Кинетика усталостного разрушения титана в субмикрокристаллическом состоянии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.186.4+539.23+539.216.1:531

Клевцов Г.В.1, Валиев Р.З.2, Ботвина Л.Р.3, Клевцова Н.А.1, Семенова И.П.2, Кашапов М.Р.1, Фесенюк М.В.1, Солдатенков А.П.3

1Оренбургский государственный университет, Оренбург 2Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, Уфа 3Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва

КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТИТАНА В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

Показано, что РКУП-конформ, формируя субмикрокристаллическую структуру, повышает предел усталости титана Grade 4 за счет увеличения времени до зарождения усталостной трещины и более низкой скорости ее распространения по сравнению с исходным состоянием. Однако показатель n в уравнении Пэриса больше примерно в 2 раза. Это свидетельствует о повышенной чувствительности материала к перегрузкам в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: титан, равноканальное угловое прессование (РКУП), усталостное нагружение, разрушение, излом, скорость распространения усталостной трещины.

Введение

Известно [1] , что равноканальное угловое прессование (РКУП), формируя субмикрокристаллическую структуру, значительно повышает твердость, предел прочности и текучести материалов, однако снижает его пластичность. В работах [2, 3] показано, что предел усталости титановых материалов после РКУП также возрастает. Однако причины увеличения предела усталости пока не ясны.

Целью настоящей работы является исследование кинетики усталостного разрушения титана в исходном состоянии и после РКУП на стадии зарождения и распространения усталостной трещины.

Материал и методы исследования

В качестве исследуемого материала был использован титан Grade 4 в исходном состоянии со средним размером зерна 25 мкм, после РКУП-конформ в субмикрокристаллическом состоянии со средним размером зерна 300 нм.

Твердость титана до и после РКУП-кон-форм определяли по методу Роквелла (HRC) (ГОСТ 9013-59) с использованием ультразвукового твердомера МЕТ-У1. Определение стандартных характеристик титана при статическом растяжении (ГОСТ 1497-84) проводили на круглых образцах диаметром 3 мм и длиной рабочей части 15 мм.

Для определения предела усталости титана использовали цилиндрические образцы с рабочим диаметром 3 мм. Испытания проводили

на изгиб с вращением с частотой нагружения 50 Гц на базе 107 циклов. Для построения кинетических диаграмм усталостного разрушения титана использовали образцы размером 4х10х45 мм с надрезом, который выполнялся электроискровой резкой. Испытания таких образцов проводили на трехточечный изгиб при комнатной температуре согласно ASTME-6471 на машине «The Nano Plug’n’Play» фирмы BiSS P.Ltd. с частотой нагружения 15 Гц и коэффициентом асимметрии цикла R=0,2. Длину трещины, количество циклов нагружения и коэффициент интенсивности напряжений определяли автоматически по нагрузке и раскрытию трещины с помощью программного обеспечения используемой машины.

Результаты и их обсуждение

В таблице 1 представлены механические свойства титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ. Видно, что РКУП-кон-форм повышает твердость титана примерно в 1,3 раза. При этом прочностные характеристики (св, с02) возрастают примерно в 1,5 раза, а пластичность (5) снижается в 2,3 раза.

Таблица 1. Механические свойства титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ

Состояние HRC О., М П a ^^0,2, МПа S, %

Исходное состояние 25 700 550 30

РКУП-конформ 32 1020 880 13

1 E-647-00 - Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates

На рисунке 1 представлены кривые усталости титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ. Видно, что после РКУП-конформ предел усталости титана возрастает от 350 МПа до 590 МПа.

Чтобы понять причины повышения усталостной прочности титана после РКУП-кон-форм, исследовали кинетику развития усталостной трещины и построили кинетическую диаграмму усталостного разрушения титана в исходном состоянии и после РКУП-конформ. Зависимость длины усталостной трещины от числа циклов нагружения представлена на рисунке 2; кинетические диаграммы усталостного разрушения - на рисунке 3.

Из рисунка 2 видно, что РКУП-конформ приводит к увеличению количества циклов нагружения до появления усталостной трещины, что, вероятно, связано с более высокой прочностью материала после пластической обработки. Из рисунка 3 видно, что кинетическая диаграмма усталостного разрушения исследуемого материала после РКУП-конформ расположена ниже диаграммы усталостного разрушения материала в исходном состоянии. Из этого следует, что при одном и том же значении размаха коэффициента интенсивности напряжения (ЛК) скорость распространения усталостной трещины в титане после РКУП-конформ ниже, чем в исходном состоянии.

Представленные на рисунке 3 диаграммы хорошо описываются уравнением Пэриса для случая исходного состояния титана:

— = 4,31 • 10-11 ЛК3'46 dN

и после РКУП-конформ: dl

= 2,19 • 10-15 ЛК

dN

^6,34

Из приведенных уравнений видно, что в исходном состоянии титана показатель п в уравнении Пэриса равен 3,46, а после РКУП-кон-форм показатель в два раза выше и равен 6,34.

По-видимому, повышенная прочность титана после РКУП-конформ обусловливает и более высокий показатель в уравнении Пэриса. Однако из этого следует [4], что кратковременные перегрузки (резкое увеличение ЛК) при эксплуатации титана после РКУП-конформ вызовут большее увеличение скорости распространения усталостной трещины, чем в исходном

Рисунок 1. Кривые усталости титана Grade 4 в исходном состоянии (1) и после РКУП-конформ (2)

Рисунок 2. Зависимость длины усталостной трещины (l) от числа циклов нагружения (N) для титана Grade 4 в исходном состоянии (левый график) и после РКУП-конформ (правый график)

Рисунок 3. Кинетические диаграммы усталостного разрушения титана Grade 4 в исходном состоянии (верхний график) и после РКУП-конформ (нижний график)

состоянии, что неблагоприятно с позиции конструктивной прочности материала.

Заключение

РКУП-конформ, формируя субмикрокри-сталлическую структуру, приводит к увеличению предела усталости титана Grade 4 за счет увеличения долговечности титана на стадии зарождения трещины и более низкой скорости

распространения усталостной трещины по сравнению с исходным состоянием. Однако коэффициент n в уравнении Пэриса для титана Grade 4 после РКУП-конформ практически в 2 раза больше, чем для титана в исходном состоянии, что свидетельствует о повышенной чувствительности материала к перегрузкам (резкому увеличению ЛК) в процессе эксплуатации.

20.06.2012

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП (ГК № 16.513.11.3018) и РФФИ (проект № 11-08-00208)

Список литературы:

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.

2. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В., Щербаков А.В., Якушина Е.Б. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации // Российские нанотехнологии. - 2008. - Т. 3, №9-10. - С. 80-89.

3. Клевцова Н.А., Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Семенова И.П., Фесенюк М.В. Усталостное разрушение образцов из титана и титанового сплава в микрокристаллическом и субмикрокристаллическом состояниях // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010. - №1. - С. 134-138.

4. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. - М.: МИСиС, 2007. - 264 с.

Сведения об авторах:

Клевцов Г.В., профессор кафедры радиофизики и электроники Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 372825, e-mail: klevtsov11948@mail.ru Валиев Р.З., директор Института физики перспективных материалов УГАТУ, доктор физикоматематических наук, профессор 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, тел. (342) 2733422, e-mail: RZValiev@mail.rb.ru Ботвина Л.Р., ведущий научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, доктор технических наук, профессор 119911, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 49, тел. (495) 1359683, е-mail: botvina@ultra.imet.ac.ru Клевцова Н.А., доцент кафедры радиофизики и электроники Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 372825 Семенова И.П., старший научный сотрудник Института физики перспективных материалов при

УГАТУ, доктор физико-математических наук 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, тел. (342) 2733422, e-mail: RZValiev@mail.rb.ru Кашапов М.Р., аспирант кафедры радиофизики и электроники Оренбургского государственного

университета

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 372825, e-mail: sham_87@bk.ru Фесенюк М.В., соискатель Оренбургского государственного университета 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 372825, e-mail: maksim_fesenyuk@mail.ru Солдатенков А.П., инженер Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН 119911, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 49, тел. (495) 1359683, е-mail: al_soldatenkov@mail.ru