ильин А.А., проф. Попов В.Г.

проф. Слепцов В.В., проф. Сухов С.В., проф. Уваров В.Н., 
нач. ОНТИ Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Свиридов Б.Ф.

Научные редакторы: 
проф. Беклемишев Н.Н., проф. Бойцов А.Г., проф. Болотин И.С.,

проф. Васильев В.А., с.н.с. Гуснин С.Ю., проф. Мамонов А.М., 
проф. Путятина Л.М., проф. Решетников В.А., 
проф. Чебурахин И.Ф., проф. Черняев А.В., проф. Чумадин А.С., 
проф. Шилов В.В., проф. Ярославцев Н.Л.

Тел. (495) 915-37-76, факс (495) 915-09-35, э/почта onti@tech-atlas.net 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISSN 2305-7866
©  ФГБОУ ВПО «МАТИ -  Российский государственный 
технологический университет имени К.Э. Циолковского», 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий выпуск сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)», как и предыдущий, вышедший тоже в 2013 году -  юбилейный: 15 лет назад по инициативе 
ректора МАТИ проф. Б.С. Митина возобновлен выпуск нашего издания, основанного в 1940 году, когда наш вуз получил имя «МАТИ». В период 1998 -  2012 гг. 
вышли из печати 19 выпусков: по 1 -  2 в год в зависимости от активности авторов 
статей.

Отличительной особенностью сборника является широта тематики разделов, что позволяет публиковаться специалистам (преподавателям, аспирантам, 
научным работникам и т.п.) практически любой кафедры университета. Т.е. это 
ОБЩЕМАТЕВСКОЕ рецензируемое издание, полно отражающее политематиче- 
ский характер научных школ нашего университета и их, большей частью, аэрокосмическую направленность. Таким образом, данное издание -  пример успешно 
работающей традиции МАТИ. У нас публикуются и авторы из других вузов, специалисты промышленности и учреждений РАН, в том числе участники Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии».

Настоящий сборник -  первый в его истории, на который была объявлена 
подписка по Каталогу агентства «Роспечать». Есть первый подписчик!

В данном, 21-м выпуске сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» традиционно представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, 
выполненных учеными МАТИ, также других научно-исследовательских и производственных организаций (в том числе в соавторстве) в широком спектре научных 
направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно- технических программ.

Сборник «Научные труды (Вестник МАТИ)» № 21 (93) содержит 12 тематических разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета.

Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)
3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.295

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ 
НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКОВОК ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВТ6 И ВТЗ-1

Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, Р.А. Давыденко

Исследованы статистические зависимости механических свойств от химического состава и 
структуры поковок сплавов ВТЗ-1 и ВТ6 после отжига. Оценена доля вариации предела прочности 
поковок, обусловленная 
колебаниями содержания легирующих элементов и примесей, а также 
влиянием типа структуры и размеров структурных составляющих.

Statistical dependence of mechanical properties from chemical composition and structure of titanium alloys forgings BT6 и ВТЗ-1 were investigated. Part of variation of tensile strength of forgings, resulting 
vibration of maintenance of alloying elements and admixtures, also influence of species of structure and 
size structural constituents were evaluated. * 1 2 3

Ключевые слова: поковки титановых сплавов, химический состав, структура, механические свойства.

Keywords: titanium alloys forgings, chemical composition, structure, mechanical properties.

Введение

В нашей стране одним из самых распространенных титановых сплавов 
авиационного назначения является сплав ВТЗ-1. В последние годы происходит его 
замена на сплав ВТ6, который обладает более удачным сочетанием механических 
и технологических свойств [1, 2]. За почти 60-летний период применения титановых 
сплавов на предприятиях, выпускающих полуфабрикаты и изделия из титановых 
сплавов, накопилось много данных входного контроля по химическому составу и 
механическим свойствам. Это позволяет применить статистический подход к разработке методов оценки и прогнозирования механических свойств различных полуфабрикатов из сплавов ВТЗ-1 и ВТ6.

Постановка цели и задач исследования

Цель работы состояла в исследовании статистических зависимостей механических свойств поковок из сплавов ВТ6 и ВТЗ-1 от структуры и содержания легирующих элементов и примесей. Для этого необходимо было решить следующие 
задачи:
1. Установить статистические средние значения содержания легирующих элементов, примесей, механических свойств и их колебания в пределах нормативной 
документации (НД).

2. Оценить долю вариации механических свойств поковок, обусловленную влиянием структуры и химического состава.

3. Провести корреляционно-регрессионный анализ зависимости механических 
свойств поковок от эквивалентов по алюминию и молибдену, типа и подтипа 
структуры.

4

Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Подробности экспериментов

Объектами исследования послужили 192 штампованные поковки (13 типоразмеров) промышленного производства, изготовленные в 2005-2010 гг. Поковки 
сплава ВТЗ-1 были подвергнуты изотермическому отжигу по режиму: нагрев до 
температуры 920-960°С, выдержка 1-3 ч, перенос в другую печь с температурой 
550-650 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе. Поковки сплава ВТ6 подвергали 
отжигу по режиму: нагрев до температуры 750-850 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение 
на воздухе.

В работе была проведена первичная статистическая обработка и корреляционно-регрессионный анализ в программе Stadia [3]. Исследуемыми факторами были данные промышленного контроля 383 образцов: содержание легирующих элементов и примесей, тип и подтип структуры, механические свойства (предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение, ударная вязкость, диаметр

отпечатка). Структурные и прочностные эквиваленты по а л ю м и н и ю ^ /]^ ,^ /]" ^  и 

молибдену 
, \ м
о \ эркв оценивали по соотношениям, приведенным в [2].

Результаты и обсуждение

Диапазон и средние значения легирующих элементов, примесей и механических свойств поковок из сплавов ВТЗ-1 и ВТ6 всех исследованных типоразмеров 
соответствуют нормативной документации (НД) [4-5], но прочностные и пластические свойства могут изменяться в довольно широких пределах. Так, например, разница между максимальным и минимальным значениями предела прочности для 
однотипных поковок может достигать 150 МПа. Стандартное отклонение лежит в 
интервале 20-40 МПа.

Еще более высокий разброс имеют пластические свойства. Например, для 
некоторых шифров они могут различаться в 1,5-2,0 раза. Стандартное отклонение 
относительного удлинения равно 1,5-3,0 %, поперечного сужения -  1,5-6,6 %, ударной вязкости -  0,04-0,08 МДж/м2.

Колебания механических свойств могут существенно зависеть от химического состава и структуры, во многом определяемой конкретной технологией штамповки, габаритами поковок и режимами термической обработки. Поэтому для исключения этих факторов было исследовано влияние структуры и содержания легирующих элементов, примесей и эквивалентов на механические свойства образцов, вырезанных в продольном направлении из поковок одного шифра сплава ВТЗ-1. Для 
этой статистической партии, состоящей из 92 образцов, в табл. 1 и 2 приведены 
диапазоны изменения и средние значения содержания легирующих элементов, 
примесей, эквивалентов по алюминию и молибдену и механических свойств поковок.

Данные металлографического анализа показали, что исследованные поковки 
имели структуры I, II, III и V типов в соответствии с типовой шкалой структур сплава 
ВТЗ-1 (табл. 3). При этом 75 % образцов имели равноосную структуру, из них 30 % 
относится к типу I (равноосная с почти глобулярными а-зернами 2-6 подтипов), 45 
% -  к типу II (равноосная с несколько вытянутыми а-зернами 1-6 подтипов). При переходе от 1 к 6 подтипу наблюдается увеличение размеров структурных составляющих. Около 20 % образцов имели смешанную структуру III типа (преимущественно 4 и 5 подтипов). Структура V типа (2-го подтипа) встречалась у 8 % образцов 
в виде отдельных участков на фоне структур I и II.

Механические свойства поковок с разным типом структуры приведены в 
табл. 3. Если не учитывать влияние химического состава, то при переходе от струк
Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1

Статистические характеристики химического состава (% м.) 
штампованных поковок из сплава ВТЗ-1 (92 образца)

Статистические
характеристики
AI
Мо
Сг
С
N
Fe
Si
О

Диапазон по НД*
5,57,0

2,03,0

0,82,0
<0,10
<0,05
0,20,7

0,150,4
<0,15

Диапазон 
значений по факту

6,226,85

2,222,57

1,351,67

0,0070,02

0,0030,006

0,310,46

0,240,36

0,0020,004

Выборочное

среднее
6,56
2,43
1,52
0,013
0,004
0,41
0,31
0,003

Стандартное
отклонение
0,20
0,12
0,12
0,004
0,001
0,05
0,03
0,0006

Коэффициент 
вариации,%
3,0
5,0
8,0
31,0
25,0
12,0
10,0
20,0

Примечание: * ОСТ 192077-91.

Таблица 2

Статистические характеристики эквивалентов и механических свойств 
штампованных поковок из сплава ВТЗ-1 
(продольное направление вырезки, 92 образца)

Статистические характеристики

\a i \2

%

\M a \2

%
%

[мо\п2

%

О'в,
МПа

5,
%

Ф>
%

KCU,
МДж

м2

doTm
ММ

Диапазон по НД
9501200
>10
>25
>0,3
3,23,7

Диапазон значений
7,65,49,74,5102412,827,10,313,3
по факту
8,3
6,5
10,8
5,3
1116
22,4
49,0
0,68
3,6

Выборочное
7,9
6,0
10,1
4,9
1068
17,6
38,1
0,43
3,4
среднее

Стандартное
0,28
0,42
0,40
0,32
22,1
2,1
4,1
0,07
0,06
отклонение

Коэффициент
3,6
7,0
3,9
6,5
2,0
11,9
10,7
16,2
1,7
вариации,%

туры I типа к II, III, l+V, II+V типам (т.е. от равноосной к смешанной и далее к пла- 
стинчатой+равноосной) наблюдается снижение предела прочности в среднем приблизительно на 20 МПа. Влияние подтипа структуры более сильное. Для образцов 
с равноосными структурами I и II типов с увеличением размера a-зерна (т.е. при 
переходе от 1 к 6 подтипу) наблюдается снижение предела прочности приблизительно на 30-40 МПа.

Полученные результаты (табл. 4) показывают, что для 92 образцов доля вариации предела прочности, обусловленная влиянием химического состава, составляет около 40%, влиянием структуры -  20 %. Остальная доля вариации может быть 
обусловлена факторами, которые сложно учесть (однородность структуры, химического и фазового состава по сечению поковок; наличие текстуры; тонкое строение 
фаз; строение прослоек между а и 3-фазами и т.п.).

6

Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 3

Механические свойства образцов сплава ВТЗ-1 
с разным типом структуры

Тип

структуры

(доля

образцов, %)

ств, МПа
5, %
Ф, %
KCU, МДж/м*

диапазон
среднее*
диапазон
среднее*
диапазон
среднее*
диапазон
среднее*

10471116

1077
±9,5

14,822,0

17,8
±0,7

27,145,2

38,7
±1,5

0,310,68

0,49
±0,04

10291105

1066
±8,7

12,822,4

17,2
±0,8

27,148,2

39,7
±1,4

0,310,60

0,41
±0,02

10241100

1060
±9,3

14,0-
21,2

18,5
±1,2

36,049,0

43,2
±1,9

0,360,53

0,40
±0,04

V (8%)**

10241094

1054
±8,8

14,019,2

16,7
±1,3

27,144,8

38,0
±1,6

0,330,48

0,40
±0,05

Примечание: * указан доверительный интервал с надежностью 0,95;

** 8 % образцов имеют структуры l+V, II+V.

Таблица 4

Результаты корреляционного анализа зависимости предела прочности 
от типа структуры, подтипа структуры и эквивалентов 
по алюминию и молибдену для поковок одного шифра из сплава ВТЗ-1

Статистическая

партия
Факторы
Коэффициент

корреляции

Доля

вариации, %

92 образца; 
I-V типы 
структур

0,62
38

тип и подтип 
структуры
0,47
22

27 образцов;
I тип структуры

подтип структуры, 
толщина а-зерен
0,45
20

43 образца;

II тип структуры

подтип структуры, 
толщина и длина 
а-зерен

0,42
18

№
;  
[M ot.
0,77
59

17 образцов;

III тип структуры
подтип структуры
0,37
15

Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)

7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Для 87 образцов с I, II и III типом структуры было оценено влияние химического состава, подтипа структуры и размеров a-зерна на механические свойства 
(табл. 4). Доля вариации предела прочности из-за колебаний химического состава 
составляет около 60 %, а из-за изменения размеров структурных составляющих -  
15-20 %.

Зависимость предела прочности от толщины a-зерен для структур I и II типа 
аналогична соотношению Петча-Холла и имеет вид:

, 1 1 1  
-1 /2 
&й=<г0 +133-а„ 
,

где Сто = 1015 ±10 МПа (I тип) и 1000 ±10 МПА (II тип).
Статистические характеристики модели: R=0,65, R2=0,43, S=17 МПа.

Зависимость предела прочности поковок сплава ВТЗ-1 от толщины и длины а- 
зерна для структуры II типа имеет вид:

с о  
—1/2 
л л  
I —1/2
crg=cr0+58-aa 
+Ъ0-1а 
,

где Оо определяется по соотношению:

<х„ = (235 + 5)+ (59 ± 8) • №
 + (44 ± 7) • [М ,£ ,

Статистические характеристики модели: R=0,76, R2=0,58, S=15 МПа.

Повышение прочностных эквивалентов по алюминию \А 1 
и молибдену [АУо]"^в на 1 %м. приводит к увеличению предела прочности в среднем на 60 и 
45 МПа соответственно (с доверительной вероятностью 0,95). Увеличение толщины a-зерен с 3 до 30 мкм и их длины с 10 до 30 мкм снижает предел прочности приблизительно на 30-50 МПа.

Выводы

1. Оценена доля вариации предела прочности поковок сплавов ВТЗ-1 и ВТ6, обусловленная колебаниями химического состава, а также влиянием типа структу. ры и размеров структурных составляющих.

2. Для поковок сплава ВТЗ-1 с равноосной структурой получена регрессионная модель, позволяющая оценить средний уровень предела прочности в зависимости 
от химического состава и подтипа структуры (размера a-зерна) с надежностью
0. 95.

Литература

1. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической технике./ Колачев Б.А., Елисеев Ю.С., Братухин А.Г. и др. 
-М .: МАИ, 2001.-416 с.

2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. -  М.: ВИЛС -  МАТИ, 2009. -  520 с.

3. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. М: ФОРУМ: 
ИНФРА-М, 2006. -  512 с.

4. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки.
5. ОСТ 192077-91. Титановые сплавы. Марки.

Егорова Юлия Борисовна -  д.т.н., профессор Ступинского филиала МАТИ 
Egorova Yulija Borisovna -  doctor of technical sciences, professor of Stupino 
branch, MATI, e-mail: egorova_mati@mail.ru

8

Научные труды (Вестник МАТИ), 2013 г. Вып. 21 (93)