CC BY
17
УДК 669.295
С.А. Наприенко1, Д.В. Зайцев1, М.А. Попов1, А.В. Заводов1
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ41 ПРИ УДАРНОМ (ДИНАМИЧЕСКОМ) НАГРУЖЕНИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-2-60-68
Проведены механические испытания и определены характеристики трещиностойкости титанового сплава ВТ41 при ударном нагружении в интервале температур от -196 до + 700°С. Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) проведены фрактографические исследования изломов после испытаний сплава ВТ41, определены особенности разрушения и показана их связь с трещиностойкостъю материала. Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проведены исследования микроструктуры под поверхностью разрушения и показаны особенности формирования зоны пластической деформации при повышенных и пониженных температурах испытаний сплава ВТ41.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2.1. «Фундаментально-ориентированные исследования» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1 ].
Ключевые слова: титановый сплав ВТ41, трещиностойкостъ, фрактография, зона пластической деформации, скольжение, двойникование, дислокации.
Mechanical tests were conducted and the characteristics of fracture toughness of VT41 titanium alloy under shock loading in the temperature range from -196 to +700°C are determined. Using the method of scanning electron microscopy (SEM) the fractographic studies of the breaks after testing the VT41 alloy and the features of the destruction are determined and their connection to the fracture toughness of the materials is shown. By the transmission electron microscopy (TEM) method the studies of the microstructure under the fracture surface are conducted and features offormation of the plastic deformation zone at low and high temperatures test the VT41 alloy were shown.
Work is executed within implementation of the complex scientific direction 2.1. «Fundamental the oriented researches» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») [1 ].
Keywords: titanium alloy VT41, crack resistance, fractography, plastic deformation zone, sliding, twinning, dislocation.
^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Одним из условий развития двигателестроения является создание новых материалов, обладающих высокой прочностью, ударной вязкостью, жаропрочностью, стабильным уровнем свойств, а также высокими характеристиками трещиностойкости, обеспечивающими их эксплуатационную надежность [1-3].
На эксплуатационную надежность существенное влияние оказывает чувствительность сплавов к наличию концентратора напряжений и условиям нагружения деталей при эксплуатации [4-7].
При выборе материалов для различных деталей конструкций, особенно испытывающих в процессе работы ударные нагрузки, а также для оценки качества изготавливаемых полуфабрикатов исследуют характеристики разрушения при ударном изгибе. В последнее время помимо величины
ударной вязкости особое внимание уделяют таким характеристикам трещиностойкости, как разрушающее напряжение и динамический коэффициент интенсивности напряжений [8].
В некоторых исследованиях в качестве фрак-тографического критерия трещиностойкости предлагается использовать относительную глубину зоны однородного вязкого разрушения на поверхности изломов образцов [9-12] и полуширину губ среза [10]. В отдельных работах показана линейная зависимость глубины зоны вытягивания от величины J-интeгpала [13].
Обе точки зрения оправданы для отдельных групп материалов, но соотношение между различными фрактографическими особенностями, влияющими на характеристики трещиностойкости, может меняться в зависимости от материала и режимов испытаний.
Материалы с гексагональной плотноупакован-ной (ГПУ) решеткой характеризуются сильной анизотропией физических параметров, что оказывает влияние на характер пластической деформации [14]. В кристаллах в зависимости от соотношения параметров ГПУ решетки пластическая деформация реализуется путем скольжения в базисной {0001}, призматической_{11 00 } и пирамидальных {1011 } (I рода) и { 1 1 2 2} (II рода) плоскостях. Анализ дислокационной структуры материала позволяет определить особенности механизма пластической деформации при различных условиях испытаний.
Особое внимание уделяется глубокому изучению явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения, что неразрывно связано с внедрением новых методов локального исследования строения изломов [15-17].
Таким образом, исследования проводили в двух направлениях:
- определение механических свойств сплава ВТ41 в зависимости от температуры испытания при ударном изгибе;
- анализ процессов разрушения и механизмов деформации сплава ВТ41 в зависимости от температуры испытания при ударном изгибе.
Материалы и методы
В качестве объекта исследований использованы катаные прутки 018 мм из титанового псевдо-а-сплава ВТ41, % (по массе): 6,2A-4,0Sn-3,2Zr--1,2Mo-1,0Nb-0,4W-0,3 Si-0, Юг-0,03 C; 0,06<Fe<0,1.
Исходные заготовки подвергали стандартной термической обработке: нагрев до 1000°С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе+нагрев до 620°С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе [18, 19].
Из прутков в продольном направлении были вырезаны образцы для испытаний на трехточечный ударный изгиб типа V-Шарпи (5 х 10(8)х55 мм).
Испытания на трехточечный изгиб проводили на маятниковом копре PH300-CHV фирмы Wal-ter+bai ag, оснащенном датчиками нагрузки и лазерной оптоэлектронной системой определения прогиба образца и раскрытия трещины в процессе испытания. Образцы испытывали на ударный изгиб в интервале температур от -196 до +700°С с записью диаграмм «нагрузка-время».
При значениях максимальной нагрузки определяли предел прочности при динамическом нагружении по формуле:
3Р • l
фД _ max
в " 2Ък2 '
где Pmax - нагрузка; l - расстояние между опорами; h -высота рабочего поперечного сечения образца; b - ширина поперечного сечения образца.
Микроструктурные и фрактографические исследования проведены методами оптической и
растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопах Olimpus GX51 и JSM6490LV (фирма Jeol) соответственно. Количественный анализ микроструктуры проводили на аналитическом комплексе для обработки изображений Image Expert Pro3 фирмы NEXYS.
Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проведен качественный анализ структуры вблизи поверхности разрушения.
Образцы для ПЭМ вырезали из участков, параллельных плоскости излома, на глубине, не превышающей 500 мкм от поверхности разрушения. Полученные заготовки утонялись методом электролитической полировки до появления отверстия. Исследования проводили на просвечивающем электронном микроскопе JEM 200-CX при ускоряющем напряжении 160 кВ.
Результаты
Анализ структуры проводили на термообрабо-танных прутках в поперечном сечении.
Макроструктура материала матовая однородная мелкозернистая, соответствует первому типу по шкале макроструктур для титановых сплавов. Микроструктура имеет характерное глобулярно-пластинчатое строение, соответствует второму типу по шкале микроструктур для титановых сплавов (рис. 1). Проведенные количественные исследования показали, что глобули а-фазы имеют размеры от 4 до 25 мкм, а их объемная доля составляет —50%.
Из прутков в продольном направлении были изготовлены образцы для испытаний на трехточечный ударный изгиб. Испытания проводили в интервале температур от -196 до +700°С (при каждой температуре испытывали по три образца). Результаты испытаний приведены в табл. 1 и на рис. 2.
По результатам испытаний видно, что минимальное значение ударной вязкости (KCV) наблюдается при температуре испытаний -196°С. В интервале температур от -100 до +20°С значения KCV практически не изменяются и составляют —205 кДж/м2. При дальнейшем повышении температуры наблюдается стремительный рост значения ударной вязкости, которое при +600°С достигает своего максимума (590 кДж/м2). Дальнейшее повышение температуры испытаний приводит к резкому снижению значений KCV.
Значения 0 д значительно выше, чем значения св для сплава ВТ41 с бимодальной структурой в термообработанном состоянии (св=1120-1140 МПа). Данный эффект связан с двумя факторами: при испытании образцов с концентратором напряжений острой формы в его вершине реализуется объемно-напряженное состояние, что приводит к повышению возникающих напряжений; с повышением скорости нагружения значения напряжений также повышаются.
Изменение значений разрушающего напряжения (по сравнению с ударной вязкостью (KCV)) в
Рис. 1. Микроструктура катаного прутка из сплава ВТ41 в термообработанном состоянии
Результаты испытаний на ударный трехточечный изгиб
Таблица 1
Свойства Значения свойств при температуре, °С
-196 -100 +20 +100 +200 +300 +400 +500 +600 +650 +700
KCV, кДж/м2 155 208 202 281 464 488 531 553 590 561 317
о * , МПа 2010 2280 2130 2090 1950 1870 1750 1710 1660 1530 1310
о хю wo ÖM загс
Рис. 2. Зависимость ударной вязкости (•) и разрушающего напряжения (■) от температуры испытания
зависимости от температуры испытаний имеет иную картину. При температуре -100°С наблюдается максимальное значение о £ . При повышении температуры испытания до +600°С наблюдается линейное снижение значений разрушающего напряжения. Дальнейшее повышение температуры испытаний приводит к более стремительному снижению значений о £ .
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при повышении температуры испытания до +600°С происходит рост значений ударной вязкости. При этом ударная вязкость повышается благодаря увеличению пластичности, а не вследствие роста значений разрушающего напряжения. При дальнейшем повышении температуры испы-
тания разрушающее напряжение начинает падать значительно стремительнее, что приводит к снижению значений ударной вязкости (KCV).
После испытаний проводили фрактографиче-ское исследование образцов. Макроструктура изломов образцов, испытанных при различных температурах, представлена на рис. 3.
На исследуемых образцах определяли максимальные значения полуширины боковых скосов (X) и ширины зоны страгивания (5). С целью выявления зависимости этих характеристик от ударной вязкости и разрушающего напряжения при различных температурах проведены расчеты о * / X, КСЩу и о* /я. Результаты измерений и расчетов приведены в табл. 2.
а) 6) в/ г)
1мм 1мм 1мм
Рис. 3. Макроструктура (х15) изломов образцов после испытаний на ударную вязкость при температурах -196 (а), -100 (б), +20 (в), +100 (г), +200 (Э), +300 (е), +400 (ж), +500 (з), +600 (и), +650 (к) и +700°С (л)
Результаты определения фрактографических особенностей образцов
Таблица 2
Свойства Значения свойств при температуре, °С
-196 -100 +20 +100 +200 +300 +400 +500 +600 +650 +700
X, мм 0,33 0,55 0,46 1,01 1,08 1,21 1,37 1,40 1,62 1,17 1,01
КСУГК 471 377 444 279 430 339 389 416 361 479 315
о; / х 6092 4155 4690 2080 1807 1300 1284 1285 1027 1307 1305
s, мм 0,13 0,22 0,25 0,30 0,33 0,49 0,29 0,33 0,54 0,40 0,30
KCУ/s 1195 943 808 935 1406 996 1831 1676 1093 1403 1056
< / 5 15463 10386 8536 6967 5913 3819 6041 5179 3080 3822 4372
Рис. 4. Зависимость отношений ударной вязкости (а) и разрушающего динамического напряжения (б) к полуширине боковых скосов и ширине зоны страгивания от температуры испытания: • - КСУ/Х; ■ - КСУЛ; О - о* / X ; □ - о» / 5
Видно, что значения ударной вязкости и разрушающего напряжения имеют зависимость от полуширины боковых скосов и ширины зоны страгивания. При этом КСУ/Х и КСУЛ- имеют линейную зависимость (Дх)=й) от температуры испытания, а отношение о д / X и о" / 5 - зависимость по-
■ в ь
казательной убывающей функции /(х)=ах (где 0<а<1), и при температуре испытаний >(200-300)°С приходит к линейной зависимости (рис. 4).
Следует отметить значительный разброс значений КСУ/5 и о" / 5. По-видимому, это связано с влиянием субъективных факторов при оценке ширины зоны страгивания, к которым приводят сложности при определении ее границы.
Исследование микроструктуры поверхности разрушения проводили в центральной части изломов образцов. Изломы образцов представлены пластичным ямочным рельефом (рис. 5). При повышении температуры испытания размер ямок увеличивается, а при температурах испытания выше +300°С появляется вытянутость ямок в направлении развития трещины. При температурах испытаний +650 и +700°С ямки становятся мельче, а вытянутость в направлении разрушения
пропадает. Проведенные исследования микроструктуры изломов образцов подтверждают результаты испытаний.
Для исследований методом ПЭМ были отобраны три образца (в исходном состоянии и после испытаний при температурах -100 и +600°С).
В а-фазе образца в исходном состоянии встречаются дислокационные сетки с крупной ячейкой, что свидетельствует о минимальных разориенти-ровках участков гексагональной плотноупакован-ной (ГПУ) решетки (рис. 6, а).
В кристаллической ГПУ решетке а-фазы образца после испытаний при температуре -100°С процессы пластической деформации характеризуются скольжением и двойникованием, причем двойникование происходит лишь в базисных плоскостях и встречается реже (рис. 6, б). Двойники формируются по механизму скольжения краевых дислокаций со сдвигом плотноупакован-ных слоев, и ширина двойников не превышает нескольких атомных слоев (рис. 6, в, г).
В структуре образцов после испытаний при температуре 600°С плотность полос скольжения и отдельных дислокаций в а-фазе значительно вы-
Рис. 5. Микроструктура центральной части изломов образцов из сплава ВТ41, испытанных при температурах -196 (а), -100 (б), +20 (в), +100 (г), +200 (Э), +300 (е), +400 (ж), +500 (з), +600 («), +650 (к) и +700°С (л)
0^2 мкм 0,1 мкм
Рис. 6. Структура, исследованная методом ПЭМ:
а - дислокационная сетка в а-фазе образца в исходном состоянии; б - пластическая деформация а-фазы после испытаний при -100°С; в - двойникование в а-фазе после испытаний при -100°С, полосы муара на плоскостях двойникования; г - двойникование в а-фазе после испытаний при -100°С, снимок в оси зоны [10 10] (плоскость двойникования параллельна электронному пучку); д, е -дислокационная структура в а-фазе образца после испытаний при +600°С
ше по сравнению с образцами, испытанными при -100°С, однако двойникования не наблюдается. После высокотемпературного испытания также наблюдаются дислокационные петли и сложные дислокационные образования (рис. 6, д, е).
Обсуждение и заключения
Испытания образцов из сплава ВТ41 позволили оценить трещиностойкость сплава при ударном нагру-жении в интервале температур от -196 до +700°С.
С повышением температуры испытания происходит повышение ударной вязкости (КСУ) сплава, и она достигает максимума (590 кДж/м2) при температуре испытания +600°С.
Фрактографические исследования показали, что разрушение образцов из сплава ВТ41 при динамическом нагружении происходит по механизму формирования пластичного ямочного рельефа с образованием боковых скосов и зоны страгивания.
По результатам исследования микроструктуры изломов образцов после испытаний при различных температурах установлено, что повышение температуры испытания приводит к увеличению пластичности ямочного рельефа, ширины боковых скосов и зоны страгивания. При этом максимальные величины полуширины боковых скосов и ширины зоны страгивания достигают своего максимума при температуре испытания +600°С.
На основании выполненных испытаний и фрактографических исследований можно заключить, что рост значений ударной вязкости при повышении температуры связан с увеличением пластичности материала вследствие увеличения полуширины боковых скосов, ширины зоны страгивания и пластичности ямочного рельефа.
Сопоставление максимальных значений ширины зоны страгивания и полуширины боковых скосов с трещиностойкостью образцов из сплава ВТ41, испытанных при различных температурах, показало, что данные особенности строения изло-
ма зависят от механических свойств материала. Однако значения максимальной ширины зоны страгивания имеют значительный разброс, что связано с влиянием субъективных факторов при оценке ширины зоны страгивания, к которым приводят сложности при определении ее границы.
Отношение ударной вязкости к полуширине боковых скосов имеет линейную зависимость от температуры испытания, а отношение разрушающего напряжения к полуширине боковых скосов -зависимость показательной убывающей функции.
Проведенные исследования микроструктуры а-фазы методом ПЭМ под поверхностью разрушения образцов из сплава ВТ41 после испытаний на ударный изгиб показали, что при низких температурах испытаний формирование зоны пластической деформации происходит по механизму сдвига в системах скольжения и двойникования.
Двойникование происходит в базисной плоскости {0001} по механизму скольжения краевых дислокаций со сдвигом плотноупакованных слоев в направлении [ 1210] , а ширина двойников не превышает нескольких атомных слоев.
При температуре испытаний +600°С формирование зоны пластической деформации реализуется как по механизму сдвига в системах скольжения, так и в результате генерирования дислокационных петель, формирующих сложные дислокационные конструкции.
При различных температурах испытаний в кристаллической ГПУ решетке наблюдается анизотропия свойств, обусловленная геометрией самой решетки.
По-видимому, микродвойники, наблюдаемые в базисных плоскостях образцов, испытанных при низких температурах, образуются вследствие ограничения действия систем скольжения в ГПУ решетке при пониженных температурах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта 14-08-31606.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Каблов E.H. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
3. Кашапов О.С., Новак A.B., Ночовная H.A., Павло-
ва ТВ. Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №3. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 10.03.2015).
4. Каблов E.H. К 80-летию ВИАМ // Заводская лабора-
тория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. №5. С. 79-82.
5. Ерасов B.C., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалифика-
ционные испытания и исследования прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 440-448.
6. Каблов E.H., Гриневич A.B., Ерасов B.C. Характери-
стики прочности металлических авиационных материалов и их расчетные значения / В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2007. С. 370-379.
7. Дроздовский Б.А., Проходцева Л.В., Новосильцева Н.И. Трещиностойкость титановых сплавов. М.: Металлургия, 1983. 192 с.
8. Проходцева Л.В., Наприенко С. А. Особенности раз-
рушения титанового сплава ВТ41 в различном структурном состоянии при статическом и динамическом нагружении // Деформация и разрушение материалов. 2014. №2. С. 42-47.
9. Пышинцев И.Ю., Арабей А.Б., Фарбер В.М., Хоти-
нов В.А., Лежнин Н.В. Лабораторные критерии трещиностойкости высокопрочных сталей для труб магистральных газопроводов // Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113. №4. С. 433-439.
10. Ботвина Л.Р., Блинов В.М., Тютин М.Р., Банных И.О., Блинов Е.В. Особенности разрушения при ударном нагружении высокоазотистой стали 05Х20Г10Н3АМФ // Металлы. 2012. №2. С. 83-92.
11. Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Левин В.П., Демина Ю.А., Пантелеев И.А., Добаткин C.B. Особенности статического, ударного и усталостного разрушения стали 06МБФ с субмикрокристаллической структурой // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. №1. С. 43-49.
12. Колачев Б.А., Мальков A.B. Физические основы разрушения титана. М.: Металлургия, 1983. 154 с.
13. Агамиров Л.В., Алимов М.А. и др. Машиностроение: энциклопедия. М.: Машиностроение, 2010. T. II-1. Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов. С. 472-521.
14. Предводителев A.A., Троицкий O.A. Дислокации и
точечные дефекты в гексагональных металлах. М.: Атомиздат, 1973. 200 с.
15. Проходцева Л.В., Филонова Е.В., Наприенко С.А., Моисеева Н.С. Исследование закономерностей развития процессов разрушения при циклическом нагружении сплава ВТ41 // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 407-412.
16. Чабина Е.Б., Алексеев A.A., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №5. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 10.03.2015).
17. Клевцов Г.В. Закономерности образования пластических зон у вершины трещины при различных видах нагружения и рентгеновская фрактодиагно-стика разрушения // Вестник ОГУ. Естественные и технические науки. 2006. Т. 2. №1. С. 81-88.
18. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная H.A. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД // Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8-14.
19. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
