Разрушение ударным нагружением слоистых композитов Ti-Al 3ti с объемной долей интерметаллической фазы до 80 % Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.4

РАЗРУШЕНИЕ УДАРНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ Т1-Л13Т1 С ОБЪЕМНОЙ ДОЛЕЙ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ДО 80 %

© А.М. Пацелов, Р.Д. Лавриков, С.В. Гладковский, Е.М. Бородин

Ключевые слова: слоистые композиты; интерметаллиды; ударная вязкость; разрушение.

Исследовано разрушение слоистых композитов Ti-Al3Ti под действием ударных нагрузок инструментированного копра. Приведены изображения поверхностей изломов и механические свойства образцов для двух альтернативных направлений приложения ударной нагрузки: вдоль и поперек слоев композита.

Получение слоистых композитов типа металл - ин-терметаллид основано на реакционном спекании фольг химически активных металлов [1]. Высокая прочность и жесткость композита достигается за счет интерме-таллидного слоя, высокая вязкость - за счет металлического слоя. Ранее в работе [2] были представлены результаты в т. ч. по ударной вязкости для слоистых композитов с объемной долей фазы Al3Ti, не превышающей 15-20 %. В настоящей работе исследовано воздействие динамических нагрузок на способность слоистых композитов с чередованием слоев Ti/Al3Ti (с объемной долей интерметаллической фазы около 80 %) сопротивляться ударному нагружению. Для получения образцов слоистых композитов использовали фольги титанового сплава ВТ1 -0 толщиной 0,3 мм и алюминиевого сплава А5Н2 толщиной 0,5 мм. Перед их сборкой в пакет и титановые, и алюминиевые фольги подвергались химической обработке в 2 %-ном растворе плавиковой кислоты с целью очистки поверхностных слоев от загрязнений. Затем сборку подвергали реакционному спеканию в условиях контролируемого нагрева и нагружения давлением в специально сконструированной для этого оснастке. После реакционного спекания были получены слоистые композиты со средней толщиной титановых слоев 150 мкм и средней толщиной интерметаллидных слоев 540 мкм. Для проведения испытаний на ударный изгиб из полученного композита (0 90 мм, толщиной 20 мм) вырезали стандартные образцы с размерами 10x10x55 мм, отличающиеся расположением V-образного падреза относительно слоев композита. Из-за удовлетворения требований ГОСТ на ширину и высоту образца в 10 мм получалось, что такой образец содержал 15 полных титановых слоев и 14,5 (один слой неполный) слоев интерметал-лида Al3Ti.

Испытание на ударный изгиб выполняли при комнатной температуре па образцах с V-образным падре-зом, используя для этого инструментированный маятниковый копер Tinius Olsen IT 542, США. (Максимальная запасенная энергия копра 542 Дж, скорость удара 5,47 м/с). Изображение изломов разрушенных образцов после ударных испытаний получали на сканирующем электронном микроскопе Tescan VEGA II XMU.

На рис. 1. представлены диаграмма ударного нагружения (рис. 1а) и фрактограммы металлического

(титанового, рис. 1б) и интерметаллидного (рис. 1в) слоя композита для случая, когда направление удара перпендикулярно плоскости слоев.

Рис. 1. Диаграмма ударного испытания при направлении ударной нагрузки поперек слоев - (а); поверхность излома для титанового слоя - (б); поверхность излома для слоя Al3Ti - (в)

Вид диаграммы ударного нагружения свидетельствует о высокой энергоемкости процесса прохождения трещины через слои композита. Наличие осцилляций нагрузки до достижения ее максимума указывает на

1687

дополнительное поглощение энергии удара при ответвлении трещины от магистрального направления поверхностью раздела на границе слоев.

Нагрузка на ноже копра в функции перемещения

Рис. 2. Диаграмма ударного испытания при направлении ударной нагрузки вдоль слоев - (а); поверхность излома для титанового слоя - (б); поверхность излома для слоя Al3Ti - (в)

Аналогичные диаграмма ударного нагружения и фрактограммы изломов для случая, когда направление удара параллельно слоям представлены на рис. 2. При обработке диаграмм ударного нагружения по описанной в работе [3] методике становится возможным разделить полную работу разрушения при ударе на составляющие - работу зарождения трещины и работу распространения трещины.

Для случая, когда направление удара перпендикулярно плоскости слоев, соответствующие характеристики имеют следующие значения, усредненные по результатам измерений серии из не менее чем двух образцов: полная работа разрушения 8,4 Дж, работа

зарождения трещины 3,3 Дж, работа распространения трещины 5,1 Дж, ударная вязкость 110 кДж/м2. Соответствующие значения для случая, когда направление удара параллельно слоям композиционного материала следующие: полная работа разрушения 10,0 Дж, работа зарождения трещины 2,9 Дж, работа распространения трещины 7,1 Дж, ударная вязкость 120 кДж/м2.

Фрактографический анализ поверхности изломов позволил установить вязкий характер разрушения для металлических (титановых) слоев композита по ямочному механизму и соответственно хрупкий характер разрушения для интерметаллидных слоев независимо от направления удара относительно слоев композита. Размер зерен интерметаллической фазы Al3Ti полиэдрической формы составлял порядка 5-10 мкм. Видно, что независимо от направления приложения удара основные характеристики разрушения не сильно отличаются друг от друга. В работе [2], где в результате прерывания интерметаллической реакции в процессе спекания были получены слоистые композиты с мотивом чередования слоев Ti-Al3Ti-Al-Al3Ti, и где суммарная объемная доля титана и алюминия была порядка 8085 %, полная работа разрушения и ударная вязкость для образцов с продольным и поперечным относительно слоев расположением V-образного надреза различались в три раза.

Для динамического нагружения образцов слоистых композитов Ti-Al3Ti с объемной долей интерметаллид-ной фазы Al3Ti около 80 % и средней толщине металлического (титанового) слоя 150 мкм не наблюдается ярко выраженного характера анизотропии механических свойств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Vecchio K. Synthetic Multifunctional Metallic-Intermetallic Laminate Composites // JOM. 2005. № 3. P. 25-31.

2. Пацелов А.М., Рыбин В.В., Гринберг Б.А. и др. Синтез и свойства слоистых композитов системы Ti-Al с интерметаллическими слоями // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 6. С. 27-31.

3. Ботвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. М.: Наука, 2008. 334 с.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования Института машиноведения УрО РАН «Пластометрия».

2. Работа выполнена при финансовой поддержке проекта инициативных исследований УрО РАН № 12-У-2-1011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Patselov A.M., Lavrikov R.D., Gladkovskiy S.V., Borodin E.M. FRACTURE BY SHOCK LOAD OF Ti-AbTi LAYERED COMPOSITES WITH 80 % VOLUME SHARE OF INTERME-TALLIC PHASE

Fracture characteristics of metal-intermetallic laminates Ti-Al3Ti after impact of instrumented pendulum impact testing machine is investigated. Images of fracture surfaces as well as mechanical properties of composite samples for two alternative shock load directions (both across and along layers) are presented.

Key words: layered composites; intermetallics; impact toughness; fracture.

1688