НАЦІональна академія наук україни

інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М.Францевича

КОТКО АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 669.01:669.296.017.12

ЗАКОНОМІРНОСТІ ДЕФОРМАЦІЙНОГО ЗМІЦНЕННЯ У ТИТАНІ ТА ДЕЯКИХ СПЛАВАХ НА ЙОГО ОСНОВІ

Спеціальність 01.04.13 – фізика металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України

Фірстов Сергій Олексійович,

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач

відділу фізики міцності і пластичності матеріалів.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Котречко Сергій Олексійович,

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу міцності і руйнування сталей;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Ахонін Сергій Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділу фізико-металургійних проблем зварювання титанових сплавів.

Захист відбудеться „10” жовтня 2007 р. о _____год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий „____” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коржова Н.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення закономірностей деформаційного зміцнення у металевих матеріалах з урахуванням типу кристалічної ґратки, енергії дефекту пакування, легування та структурного стану належить до одного із найважливіших напрямків сучасної фізики міцності та матеріалознавства. Зокрема особливу увагу привертає стадійність деформаційного зміцнення у зв’язку зі зміною дислокаційних субструктур при переході до великих пластичних деформацій.

Слід згадати роботи Кокса, Дж. Севільяно, Цехетбауера, В.В. Рибіна, Е.В. Козлова, Н.А. Конєвої, В.Ф. Мойсєєва, В.І. Трефілова, Ю.В. Мільмана та ін. Але в них, як правило, розглянуто однофазні матеріали, по більшості чисті метали з ГЦК та ОЦК гратками. Існує обмаль несистематичних публікацій по металам з ГЩУ граткою, а робіт присвячених зміцненню поліфазних матеріалів практично немає. В той же час, наприклад, інтенсивно розроблюються складнолеговані поліфазні сплави на основі титану, на базі яких створюються сучасні конструкції в авіації, космічній техніці, суднобудуванні, автобудуванні. Для таких сплавів знання закономірностей деформаційного зміцнення має важливе значення, оскільки існує чітка залежність між змінами дислокаційної структури сплавів і рівнем їх механічних властивостей, реалізованих у процесі виробництва з них виробів чи складних конструкцій. Знання цих закономірностей не тільки визначає можливість додання виробам складної форми, але і дає можливість оцінити рівень додаткового зміцнення, яке при цьому досягається. Особливий інтерес представляє розробка методик, що дозволяють описувати і, відповідно, прогнозувати рівень деформаційного зміцнення різних класів сплавів з урахуванням усієї різноманітності їх фазово-структурних станів.

Оптимізація структури деформованого матеріалу припускає всебічне вивчення дислокаційних перебудов в матеріалі в процесі деформації та встановлення зв’язку між цими структурними змінами і механічною поведінкою деформованого матеріалу. Однак, незважаючи на досягнуті успіхи, систематичних досліджень еволюції дислокаційних структур і закономірностей деформаційного зміцнення складнолегованих титанових сплавів до останнього часу проведено не було, тому тема роботи є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає основним науковим напрямкам робіт Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича та виконана в рамках тем: „Фізичні основи досягнення (створення) граничних структурних станів та фізико-механічні властивості титана та його станів, а також оптимізація технології їх отримання та обробки” (1997-2000) р., номер державної реєстрації 0193U017371 та „Вплив термомеханічної обробки на структуру та механічну поведінку титанових сплавів та in-situ композитів на основі титану” (2001-2004)р., номер державної реєстрації 0101U001650.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є встановлення закономірностей деформації титанових сплавів та знаходження зв’язку їх механічних властивостей зі структурою; вивчення законів впливу фазових і структурних складових в титанових сплавах різного ступеня легування й особливостей формування дислокаційної структури на окремих стадіях деформації. Відповідно до мети були визначені задачі роботи:

1. Дослідити формування дислокаційних субструктур, утворюющихся в процесі деформації чистого титану та складнолегованих багатофазних матеріалів.

2. Визначити роль та вплив фазових і структурних складових сплавів на механічні властивості та структуру, що формується в процесі деформації.

3. Провести аналіз структурної чутливості кривих деформаційного зміцнення у зв’язку з еволюцією дислокаційної структури та фазовим складом досліджуваних сплавів.

Об’єкт дослідження – деформаційне зміцнення у титані та сплавах на його основі в залежності від структури та фазового складу.

Предмет дослідження – деформаційна субструктура та параметри деформаційного зміцнення в титані та його сплавах з -, (+в)- та в-структурою з різною морфологією фазових складових.

Методи дослідження – мікроструктурний аналіз (оптична та електронна мікроскопія), рентгенівський фазовий аналіз, механічні випробування на розтяг, вимірювання твердості та довготривалої гарячої твердості.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше в широкому інтервалі температур (-196 – 850 °С) досліджено вплив типу дислокаційної структури, що утворюється при різному ступені деформації, на механічні властивості технічно чистого титану (сплав ВТ1-0). Для технічно чистого титану (сплав ВТ1-0) з розміром зерна (15 та 100 мкм) побудовані діаграми “істинна деформація – температура” (ІДТ). У вивченому інтервалі температури для технічно чистого титану зберігається показник деформаційного зміцнення n=0,91, який не залежить від розмірів зерна і ступеня деформації.

Вперше встановлено вплив морфології фазових складових двохфазних сплавів титану на показник деформаційного зміцнення та сформульоване уявлення про ”ведучу” фазу, що контролює параметри деформаційного зміцнення.

Вперше встановлено, що сплави з в-структурою на відміну від чистих металів з ОЦК-граткою можуть мати показник деформаційного зміцнення в інтервалі 0,5-0,98. Виявлено причину цього явища на основі досліджень тонкої структури в-сплавів. Встановлено, що наявність так званих -подібних зсувів, або ультрадрібних (?20 нм) виділень -фази кардинальним чином впливає на показник деформаційного зміцнення.

Для групи нових перспективних сплавів титану з додатковим інтерметалідним та силіцидним зміцненням вперше встановлено, що показник деформаційного зміцнення залежить від морфологічних особливостей структури матриці, а не від вмісту силіцидних чи інтерметалідних зміцнюючих фаз.

Практична цінність отриманих результатів. В роботі отримані нові результати, що описують закономірності деформаційного зміцнення титанових сплавів різного фазового складу. Побудовані діаграми “істинна деформація-температура” (ІДТ) дозволяють безпосередньо визначати конкретні режими обробки технічно чистого титану, які можуть забезпечити одержання потрібних значень механічних властивостей і одночасно ідентифікувати механізми пластичної деформації в конкретних інтервалах температури, деформації і структурного стану.

Результати вивчення структури і механічних властивостей титанових сплавів різного ступеня легування, які представлені в даній дисертаційній роботі, можуть бути основою для оптимізації процесів пластичної деформації титанових сплавів різних класів, в тому числі нових перспективних жароміцних матеріалів, додатково зміцнених інтерметалідними та силіцидними фазами.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, викладені в роботі, отримані особисто автором або при його безпосередній участі. Автор приймав участь у постановці задачі. Дисертантом особисто проведено комплекс електронно-мікроскопічних досліджень структури, описаних у роботі титанових сплавів. Механічні випробування та обробка кривих зміцнення виконані разом з Ю.М. Подрезовим, Г.Ю. Бородянською та І.В. Моісєєвою. Роботи по дослідженню деформаційної поведінки сплавів титану із силіцидним та інтерметалідним зміцненням виконано разом із М.М. Кузьменком та І.Д. Горною. Автором проведено систематизацію та узагальнення отриманих експериментальних даних та встановлення закономірностей впливу структурного та фазового стану на параметри деформаційного зміцнення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на таких наукових конференціях, семінарах та симпозіумах: “Актуальные проблемы прочности”, Киев 2001 г.; International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, Kiev, 2002; International Conference “EUTECTICA VII”, Dnipropetrovsk, 2006; Международная конференция “Титан в СНГ 2007”, Ялта, 2007.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей в фахових виданнях.

Об’єм і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків та списку використаних літературних джерел з 90 найменувань. Робота викладена на 109 сторінках, містить 39 рисунків, 4 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та важливість вибраної теми, сформульовано мету та основні задачі дослідження, показано наукову новизну та практичне значення роботи.

В першому розділі зроблено огляд літературних даних про природу поліморфних перетворень в титані та його сплавах. Докладно описані типи кристалічних ґраток, типові дислокаційні реакції, механізми фазових перетворень, механізми зміцнення сплавів титану. На прикладі ОЦК-металів розглянуто загальні закономірності деформаційного зміцнення металів, зв’язок ділянок на кривій зміцнення з типом дислокаційної структури.

На відміну від більшості публікацій, у яких деформаційне зміцнення апроксимується залежністю Людвіка S = Ken, або Людвіка-Холомона S = S0 + Ken, де S – істинна напруга, e – істинна деформація, K – коефіцієнт зміцнення, а n – показник деформаційного зміцнення, В.Ф. Мойсєєв запропонував підхід, згідно з яким на початковій стадії деформування визначається показник деформаційного зміцнення, а після цього крива S(e) перебудовується у координатах S – en для всіх стадій. Така методика дозволила виявити стадійність механічного зміцнення, причому на кривій можна знайти мінімум три стадії параболічного зміцнення із різними коефіцієнтами К1, К2, К3 та перехід у кінцеву стадію лінійного зміцнення. В роботі детально описана методика обробки кривих деформаційного зміцнення, запропонована В.Ф. Мойсєєвим.

Наведено перші дані, отримані В.Ф. Мойсєєвим, по впливу енергії дефекту пакування та типу кристалічної ґратки на показник деформаційного зміцнення для деяких чистих металів. Зазначається, що для сплавів такі дані практично відсутні. А систематичні дослідження деформаційного зміцнення у сплавах з поліморфними перетвореннями, у яких було б виконано порівняльне дослідження деформаційних субструктур та закономірностей деформаційного зміцнення у різних фазових станах, а також у двохфазних матеріалах із різною морфологією структури, відсутні взагалі. Обґрунтовано вибір у якості об’єкта досліджень низки титанових сплавів різного ступеню легування та різної морфології фазових складових.

В другому розділі дається хімічний склад та режими обробок досліджених в роботі сплавів. Для дослідження були обрані як добре відомі вітчизняні і закордонні промислові сплави, так і перспективні сплави. Хімічний склад досліджених сплавів наведено у таблиці 1.

В третьому розділі викладено основні методики досліджень. В роботі використовувались структурні дослідження з застосуванням оптичної, скануючої та трансмісійної електронної мікроскопії, рентгенографії, механічні випробування (для пластичних сплавів – на розтяг, а для крихких – на стиск). Широкий спектр

Таблиця 1

Хімічний склад досліджених сплавів

Група сплавів | Хімічний склад

Технічно чистий б-титан | Відпалений, зерно 15 мкм, 100 мкм.

Попередньо деформований, зерно20мкм.

Псевдо б сплави | Ti-5,8Al-4Sn-0,5Mo-0,7Nb-3,5Zr-0,3Si(IMI834),

Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr.

(б+в) сплави | Ti-6Al-4V (ВТ6),

Ti-2,5Al-5Mo-5V (ВТ16)

Ti-4,5Al-2Mo-4,5V-1Cr-0,6Fe(ВТ23),

Ti-2,3Si-7Nb,

Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe.

в сплави | Ti-3Al-15V-3Cr-3Sn,

Ti-1,5Al-2Mo-4,5Fe,

Ti-2,4Si-8Mo.

застосовуваних методик досліджень дозволив одержати високу достовірність та точність результатів. Основні експериментальні результати, отримані автором, наведено у розділах 4, 5.

В четвертому розділі описується зв'язок між механічними властивостями сплаву ВТ1-0 і дислокаційною структурою, що утворюється в процесі пластичної деформації при температурах в інтервалі від -196 до 850 °С для рекристалізованого металу та від 20 до 850 °С для попередньо деформованого.

Розглянуто дослідження структури та механічних властивостей рекристалізованого технічно чистого титану. На рис. 1 наведено діаграми розтягу технічно чистого титану в координатах S – en для різних температур випробувань та двох розмірів зерен. Чітко видно стадійність та різний нахил прямих, який характеризується коефіцієнтами К1, К2, К3 для різних стадій зміцнення.

На рис. 2 наведено температурні залежності коефіцієнтів К1, К2, К3 для полікристалів з двома розмірами зерен. Можна дійти висновку, що розмір зерна не впливає на показник деформаційного зміцнення, який дорівнює 0,91, проте коефіцієнти К1, К2 та К3 при зменшенні зерна до 15 мкм суттєво зростають у порівнянні з крупнозернистим (100 мкм) титаном.

Для всіх температур та стадій виконано електронно-мікроскопічні дослідження сформованих дислокаційних субструктур. На підставі отриманих даних було побудовано так звані діаграми „істинна деформація – температура” (ІДТ), які представлені на рис. 3. На діаграмах ІДТ, які є картами стану дислокаційних структур, що формуються в деформованому металі, наведено температурну залежність довжини різних стадій деформаційного зміцнення. При низьких температурах виявляється 4 типа структурних станів: I – множинне ковзання; II –

Рис. 1. Діаграми деформації технічно чистого титану (сплаву ВТ1-0) з розміром зерна 15мкм (а) та 100 мкм (б), перебудовані в координатах S – en.

дислокаційні сплетення; III – комірчаста структура; IV – динамічне повернення. Крім того, зменшення розміру зерна скорочує довжину стадій та водночас дещо затримується включення додаткового механізму деформації – двійникування.

Рис. 2. Температурна залежність коефіцієнтів зміцнення технічно чистого титану (сплаву ВТ1-0) з розміром зерна 15 мкм (а) та 100 мкм (б).

Для всіх температур та стадій деформації виконано електронно мікроскопічні дослідження сформованих дислокаційних субструктур.

В подальшому розглянуто дослідження структури та механічних властивостей попередньо деформованого сплаву ВТ1-0 при навантаженні в температурному інтервалі 20-800 °С. Сплав був прокатаний при температурі 700 °С до деформації е = 70в результаті чого він зазнав високотемпературне динамічне повернення і в ньому була сформована полігональна разорієнтована структура з розміром зерна 20 мкм. На рис. 4 наведені температурні залежності механічних властивостей попередньо деформованого та рекристалізованого титану. Видно, що при низьких

Рис. 3. Діаграми „істинна деформація – температура” (ІДТ) технічно чистого титану (сплаву ВТ1-0) з розміром зерна 15 мкм (а) та 100 мкм (б): ДВ – межа двійникування; ФП – межа фазового переходу; I – множинне ковзання; II –дислокаційні сплетення; III – комірчаста структура; IV – динамічне повернення.

температурах (від кімнатних температур до 150-200 °С, Т (0,4)Тф.п., де Тф.п – температура фазового переходу) прокатаний титан є більш міцним, проте при підвищенні температури випробувань він практично стає рівноміцним із рекристалізованим металом (200 до 550-600 °С чи, приблизно, від 0,4 до 0,7 Тф.п), а при подальшому підвищенні температури його знеміцнення відбувається більш інтенсивно. Отже, деформований титан не доцільно використовувати при підвищених температурах. Більший інтерес становлять сплави титану, у яких значні характеристики опору деформації досягаються як за рахунок тведорозчинного зміцнення так і за рахунок формування поліфазних станів.

В п’ятому розділі розглядаються особливості деформаційного зміцнення складнолегованих титанових сплавів.

Обрані нами сплави (табл. 1) по фазовому складу охоплюють спектр сплавів з -, (+в)- та в- структурою, які використовуються у промисловості. Хімічний склад сплавів, обробка і визначений за результатами механічних випробувань показник n наведені в табл. 2. Для сплавів із -, (+в)- та в-структурою для варіювання фазового складу та морфології фаз застосовувались різні види термічної обробки, які дозволяли отримувати пластинчату та глобулярну морфологію. Крім того, досліджено групу нових жароміцних сплавів (так званих „титанових сталей”) з додатковим силіцидним та інтерметалідним зміцненням. Термомеханічна обробка сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr вибиралася таким чином, щоб в одному випадку деформаційна обробка сплаву завершувалась у б-області, а у другому ? у в-області.

Рис. 4. Температурна залежність границі плинності уs (крива 1) та загального подовження заг (крива 4) деформованого титану у порівнянні з рекристалізованим металом (заштрихована область, крива 2 відповідає d=15 мкм, а крива 3 – d=100 мкм). Загальне подовження рекристалізованого титану – крива 5. I, II, III – розглянуті температурні області.

Для сплаву Ti-2,3Si-8Mo застосовувалося гартування в воду із в-області з метою фіксації високотемпературної в-фази. Сплави № 1-9 випробувались на розтяг, а більш крихкі сплави 10-12 на стиск.В роботах В.Ф. Моісєєва по вивченню деформаційного зміцнення було показано, що для всіх ОЦК-металів n=0,5. Для технічно чистого титану, як зазначено в розділі 4, показник n=0,91. Як і для ОЦК металів, його значення також не залежить ні від розміру зерна сплаву, ні від попередньої обробки. Така зміна n пов’язана із зменшенням числа систем ковзання та утрудненням дислокаційних перебудов шляхом поперечного ковзання. В одній із останніх робіт В.Ф. Моісєєвим було також показано, що до зростання n призводить і зниження енергії дефекту пакування. Логічно було б припустити, що для сплавів з переважаючою ОЦК-фазою в структурі показник n має наближатися до 0,5, а з переважаючою ГПУ фазою ? збільшуватися до n? 0,9.

Однак результати роботи (табл. 2) показали, що у багатьох випадках отримані експериментальні значення параметра n суттєво відрізняються від очікуваних. Зокрема, жоден з в-сплавів не показав очікуваного значення n=0,5, властивого ОЦК-металам. У той же час двофазні (б+в) сплави показували значення показника n в інтервалі 0,51-0,81. Причому, як з’ясувалося, для двофазних сплавів вирішальним фактором, що визначає чисельне значення n, виявився морфологічний тип структури.

Таблиця 2

Показник деформаційного зміцнення n для сплавів з різним фазовим складом

№ | Сплав, ваг. % | Обробка | Структура | n

1 | Технічно чистий титан | Рекристалізований лист | Зерно 15 и100 мкм

Рівновісне б |

0,91

2 | Ti-6Al-4V | Відпал 1050 °С, 1 год. | пластинчаста (б+в),

прошарки в | 0,51

3 | Ti-6Al-4V | Відпал 800 °С, 1 год. | Глобулярна (б+в) | 0,81

4 | Ti-5,8Al-4Sn-0,5Mo-0,7Nb-3,5Zr-0,3Si | Відпал 1100 °С, 1 год. + старіння 700 °С, 2 год. | Пластинчата б,

дуже тонкі прошарки в |

0,52

5 | Ti-5,8Al-4Sn-0,5Mo-0,7Nb-3,5Zr-0,3Si | Відпал 1035 °С, 1 год. + старіння 700 °С, 2 год. | Бімодальна б,

фрагменти в | 0,7

6 | Ti-2,5Al-5Mo-5V | Відпал 800 °С, 1 год. | Глобулярна (б+в) | 0,89

7 | Ti-1,5Al-2Mo-4,5Fe | Гартування | Глобулярна (в+щ) | 0,98

8 | Ti-3Al-15V-3Cr-3Sn | Гартування | Глобулярна (в+щ) | 0,97

9 | Ti-3Ті-3-Аl-15V-3Cr-3Sn | Гартування+відпал 450 °С, 16 год. | Глобулярна (б+в) | 0,64

10 | Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr | Прокатка 970 °С+ відпал 800 °С, 2 год. | Глобулярна +силіциди | 0,93

11 | Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr | Прокатка при 1050 °С+ відпал 800 °С, 2 год. | Пластинчата +

силіциди, прошарки в | 0,59

12 | Ti-2,3Si-8Mo | Гартування | Глобулярна (в+щ) | 0,98

Після відпалу в в-області у (б+в) сплавах формується каркас із прошарків -фази, між якими розміщені витягнуті зерна -фази (рис. 5 а, рис. 6 а). Для такого типу структури у сплаві Ti-6Al-4V (ВТ6) показник n виявився рівним 0,51, тобто, близьким до значення 0,5, характерному для металів з ОЦК-ґраткою. Виходячи з цього, можна припустити, що деформацію контролює -фаза, яка має ОЦК-ґратку. В структурі такого типу в процесі деформації дислокації не можуть переміщуватись тільки по б-фазі і змушені перетинати прошарки в-фази. В зразках цього сплаву, які були відпалені в б-області для отримання глобулярної структури, показник деформаційного зміцнення n=0,81. Це значення n близьке для технічно чистих металів і їх сплавів з ГЩУ-ґраткою, тобто закономірності деформаційного зміцнення в цих зразках визначаються вже б-фазою. Відсутність замкнутої сітки в-фази в глобулярній структурі -фази уможливлює рух дислокацій виключно по -фазі (рис. 5 б, рис. 6 б). В сплаві Ti-5,8Al-4Sn-0,5Mo-0,7Nb-3,5Zr-0,3Si (IMI834), при термообробці вище температури фазового перетворення так само, як і в сплаві ВТ6, формується пластинчата структура з витягнутих -зерен з тонкими прошарками в-фази. Сплав зі структурою такого типу теж має показник n=0,52, тобто близький до n для ОЦК-металів. Відпал цього сплаву нижче температури фазового переходу формує бімодальний тип структури, проміжний по морфології між пластинчастим і глобулярним, в якому відсутні суцільні прошарки в-фази, відповідно показник n збільшується до 0,7.

а | б

Рис. 5. Два типа структури можливих в двофазних сплавах титану: а ? пластинчаста структура; б ? глобулярна структура (металографія, збільшення 200).

а | б

Рис. 6. Два типи структури в сплаві Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr, а) пластинчата, б) глобулярна.

Таким чином в двофазних сплавах титану показник n залежить від морфологічного типу структури. Обробка в б-області формує рівновісні зерна б- і в-фаз, обробка в в-області ? пакети б-пластин із прошарками в. Причому у псевдо б-сплавів з пластинчастою структурою тонкі прошарки в-фази також знижують показник n до значень властивих ОЦК-металам. У сплавів з глобулярною структурою показник n близький до значень ГЩУ титану. Відповідно, ведуча фаза, що визначає параметри деформаційного зміцнення, залежить від морфології структури сплаву.

При подальшому вивченні деформаційного зміцнення у в-сплавах очікувалось, що всі вони будуть мати показник n близький до 0,5. В той же час, як випливає з даних табл. 2, досліджені в-сплави, незважаючи на наявність ОЦК-структури, відрізняються навпаки високим показником n. Причина цього, на нашу думку, полягає у тому, що, як показали електронно-мікроскопічні дослідження, в-сплави містять у своїй структурі або дисперсні частки -фази, або знаходяться у стадії так званого передвиділення часток.

Нами було виконано спектр досліджень в-фази сплавів різного хімічного складу. Практично завжди на електронограмах сплавів після гартування поряд з рефлексами в-фази були присутні або тяжі, що свідчать про наявність стадії передвиділення щ-фази, або чіткі рефлекси -фази (рис. 7). Тобто, хоча зерна в-фази і залишаються фазою з ОЦК-ґраткою, наявність когерентно зв’язаної з нею щ-фази з ґраткою типу ГЩУ (або щ-образних зсувів по термінології І.В. Лясоцького та Ю.Д. Тяпкіна) швидше за все буде стимулювати планарне ковзання, тобто пластична деформація в ній буде більше схожа на деформацію ГЩУ-кристалів.

а | б

Рис. 7. Електронограми зерен в-фази з різною інтенсивність рефлексів -фази: а ? сплав Ti-4,5Al-2Mo-4,5V-1Cr-0,6Fe; б ? сплав Ti-2,3Si-8Mo.

Аналізуючи дані, представлені в табл. 2, легко помітити, що в сплавах, які містять в-фазу, на чисельне значення n впливає термообробка, що напряму формує внутрішню структуру в-фази, зокрема повноту виділення щ-фази. Сплави складів Ti-1,5Al-2Mo-4,5Fe, Ti-2,3Si-8Mo, Ti-3Al-15V-3Cr-3Sn демонструють в загартованому стані значення n=0,97-0,98. При цьому сплав складу Ti-3Al-15V-3Cr-3Sn у відпаленому після гартування стані має значення n=0,64. Причиною цього є те, що в процесі відпалу при 450 °С протягом 16 годин відбулася зміна внутрішньої структури в-фази, зокрема відпал при такій температурі сильно зменшує ступінь щ флуктуацій в-ґратки та, відповідно, інтенсивність дифузних ефектів на мікроелектронограмах.

За допомогою in-situ експериментів по відпалу тонких фольг у колоні електронного мікроскопу встановлено, що термічна обробка загартованих сплавів дозволяє істотно впливати на характер та інтенсивність дифузних ефектів на мікро електронограмах та, відповідно, керувати процесами появи або зникнення -фази.

Вище зазначалося, що завдяки наявності -прошарків у двохфазних (+в)-сплавах типу ВТ6 показник n зменшується до значень близьких до ОЦК-ґратки. Ми порівняли ефекти на електронограмах у випадку -сплавів, які демонструють n=0,97-0,98, з електронограмами, отриманими від -прошарків в сплаві ВТ6, коли n=0,51 (рис. 8). Виявилося що в останньому випадку дифузні ефекти, що відповідають -подібним зсувам, виявлені значно слабшими у порівнянні із високолегованими -стабілізаторами сплавами. Іншими словами, ступінь легування сплаву недостатня для створення в -прошарках сплаву ВТ6 електронної концентрації 4,10-4,19 ел./атом, необхідної для утворення щ-фази. Саме з цієї причини визначені n для двофазних сплавів ВТ6 з пластинчастою структурою укладалися в інтервал 0,51-0,59.

а | б

Рис. 8. Електронограми зерен в-фази з різного хімічного складу: а ? сплав Ti-6Al-4V, n=0,51; б ?сплав Ti-1,5Al-2Mo-4,5Fe, n=0,97.

Отже, високолеговані в-сплави в загартованому стані, незважаючи на ОЦК тип кристалічної ґратки, мають показник n?0.9. Причиною цього є наявність щ виділень (зсуву площин в-ґратки з утворенням фрагментів щ-фази з ГЩУ-ґраткою), що призводить при деформації сплаву до різкого зниження числа можливих систем ковзання. Відпал, що усуває щ-образні зсуви усередині ОЦК-ґратки, знижує показник зміцнення n до значень, близьких до значень ОЦК металів. в-прошарки у малолегованих сплавах не містять необхідної для утворення щ-зсувів концентрації в-стабілізаторів.

В роботі також розглянуто деякі особливості формування структури жароміцних сплавів титану з інтерметалідним та силіцидним зміцненням.

Порівняльний аналіз діаграм фазових станів систем Fe-C та Ti-Si вказує на їх схожість. У цих системах є евтектичне та евтектоїдне перетворення, спостерігаються області з обмеженою розчинністю елементів. У цих системах є можливість реалізації при гартуванні мартенситного перетворення. Тому сплави з вмістом Si до 4,7 ат. % можна умовно назвати „титановими сталями”, а з вмістом Si 4,7-13,6 ат. % ? „титановими чавунами”. Схожість діаграм стану дає можливість застосовувати для системи Ti-Si більшість видів термічної обробки, розроблених для системи Fe-C. Одним з методів покращення властивостей сплавів є гартування з наступним відпалом для формування зміцненої дисперсними силіцидними частками матриці.

Застосування технології отримування порошку сплавів системи Ті-Si методом гартування із рідкого стану дозволяє зафіксувати в окремих частинках метастабільні фазові стани, які при наступній його переробці суттєво покращують комплекс властивостей. У роботі досліджена тонка структура та фазовий стан порошків із сплавів системи Ті-Si, отриманих методом гартування із рідкого стану. Специфічна морфологія окремих частинок та значне пересичення твердого розчину кремнієм сприяють формуванню у компактних виробах з них дисперсної структури з великою об’ємною часткою силіциду Ti5Si3. Цікавою особливістю є реалізація в окремих частинках орієнтаційних співвідношень між силіцидом та матрицею, які відрізняються від тих, що є в масивному матеріалі. При цьому, (100)Ti5Si3 // (101)-Тi, [001]Ti5Si3 // [111]-Ti. Застосування цієї технології виробництва порошку особливо добре сприяє покращенню тріщиностійкості. У порівнянні зі сплавами у литому стані вона покращується у виробах з порошку у 1,5-2 рази і досягає після екструзії 55-60 МПа м1/2.

Було виконано дослідження структури сплавів системи Ті-Si-X, де X ? додаткове легування алюмінієм. Встановлено, що в залежності від вмісту алюмінію змінюється будова інтерметалідної фази Ti3Al, а саме, при вмісті алюмінію на рівні 8-11 % в структурі спостерігаються наддрібні нанорозмірні виділення інтерметаліду у титановій матриці. Вмісту 14-17 % алюмінію відповідає практично впорядкована інтерметалідна фаза, про що свідчить формування антифазних границь термічного походження і поява надструктурних рефлексів на мікродифракційних картинах (рис. 9 а, б).

а | б

Рис. 9. Мікроструктура (а) та дифракційна картина (б) литого сплаву Ti-14Al.

Розмір антифазних доменів залежить від вмісту алюмінію. При вмісті 14 % розмір доменів складає ? 40 нм, а при вмісті 17 % розмір доменів збільшується до 200 нм. Причиною такого впливу є різна температура утворення впорядкованої б2-Ti3Al фази. А саме, при 17 % температура впорядкування згідно діаграми фазових рівноваг складає 1200 °С, а при 14 % ? 950 °С. Відповідно при більш високій температурі домени підростають за рахунок активізації дифузійних процесів. Це узгоджується із тим фактом, що при 17 % алюмінію твердість інтерметаліду нижча, ніж при 14 %.

Для зміцнення сплавів системи Ti-Si-X та Ti-Si-Zr-X з урахуванням збереження пластичності та одночасного підвищення жароміцності, оптимальним є вміст алюмінію на рівні 8-9 %, що дозволяє зберегти титанову матрицю та додатково зміцнити її інтерметалідними частками.

На таких сплавах було проведено вивчення впливу термомеханічної обробки (прокатка при температурах вище та нижче температури б> перетворення). Було встановлено, що закінчення деформації при температурах вище за критичну призводить до >б перетворенню при охолодженні та формує пластинчату структуру -фази, розділену тонкими -прошарками. Деформація закінчена в -області формує рівновісну структуру (рис. 6 а, б).

Як показали дослідження показника деформаційного зміцнення, у першому випадку він дорівнює n=0,59, а в другому n=0,89. Таким чином, на показник деформаційного зміцнення в таких складнолегованих сплавів в основному впливає поведінка матриці сплаву.

Зазначимо, що різний характер отриманої структури по різному впливає не тільки на деформаційне зміцнення, але на сукупність механічних властивостей. А саме, пластинчаста структура відповідає більш високій жароміцності, а рівновісна – покращеній комбінації міцності, пластичності та в’язкості руйнування.

Таблиця 3

Механічні властивості сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr

Характеристика | Температура випробування | -область | в-область

ув, Мпа | 20 °C | 1210-1235 | 1180-1190

ув, МПа | 600 °C | 590-610 | 780-920

ув, МПа | 700 °C | 400-410 | 600-653

д, % | 20 °C | 6,1-6,6 | 1,6-2,2

Наприкінці роботи наведено дані про механічні властивості та структуру дрібнозернистих титанових конденсатів товщиною 1мм, отриманих з парової фази (зразки були надані д.т.н. І.С. Малашенком). У висхідному стані розмір зерен складав 1-3мкм. Для варіювання розміру зерен були проведені вакуумні відпали в діапазоні температур до 900 °С. При цьому розмір зерен збільшувався до 50 мкм. Через невисоку пластичність конденсатів чітко встановити показник деформаційного зміцнення не вдалося, проте обробка даних випробувань у координатах рівняння Холла-Петча показала, що при відпалі варіюється не тільки розмір зерен, а і суттєво змінюється домішковий стан меж зерен, що призводить до збільшення параметра Ку, так що міцність при розмірі зерен 50 мкм практично залишається на тому ж рівні, що і у вихідному дрібнозернистому стані. Ці дані представляють значний інтерес для подальшої розробки технологій зміцнення наноматеріалів на основі титану.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що показник деформаційного зміцнення n в інтервалі температур -196-850 °С в технічно чистому титані не залежить від розміру зерна, попередньої обробки сплаву й чисельно дорівнює 0,91. Розмір зерна впливає на довжину стадій деформаційного зміцнення; при зменшені розміру зерна критичний ступінь деформації для переходу в наступну стадію зменшується.

2. Побудовані діаграми „істина деформація-температура” (ІДТ), які є картами температурних залежностей критичних деформацій зміни структурного стану в процесі пластичної деформації.

3. На основі аналізу температурної залежності межі плинності попередньо деформованого технічно чистого титану виявлено, що при температурах Т>0,4Тф.п. механізм деформаційного зміцнення стає мало ефективним.

4. В двохфазних (б + в) сплавах титану значення показника n залежить від морфологічного типу структури. У сплавів з глобулярною структурою показник n наближається до значень ГЩУ титану. У сплавів з пластинчатою структурою показник n знижується до значень, притаманних ОЦК металам. Цей ефект має місце навіть у псевдо б сплавах з пластинчатою структурою при наявності тонких прошарків в-фази між -пластинами. Показано, що морфологія структури визначає „ведучу” фазу, яка й контролює параметри деформаційного зміцнення всього сплаву.

5. Встановлено, що високолеговані в-сплави в загартованому стані, у яких ОЦК тип кристалічної гратки мають показник n близький до 1. Причиною цього є наявність щ виділень (зсувів площин в гратки з утворюванням фрагментів щ фази с ГЩУ граткою) або щ флуктуацій, що приводять при деформації сплаву до різкого зменшення числа можливих систем зсуву. Відпал, що знищує омегообразні зсуви ОЦК гратки, знижує показник зміцнення n до значень, близьких до притаманним ОЦК металам.

6. Встановлено, що в-прошарки в малолегованих сплавах (типу ВТ6) не містять необхідної для утворення щ зсувів концентрації в-стабілізаторів, тому вони знижують показник деформаційного зміцнення до 0,5.

7. Показано, що в жароміцних титанових сплавах з сіліцидним зміцненням показник деформаційного зміцнення залежить від наявності чи відсутності в прошарків. У сплавах з пластинчатою структурою (прокатаних у в області) показник n наближається до значень, характерних для ОЦК-металів. Сплави з поліедричною структурою (прокатані у б області) мають значення n, які близькі до чистого титану (0,91).

8. Сплави з пластинчатою структурою відрізняються підвищеною жароміцністю та міцністю, сплави з поліедричною структурою – підвищеною пластичністю та в’язкістю руйнування. За сполученням міцності, пластичності та міцності при підвищених температурах сплави з комбінованим силіцидним та інтерметалідним зміцненням знаходяться на рівні кращих жароміцних сплавів титану та дещо переважають їх.

Результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Голуб С.Я., Котко А.В., Кузьменко Н.Н., Кулак Л.Д., Фирстов С.А., Хаенко Б.В. Фазообразование в сплавах титана при их закалке из жидкого состояния // Физика металлов и металловедение. – 1992. – №6. – С. 94-102.

2. Котко А.В., Моисеев В.Ф., Моисеева И.В., Пищак В.К. Взаимодействие структурных уровней деформации в титане при низких температурах // Электронная микроскопия и прочность материалов, Киев: ИПМ, 1993, С. 127-130.

3. Фирстов С.А., Моисеев В.Ф., Котко А.В. Особенности дислокационной структуры деформированного титана // Электронная микроскопия и прочность материалов, Киев: ИПМ, 1995, С. 73-.83.

4. Бородянская А.Ю., Котко А.В., Моисеев В.Ф., Моисеева И.В. Формирование дислокационных структур и механические свойства -титана в интервале –196-850 °С // Металлофизика и новейшие технологии. – 1997. – 19, № 4. – С. 50-59.

5. Фирстов С.А., Бородянская А.Ю., Котко А.В., Моисеева И.В.,Моисеев В.Ф. Механические свойства и структура деформированного титана в интервале 20-800 °С // Металлофизика и новейшие технологии. – 1998. – 20, №3. – С. 70-78.

6. Котко А.В., Печковский Э.П., Моисеев В.Ф., Моисеева И.В., Пищак В.К. Особенности пластической деформации многофазных титановых сплавов // Металлофизика и новейшие технологии. – 2001. – 23, №8. – С. 1013-1027.

7. Бега Н.Д., Дацкевич О.В., Котко А.В., Ткаченко С.В., Фирстов С.А. Исследование влияния легирующих элементов на фазовые и структурные превращения при закалке в сплавах на основе системы Ti-Si // Металлофизика и новейшие технологии. – 2006. – 28, спецвыпуск. – С. 157-164.

АНОТАЦІЯ

Котко А.В. Закономірності деформаційного зміцнення у титані та деяких сплавах на його основі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2007.

Робота присвячена вивченню закономірностей деформаційного зміцнення титану та деяких сплавів на його основі. Об’єктом дослідження були технічно чистий титан (сплав ВТ1-0) з різним розміром зерна у відпаленому і попередньо деформованому стані, а також група промислових та експериментальних сплавів різного фазового складу. Показано, що у вивченому інтервалі температури і ступеня деформації для технічно чистого титану зберігається той самий показник деформаційного зміцнення n=0,91, який не залежить від розміру зерна і попередньої деформації. На основі аналізу даних механічних випробувань та структурних досліджень для сплаву ВТ1-0 з розміром зерна 15 та 100 мкм побудовані діаграми “істинна деформація ? температура” (ІДТ), кожна яких являє собою систему температурних залежностей критичних деформацій зміни структурного стану в процесі пластичної деформації.

Для вивчення особливостей деформації складнолегованих титанових сплавів (в яких за рахунок легування і термомеханічної обробки можна в широких межах змінювати співвідношення -, - та -фаз) використано визначення показника деформаційного зміцнення n, по чисельному значенню якого можна однозначно визначити фазу, що контролює деформацію матеріалу. Ілюструється вплив фазового складу сплаву і морфології фазових складових на чисельне значення n. Показник деформаційного зміцнення змінюється від 0,51 у випадку пластинчастих структур, коли -фаза розташована по границям -пластин, до 0,81 у випадку глобулярної морфології -фази. Встановлено, що в -сплавах титану з ОЦК-ґраткою, показник n може змінюватися в інтервалі 0,5-1,0, незважаючи на те, що звичайно ОЦК метали мають показник n=0,5. Це обумовлено виділенням усередині зерен дисперсних виділень -фази, що різко зменшують кількість систем ковзання при деформації сплаву. У сплавів з початковими стадіями виділення -фази показник n близький до 0,5. Сплави з більш повним виділенням -фази характеризуються показником n, що прямує до 1.

Частина роботи присвячена вивченню перспективних матеріалів, так званих “титанових сталей” та “титанових чавунів”. Описані результати вивчення впливу легуючих елементів на фазовий склад та морфологію сплавів після гартування, вплив легованості матриці на механічні властивості.

Ключові слова: титан, сплави титану, фазовий склад, деформаційне зміцнення, дислокаційна субструктура, електронна мікроскопія.

АННОТАЦИЯ

Котко А.В. Закономерности деформационного упрочнения в титане и некоторых сплавах на его основе. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 – физика металлов. – Институт проблем материаловедения им. І.М. Францевича НАН Украины, Киев, 2007.

Работа посвящена изучению закономерностей деформационного упрочнения титана и некоторых сплавов на его основе. Объектом исследования являлись технически чистый титан (сплав ВТ1-0) с различным размером зерна в отожженном и предварительно деформированном состоянии, а также группа промышленных и экспериментальных сплавов различного фазового состава. Если деформационное упрочнение описывается уравнением S=Ken, где К – коэффициент yпрочнения, то при обработке диаграммы нагружения в логарифмических координатах получается: ln(ДSу)=lnK-nln(Дe), где показатель n, определяемый графически, является параметром описывающим закономерности деформационного упрочнения.

Показано, что в изученном интервале температуры и степени деформации для технически чистого титана сохраняется один и тот же показатель деформационного упрочнения n=0,91, не зависящий от размера зерна и предварительной деформации. На основании анализа данных механических испытаний и структурных исследований для сплава ВТ1-0 с размером зерна 15 и 100 мкм построены диаграммы “истинная деформация-температура” (ИДТ), каждая из которых представляет собой систему температурных зависимостей критических деформаций смены структурного состояния в процессе пластической деформации.

Для изучения особенностей деформации сложно легированных титановых сплавов (у которых за счет легирования и термомеханической обработки можно в широких пределах изменять соотношение б, в и щ-фаз) также предложено использовать определение показателя деформационного упрочнения n, по численному значению которого можно однозначно определить фазу, контролирующую деформацию материала. Иллюстрируется влияние фазового состава сплава и морфологии фазовых составляющих на численное значение n. Показатель деформационного упрочнения изменяется от 0,51 в случае пластинчатых структур, когда в-фаза расположена