CC BY
4
Прикладная математика & Физика, 2022, том 54, № 4. С. 266-270.
УДК669.295; 544.022 DOI 10.52575/2687-0959-2022-54-4-266-270
оригинальное исследование
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА TI/TIB ПОСЛЕ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
М. С. Болдин1 , М. С. Озеров2 , В. С. Соколовский2 , Е. А. Поволяева2
(Статья представлена членом редакционной коллегии А. В. Носковым)
1Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Нижний Новгород, 603950, Россия 2Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Белгород, 308015, Россия
E-mail: ozerov@bsu.edu.ru, sokolovskiy@bsu.edu.ru, povolyaeva@bsu.edu.ru, zherebtsov@bsu.edu.ru
Аннотация. Беспористый высокопрочный металл-матричный композит Ti/TiB был получен методом искрового плазменного спекания при температуре 1000 °C. Было установлено, что после горячей прокатки композит показал несколько повышенный предел текучести и значительно улучшенные показатели пластичности по сравнению с исходным состоянием: горячекатаный образец разрушился при степени деформации на сжатие 25 %, тогда как пластичность для исходного состояния составляла 12 %. Значения предела текучести составили 930 и 1200 МПа для исходного и горячекатаного состояний, соответственно. Показано заметное улучшение высокотемпературных механических свойств композита: при температуре растяжения 500 °C пластичность в исходном состоянии составила 3% , горячекатаный образец показал значение относительного удлинения ~ 13%.
Ключевые слова: титановые сплавы, деформация, эволюция микроструктуры, глобуляризация
Благодарности: Исследования выполнены при финансовой поддержке внутривузовского гранта НИУ БелГУ по поддержке коллективов молодых ученых «Молодые лидеры в науке».
Для цитирования: Болдин М. С., Озеров М. С., Соколовский В. С., Поволяева Е. А., Жеребцов С. В. 2022. Механические свойства композита TI/TIB после горячей прокатки. Прикладная математика & Физика, 54(4): 266-270. d0i 10.52575/2687-0959-2022-54-4-266-270
MECHANICAL PROPERTIES OF THE TI/TIB COMPOSITE AFTER HOT ROLLING
Maxim Boldin 1 , Maxim Ozerov 2 , Vitaliy Sokolovsky2 , Elizaveta Povolyaeva ,
Sergey Zherebtsov2
{Article submitted by a member of the editorial board A. V. Noskov)
JNizhny Novgorod State University, N. I. Lobachevsky, Nizhny Novgorod, 603950, Russia 2Belgorod National Research University, Belgorod, 308015, Russia
E-mail: ozerov@bsu.edu.ru, sokolovskiy@bsu.edu.ru, povolyaeva@bsu.edu.ru, zherebtsov@bsu.edu.ru u
Received November, 29, 2022
Abstract. A non-porous high-strength Ti/TiB metal-matrix composite was obtained by spark plasma sintering at a temperature of 1000°C. It was found that after hot rolling, the composite showed slightly increased yield strength and significantly improved ductility compared to the initial state: the hot-rolled sample failed at a compressive strain of 25 %, while the ductility for the initial state was 12 %. The values of the yield strength were 930 and 1200 MPa for the initial and hot-rolled states, respectively. A noticeable improvement in the high-temperature mechanical properties of the composite was shown: at a tension temperature of 500 °C, the ductility in the initial state was 3%, and the hot-rolled sample showed a relative elongation value of ~ 13%.
Keywords: Titanium Alloy, Compression, Microstructure Evolution, Globularization
Acknowledgements: The research was carried out with the financial support of the intra-university grant of the Belgorod National Research University for the support of teams of young scientists "Young Leaders in Science".
For citation: Boldin M., Ozerov M., Sokolovsky V., Povolyaeva E., Zherebtsov S. 2022. Mechanical properties of the TI/TIB composite after hot rolling. Applied Mathematics & Physics, 54(4): 266-270. {in Russian). doi 10.52575/2687-0959-2022-54-4-266-270
1. Введение. За счет комплекса привлекательных свойств (высокая удельная прочность, коррозион-
ная стойкость, биосовместимость) титан и титановые сплавы широко востребованы в промышленности
и медицине [4]. Однако применение титана и низколегированных титановых сплавов часто ограничивается их недостаточно высокой абсолютной прочностью, твердостью и износостойкостью. Упрочнение титана может быть достигнуто за счет создания металл-матричных композитов (ММК) с использованием в качестве армирующего компонента таких высокотвердых соединений, как TiB, TiC, TiN [2, 5, 7, 9]. При этом, по сравнению с остальными упрочнителями, TiB имеет высокую устойчивость при температурах синтеза, близкую к титану плотность и коэффициент термического расширения, а также обладает хорошим кристаллографическим сопряжением с титановой матрицей, обеспечивая тем самым минимальные остаточные напряжения [6, 10]. На сегодняшний день плазменное спекание (ИПС) является одним из самых перспективных методов создания композиционных материалов. ИПС позволяет проводить синтез при низкой температуре и за короткое время, что, с одной стороны обеспечивает высокую производительность метода при достижении практически 100 % плотности заготовок, а с другой не ведет к существенному росту структурных элементов, позволяя получать наноструктурное состояние в композите [1]. В ходе искрового плазменного синтеза смеси порошков титана и диборида титана (TiB2) протекает химическая реакция Ti+TiB2=2TiB, в результате чего в титановой матрице образуется прочная нитевидная фаза TiB [3, 10]. В настоящее время для изготовления режущего инструмента применяются в основном коррозионностойкие стали. Титановые сплавы обладают конкурентным преимуществом перед сталями в области их применения в специальных условиях. К примеру, при работе режущего инструмента в условиях агрессивной среды (морская вода) развивается морская и контактная коррозия, стальной инструмент быстро разрушается. Для расширения области применения и увеличения требуемого баланса технологических свойств композита Ti/TiB необходимо наличие комплексных исследований по поиску повышения пластических свойств данного материала. Одним из путей повышения пластичности титана и сплавов на его основе является деформационно-термическая обработка. Прокатка - относительно простой метод пластической деформации, с помощью которого можно повысить механические свойства металла. Таким образом, данная работа направлена на исследование влияния горячей прокатки на структуру и механические свойства композита Ti/TiB.
2. Материал и методики. В данной работе композит Ti/TiB с весовым содержанием армирующего компонента TiB2 5 % был получен искровым плазменным спеканием при 1000 °C. Призматические образцы размером 4 x 10 x 30 мм3 вырезали из гомогенизированных цилиндров с помощью аппарата электроэррозионной резки Sodick AQ300L. Затем образцы нагревали до 1000 °C и прокатывали в неизотермических условиях до общей деформации по толщине 0,7 (уменьшение толщины на 55 %). Однонаправленную многопроходную прокатку выполняли с обжатием за проход ~ 0,25 мм с выдержкой 10 мин в печи, нагретой до 1000 °С, через каждые 2 прохода. Дальнейшая прокатка (уменьшение толщины более 55 %) привела к образованию поверхностных трещин на боковых гранях, скорее всего, из-за значительного охлаждения поверхностных слоев при неизотермическом деформировании.
Испытания на сжатие обоих состояний (исходной и после прокатки) композита проводились при комнатной температуре и номинальной скорости деформации 10-4 с-1 на испытательной машине Instron 5882 с использованием образцов размером 3x3x5 мм3. Механические испытания на растяжение проводили на плоских образцах с длиной рабочей части 4 мм и поперечным сечением 1,5x3,0 мм2. Перед испытаниями образцы тщательно шлифовали и полировали. Деформация образцов осуществлялась на универсальной испытательной машине Instron 5882 при комнатной и повышенных температурах (300-700 °С) и начальной скорости деформации 10-3 с-1. Поверхность изломов композита исследовали с помощью растровой электронной микроскопии (СЭМ). СЭМ проводили с использованием электронного сканирующего микроскопа FEI Quanta 600 FEG при ускоряющем напряжении 30 кВ.
3. Результаты и их обсуждение. Кривые деформации композита Ti/TiB в исходном и горячекатаном состояниях, полученные после одноосного сжатия при комнатной температуре, представлены на рисунке 1. Удалось установить, что после горячей прокатки композит показал несколько повышенный предел текучести и значительно улучшенные показатели пластичности по сравнению с исходным состоянием. Так, горячекатаный образец разрушился при степени деформации на сжатие 25 %, тогда как пластичность для исходного состояния составляла существенно меньшее значение - 12 %. Показатели предела текучести составили 930 и 1200 МПа для исходного и горячекатаного состояний, соответственно. Также была измерена микротвердость двух состояний. Стоит отметить существенное повышение значений микротвердости прокатанного образца: по сравнению с исходным состоянием значения микротвердости увеличились с 480 до 550 HV.
Горячая прокатка также заметно улучшила высокотемпературные механические свойства композита (Рис. 2). Хотя при 400 °С ни в одном из состояний сплава не наблюдалось стадии пластического течения, образцы после горячей прокатки разрушались при гораздо более высоких напряжениях, чем в исходном состоянии. Повышение температуры растяжения до 500 °C привело к очень ограниченной пластичности (удлинение около 3 %) в исходном состоянии. В то же время горячекатаный образец показал выраженное относительное удлинение ~ 13 %. В то же время достаточно быстрая локализация пластического течения в композите свидетельствует об ограниченной способности материала к упрочнению. Величина предела
прочности при растяжении композита при 500 °С составила ~ 480 МПа.
Рис. 1. Кривые напряжение-деформация, полученные после испытаний на сжатие при комнатной температуре образцов композита Ti/TiB в исходном состоянии и после прокатки Fig. 1. Stress-strain curves obtained after compression tests at room temperature of Ti/TiB composite specimens
in the initial state and after rolling
to С
600 500 400
ш
g 300
X к
§■ 200
со X
100
Ti/TiB+npo катка
раст. 400 Ti/TiB раст. 500°С
Ti/TiB+прокатка
раст. 500°С
f Ti/TiB раст. 400°С
10
5, %
15
20
Рис. 2. Кривые напряжение-деформация композита в исходном и испытанном горячекатаном состояниях, полученные после испытаний на растяжение при 400 или 500 °С Fig. 2. Stress-strain curves of the composite in the initial and tested hot-rolled states, obtained after tensile tests at 400
or 500 °C
Изображения поверхностей излома образцов композита ТС/ПБ в исходном состоянии (Рис. 3а) и после горячей прокатки (Рис. 3б), испытанных на растяжение при 500 °С, показали значительную разницу в механизмах разрушения. Исходное состояние продемонстрировало хрупкий характер разрушения с фасетками, а также местами, соответствующими межкристаллитному разрушению (Рис. 3а).
После горячей прокатки испытуемый образец имел явную вязкую поверхность излома с образованием типичных ямок (Рис. 3б). Анализируя данные кривых, напряжение-деформация после растяжения при 500 °С и анализа разрушения, можно предположить о незначительном снижении температуры хрупко-вязкого перехода (на ~ 100 °С) для горячекатаного композита по сравнению с исходное состояние, ранее наблюдавшееся в этих композитах после многоосной изотермической деформации [8].
v ■ 1 ,r Межкристаллитное разрушение^^^ Ямочный^
излом ш ^^^ШкгТЗШ ш) г'сГ"»
/ t \ i л 1 ГНВ «у j \ .1, 7 If г ; у X 1 U,
Kffffll J 5 мкм
а б
Рис. 3. Поверхности излома образцов, испытанных на растяжение при 500 °С в исходном состоянии (а) и после
горячей прокатки (б); СЭМ-изображения Fig. 3. Fracture surfaces of tensile tested specimens at 500 °C in the initial condition (a) and after hot rolling (b); SEM images
4. Заключение. После испытаний на сжатие при комнатной температуре было установлено, что после горячей прокатки композит Ti/TiB показал повышенный предел текучести и значительно улучшенные показатели пластичности по сравнению с исходным состоянием: горячекатаный образец разрушился при степени деформации на сжатие 25 %, тогда как пластичность для исходного состояния составляла 12 %. Значения предела текучести составили 930 и 1200 МПа для исходного и горячекатаного состояний, соответственно. После высокотемпературных испытаний на растяжение показано существенное улучшение высокотемпературных механических свойств композита: при температуре растяжения 500 °C пластичность в исходном состоянии составила 3 %, тогда как горячекатаный образец показал значение относительного удлинения ~ 13 %. После растяжения при 500 °С исходное состояние композита продемонстрировало хрупкий характер разрушения, соответствующий межкристаллитному разрушению, в то время как горячекатаный ММК демонстрировал явную вязкую поверхность разрушения с образованием характерных ямок.
References
1. Feng H., Zhou Yu, Jia D., Meng Q., Rao J. 2006. Growth Mechanism of In Situ TiB Whiskers in Spark Plasma Sintered TiB/Ti Metal Matrix Composites, Cryst. Growth Des. 7: 1626-1630.
2. Godfrey T. M. T., Goodwin P. S., Ward-Close C. M. 2000. Titanium particulate metal matrix composites—Rein-for-cement, production methods, and mechanical properties, Adv. Eng. Mater., 2: 85-91.
3. Huang L., Cui X., Geng L., Fu. Y. 2012. Effects of rolling deformation on microstructure and mechanical properties of network structured TiBw/Ti composites, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 22: 79-83.
4. Leyens C., Peters M. 2003. Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications. - Wiley-VCH: Weinheim. 499.
5. Lindroos V. K., Talvitie M.J.J. 1995. Recent advances in metal matrix composites, Mater. Process. Technol., 53: 273-284.
6. Morsi K., Patel V. V. 2007. Processing and properties of titanium-titanium boride (TiBw) matrix composites — a review, J. Mater. Sci., 42: 2037-2047.
7. Ozerov M., Klimova M., Vyazmin A., Stepanov N., Zherebtsov S. 2017. Orientation relationship in a Ti/TiB metal-matrix composite, Mater. Lett., 186: 168-170.
8. Ozerov M., Klimova M., Sokolovsky V., Stepanov N., Popov A., Boldin M., Zherebtsov S. 2019. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti/TiB metal matrix composite during isothermal multiaxial forging. J. Alloys Compd. 770, 840-848.
9. Radhakrishna Bhat B. V., Subramanyam J., Bhanu Prasad V. V. 2002. Preparation of Ti-TiB-TiC & Ti-TiB composites by in-situ reaction hot pressing, Mater. Sci. Eng. A., 325: 126-130.
10. Ragulya A. V. 2010. Fundamentals of Spark Plasma Sintering, in Encyclopedia of Materials. - Science and Technology (Eds. K. H. Juergen Buschow et al.), 5.
Конфликт интересов: о потенциальном конфликте интересов не сообщалось.
Conflict of interest: no potential conflict of interest related to this article was reported.
Поступила в редакцию 08.10.2022 Поступила после рецензирования 19.11.2022 Принята к публикации 29.11.2022
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Болдин Максим Сергеевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Научно-исследовательского физико-технического института, ННГУ им. Н. И. Лобачевского
пр. Гагарина, 23/3, Нижний Новгород, 603950, Россия Озеров Максим Сергеевич - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории объёмных наноструктурных материалов, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия
Соколовский Виталий Сергеевич - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории объёмных наноструктурных материалов, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия
Поволяева Елизавета Андреевна - аспирант, младший научный сотрудник лаборатории объёмных наноструктурных материалов, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Boldin Maxim Sergeevich - PhD, Researcher at the Research Institute of Physics and Technology, National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russia
Ozerov Maxim Sergeevich - PhD, Researcher, Laboratory of Bulk Nanostructured Materials, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
Sokolovsky Vitaliy Sergeevich - PhD, Researcher, Laboratory of Bulk Nanostructured Materials, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
Povolyaeva Elizaveta Andreevna - Postgraduate Student, Junior Researcher, Laboratory of Bulk Nanostructural Materials, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
