CC BY
27
МЕЖФАЗНЫЕ СЛОИ И ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НИХ
УДК 538.971, 620.179.1
3D-АНАЛИЗ ИЗЛОМОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ
АХАТОВА А.Ф., *САРКЕЕВА А.А., *КРУГЛОВ А.А., *СИСАНБАЕВ А.В., АЛЕКСАНДРОВ ИВ.
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12
*Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
АННОТАЦИЯ. В эксплуатационных условиях детали конструкции часто испытывают ударные нагрузки, в результате которых, происходит зарождение и развитие трещин в металле, приводящих к его разрушению. Для прогнозирования поведения металла в условиях динамической нагрузки необходим качественный и количественный анализ поверхности разрушения. В данной работе проведен 3D-анализ поверхности изломов титанового сплава ВТ6 после динамических испытаний (на ударный изгиб) с использованием метода лазерной сканирующей микроскопии (ЛСМ). Комплексное сравнение фрактограмм провели для крупнозернистого (КЗ) и ультрамелкозернистого (УМЗ) структурных состояний сплава ВТ6.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: титановый сплав ВТ6, динамические испытания (на ударный изгиб), фрактография поверхности излома, лазерный сканирующий микроскоп, 3D-анализ рельефа разрушения.
ВВЕДЕНИЕ
Рельеф поверхности разрушения исследуют с помощью фрактограмм и профилограмм [1, 2]. В обзоре [3] даны характеристики применяемых методов съемки фрактограмм поверхности разрушения. Возможности этих методов определяются тремя основными параметрами: разрешением в плоскости снимка, разрешением по высоте рельефа и «глубиной резкости» (размерами четко видимой области по высоте).
Съемка фрактограмм на оптическом микроскопе возможна лишь при достаточно плоском рельефе излома, т.к. при увеличении ~ 500х глубина резкости ~ 2 мкм. Интерференционные световые микроскопы позволяют изучать рельеф с разрешением высоты ~ 0,1Х, где X ~ 0,6 мкм - длина волны света. Для многолучевых и фазоконтрастных микроскопов допустимый перепад высот < 10Х при разрешении ~ 0,01Х, что не подходит для количественного анализа изломов с глубиной > 500 мкм. Фокусное расстояние до объектива также ограничивают допустимую общую высоту рельефа [4].
Анализ рельефа поверхности разрушения неоптическими сканирующими зондовыми устройствами имеют ряд преимуществ и недостатков. Наилучшее разрешение по высоте дает сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Вместе с тем, разрешение зависит от радиуса острия щупа и глубины щели на сканируемой поверхности. Кроме того, туннельный ток искажается при прохождении щелей на изломе. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) имеет небольшой размер поля сканирования ~ 150*150 мкм. Максимальный перепад высот составляет несколько микрон. Качество изображения также определяется радиусом кривизны кончика зонда и при неправильном выборе приводит к появлению артефактов. АСМ-сканирование поверхности не такое быстрое, как у растрового электронного микроскопа (РЭМ). Для получения изображения, требуется от нескольких минут до нескольких часов. Из-за низкой скорости развёртки АСМ-изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, что уменьшает точность измерения рельефа. РЭМ способен работать практически в реальном времени, но с относительно невысоким качеством. К тому же образцы ограничены размерами и требуют вакуумирования.
В последние годы для исследования деформационного рельефа поверхности и рельефа разрушения различных материалов активно применяется метод ЛСМ [5 - 13]. Концепция конфокальной микроскопии была разработана в середине 1950-х [14], но широкое распространение получило лишь с развитием компьютерной и лазерной техники. Конфокальный микроскоп создаёт чёткое изображение образца, которое при использовании обычного микроскопа представляется размытым. Это достигается за счет того, что апертура пропускает только свет из тонкой фокусной плоскости и отсекает весь остальной, который не попадает на фокальную плоскость объектива микроскопа. При сложении множества оптических срезов со сдвигом по глубине получается изображение с намного лучшим контрастом, чем в обычном оптическом микроскопе. Существует ряд работ [15 - 17] посвященных фрактографии излома при помощи ЛСМ и сравнению с другими известными методами анализа поверхностей.
В настоящей работе представлены результаты применения метода ЛСМ для 3D-анализа изломов после испытаний на ударный изгиб титанового сплава ВТ6 с различным структурным состоянием.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Материалом исследования является двухфазный титановый сплав ВТ6 (вес. %: 6,5 А1; 5,1 V; 0,3 Fe; 0,1 Si; 0,2 О; 0,1 С; 0,05 К; 0,015 Н; 0,3 гг, остальное Тф в двух структурных состояниях (КЗ и УМЗ), которые представлены на рис. 1. Пластинчатая КЗ структура была получена вакуумным отжигом при температуре 1000 °С и представлена а-колониями, декорированными Р-фазой (рис. 1, а). Средний размер Р-превращенных зерен составляет 500 мкм, толщина а-пластин - 8 мкм, средняя длина а-пластин - 100 мкм, размер а-колоний - 130 мкм. Структура УМЗ сформирована в результате всесторонней изотермической ковки в (а+р)-области со ступенчатым понижением температуры до 600 °С [18]. Средний размер зерен составляет 0,5 мкм (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1. Микроструктура сплава ВТ6 в различных состояниях: а) КЗ и б) УМЗ
Ударную вязкость определяли в соответствии с ГОСТ 9454-84 с использованием стандартных образцов с размерами 10x10x55 мм3 и и-образным надрезом при комнатной температуре на копре с падающим грузом 1ш^оп CEAST 9350 и записью диаграмм нагружения в координатах «сила - перемещение». Разделение полной работы разрушения на ее составляющие - работу зарождения трещины и работу распространения трещины
осуществлялось по методике, описанной в монографии [19]. Согласно этой методике, площадь под восходящей частью кривой ударного нагружения соответствует Аз - работе зарождения трещины, а под ниспадающей частью - Ар - работе ее распространения. Структурные исследования проводили на растровом электронном микроскопе «TESCAN MIRA3 LMU». Тонкие фольги изучали на электронном микроскопе «JEM-2000 EX».
Сканирование поверхности разрушения металла проводили на 3D-микроскопе «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Германия). Рельеф обрабатывали с помощью программы анализа изображений «ZEN». Согласно стандартам ISO 4287:1997 и Eur 15178EN определяли локальные и интегральные (усредненные по всей снимаемой области) характеристики рельефа «RSi» [20]. Для удаления шумов использовали медианный фильтр. За расчетный профиль принимали исходный (P), в котором велся учет как профиля шероховатости (R), так и профиля волнистости (W). При анализе излома с учетом множества профильных и пространственных амплитудных параметров наиболее существенными являются:
1 П I
а) Ra = — I z(x) dx - арифметическое значение абсолютных отклонений профиля от
/ ^
'г 0
средней линии, где z(x) - отклонение профиля от средней линии, /г - базовая длина измерения шероховатости;
б) Rq =
1 'г
/г 0
Jz(x)2 dx - среднее квадратичное отклонение высот профиля;
в) Яг = Яр + Яу - размах профиля в пределах базовой длины, где Яу - наибольшая глубина профиля относительно средней линии в пределах базовой длины, Яр - наибольшая
высота профиля относительно средней линии в пределах базовой длины.
Амплитудные пространственные параметры находили суммированием профильных параметров по участку поверхности (площадь сканируемой поверхности S = 6,5 мм2) и обозначаются соответственно PSa - среднее арифметическое отклонение, PSq - среднее квадратичное отклонение, PSz - размах профиля. Из интегральных параметров наиболее интересными являются площадь истинной поверхности и относительная площадь
поверхности Sdr = ^аа/$-1)^100 %. Площадь Sda строится методом конечных элементов и является суммой всех треугольников, образованных соседними точками поверхности. Величина Sdr показывает, во сколько раз сканируемая поверхность превышает базовую. Абсолютно плоские поверхности равны базовой плоскости = 0 %).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты испытаний на ударный изгиб представлены в виде диаграммы «сила -перемещение» на рис. 2. Полную работу разрушения образца определяли как площадь под кривой, ударную вязкость - отношение полной работы на площадь сечения испытываемого образца. Из данных видно (табл. 1), что ударная вязкость КЗ титанового сплава выше, чем УМЗ [21]. Подобные результаты наблюдались в работах [22, 23]. Для определения влияния структуры на процесс разрушения титанового сплава ВТ6 была проведена количественная оценка работы зарождения и распространения трещины. Установлено, что максимальную работу распространения трещины, равную 26 Дж, имеет КЗ структура, в то время как в УМЗ структуре данная величина составляет всего 8 Дж. Достоинством УМЗ материала является высокая работа зарождения трещины, равная 27 Дж и превышающая аналогичную характеристику для КЗ сплава на 20 %.
Рис. 2. Диаграммы нагружения образцов: а) КЗ и б) УМЗ Ударная вязкость титанового сплава ВТ6
Таблица 1
Параметры КЗ УМЗ КЗ/УМЗ
Аз, Дж 18 27 0,7
Ар, Дж 30 9 3,3
Аобщ., Дж 48 36 1,3
КСи, МДж/м2 0,61 0,47 1,3
Как показали полученные результаты, основной вклад в процесс разрушения крупнокристаллического материала вносит работа распространения трещины (табл. 1). Об этом свидетельствуют также высокие значения среднеарифметической и среднеквадратической шероховатости (табл. 2). При этом размах профиля в пределах базовой длины достигал ~ 1 мм. Трещина в КЗ структуре проходит гораздо больший путь, чем в УМЗ структуре за счет ее торможения на границах а-колоний из-за различной их ориентировки, образования вторичных трещин и ветвления магистральной трещины [24]. Относительная площадь поверхности излома КЗ титанового сплава ВТ6 составила ~ 6000 % от базовой плоскости. По сравнению с КЗ материалом профиль излома УМЗ материала не развит - относительная площадь поверхности составляет 270 % от базовой (рис. 3). При этом амплитудные параметры для УМЗ структуры примерно в ~ 6...9 раз меньше, чем для КЗ структуры.
Таблица 2
Морфология излома титанового сплава ВТ6
Параметры КЗ УМЗ КЗ/УМЗ
РБа, мкм 115 19 6,1
РБФ мкм 143 23 6,2
РБ2, мкм 949 106 9
Б<ь, мм2 397 24 16,5
Бд-, % 6070 270 22,4
а) б)
Рис. 3. Поверхности разрушения образцов сплава ВТ6 после испытаний на ударный изгиб в различных состояниях: а) — крупнозернистая пластинчатая; б) — ультрамелкозернистая
ВЫВОДЫ
ЛСМ является эффективным методом ЭЭ-анализа поверхности разрушения, которая более корректно характеризуется поверхностными, а не профильными параметрами. Количественная оценка интегральных параметров поверхности дает нам возможность обосновать связь между энергией разрушения и процессами, формирующими излом. В случае титанового сплава ВТ6 основной вклад в работу разрушения в УМЗ-структуре вносит зарождение трещины, а в КЗ структуре ее распространение. Высокие значения работы распространения обусловлены большой площадью разрушения из-за частого отклонения трещины от магистрального направления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций: синергетика в инженерных приложениях. Уфа : Изд-во науч.-техн. литературы «Монография», 200Э. 804 с.
2. Лепов В.В., Иванов А.М., Логинов Б.А., Беспалов В.А., Ачикасова B.C., Закиров P.P., Логинов В.Б. Механизм разрушения наноструктурированной стали при низких температурах // Российские нанотехнологии. 2008. Т. Э, № 11-12.
3. Штремель М.А. Возможности фрактографии // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 5. С. Э5-4Э.
4. Кирилловский В.В. Оптические измерения. Часть Э. Функциональная схема прибора оптических измерений. Типовые узлы. Оптические измерения геометрических параметров : уч. пособие. СПб. : Изд-во СПбГУ ИТМО, 2004. 67 с.
5. Ямщикова С.А., Кравцов В.В., Сисанбаев А.В. Огнезащита металлических конструкций модифицированными вспучивающимися покрытиями // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2009. № 2. С. 41-43.
6. Ямщикова С.А., Кравцов В.В., Сисанбаев А.В., Искандаров А.Р. Повышение огнестойкости металлических конструкций нанесением интумесцентных составов // Сб. трудов Междунар. НТК «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук». Уфа : Изд-во УГНТУ, 2009. Вып. 4. С. 112-114.
7. Бакиев А.В., Сандаков В.А., Сисанбаев А.В. Структурная природа деградации механических свойств металла газопроводов системы газоснабжения // Ростехнадзор. Приуралье. 2010. № 2. С. 12-15.
8. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Температурная зависимость деформационного рельефа наноструктурного титанового сплава после сверхпластической формовки // Перспективные материалы. 2011. № 12. С. 258-261.
9. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Взаимосвязь деформационного рельефа поверхности и степени поврежденности стали при малоцикловом нагружении // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № Э. С. 426-429.
10. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Кузеев И.Р. Исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали лазерным сканирующим методом // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 4. С. 569-57Э.
11. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Исследование взаимосвязи деформационного рельефа и степени поврежденности стали // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79, № 2. С. 42-44.
12. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Кузеев И.Р. Методика исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79, № 7, ч. 1. С. 44-42.
13. Сисанбаев А.В., Демченко А.А., Демченко М.В., Шалимова А.В., Зубаиров Л.Р., Мулюков Р.Р. Особенности деформационного рельефа поверхности металлической ленты, полученного при сдвиге под высоким давлением // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15, №4. С. 610-615.
14. Minsky M. Microscopy Apparatus // Patent US 3013467. 1961.
15. Seah M., Chiffre L. Surface and Interface Characterization // Springer Handbook of Materials Measurement Methods. 2006. Part B. Р. 229-280.
16. Lange D.A., Jennings H.M., Shah S.P. Analysis of surface roughness using confocal microscopy // Journal of Materials Science. 1993. V. 28, is. 14-15. Р. 3879-3884.
17. Cwajna J., Roskosz S. Application of confocal laser scanning microscopy, atomic force microscopy, and the profilometric method in quantitative fractography // Materials Characterization. 2001. V. 46. P. 183-187.
18. Valiakhmetov O.R., Galeyev R.M., Ivan'ko V.A. et al. The use of nanostructured materials and nanotechnologies for the elaboration of hollow structures // Nanotechnology in Russia. 2010. V. 5, is. 1-2. P. 108-122.
19. Георгиев М. Пукнатиноустойчивост на металите при ударно натоварване. София : БУЛВЕСТ, 2000 (2007). 231 с.
20. Д. Уайтхауз. Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы. М. : Интеллект Групп, 2009. 472 с.
21. Саркеева А.А., Лутфуллин Р.Я., Круглов А.А., Астанин В.В. Влияние структуры на механическое поведение титанового сплава ВТ6 при ударном нагружении // Письма о материалах. 2012. Т. 2, вып. 2. С. 99102.
22. Колачев Б.А., Вецман М.Г., Гуськова Л.Н. Структура и механические свойства отожженных а+Р титановых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. № 8. С. 54-57.
23. Малышева С.П., Мурзинова М.А., Жеребцов С.В., Салищев Г.А. Механические свойства ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ6 // Перспективные материалы. 2011. Т. 12. С. 316-320.
Eylon D., Banie P.J. Fatigue cracking characteristics of p-annealed large colony Ti-11 alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 1978/ Is. 9. Р. 1273-1279.
3D-ANALYSIS METHOD OF LAZER SCANING MICROSCOPY FRACTURES TITANIUM ALLOY VT6 AFTER THE BLOW BENDING TEST
Ahatova A.F., *Sarkeeva A.A., *Kruglov A.A., *Sisanbaev A.V., Aleksandrov I.V. Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia
*Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia
SUMMARY. In working conditions, the details of construction often experience shock effects, as a result of which is the emergence and development of cracks in the metal, leading to its destruction. To predict the behavior of metal under dynamic load required qualitative and quantitative analysis of the fracture surface. This paper presents a 3D-analysis of fracture surfaces of titanium alloy VT6 after dynamic tests (the blow bending) using laser scanning microscope (LSM). Complex comparison fraktogramm made for large grained (LG) and ultrafine grained (UFG) structure of the states VT6 alloy.
KEYWORDS: titanium alloy VT6, dynamic tests (the blow bending), fractography of the fracture surface, the laser scanning microscope, 3D-relief fracture analysis.
Ахатова Альфия Фагимовна, инженер УГАТУ
Саркеева Айгуль Анваровна, кандидат технических наук, младший научный сотрудник ИПСМРАН
Круглов Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН
Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН, тел. (347) 282-37-10, e-mail: [email protected]
Александров Игорь Васильевич, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики УГАТУ
