Структура и высокотемпературная прочность при изгибе многослойного композитного материала из интерметаллидов титана с алюминием Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

3. Киселева С.Ф., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Влияние микродвойников превращения на избыточную плотность дислокаций и внутренние напряжения деформированного ГЦК-материала // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 13. С. 70-74.

4. Смирнов А.А. Молекулярно-кинетическая теория металлов. М.: Наука, 1966. 488 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kiseleva S.F., Popova N.A., Koneva N.A., Kozlov E.V. DIFFERENT TYPES OF GRAIN BENDING AND THEIR INFLU-

ENCE ON DISTRIBUTION OF STORED ENERGY DENSITY OF DEFORMED AUSTENITIC STEEL

Effect of different type of grain bending on a value and a distribution of stored energy density in deformed material are studied. The received results about the distribution of stored energy density for individual grains are discussed on the example of deformed (tension, e = 14 % and e = 25 %) austenitic steel.

Key words: austenitic steel; plastic deformation; elastic-plastic deformation; bending extinction contours; deformation microtwins; internal stresses; stored energy density.

УДК 539.3

СТРУКТУРА И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ИЗГИБЕ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ ТИТАНА С АЛЮМИНИЕМ

© В.П. Коржов, М.И. Карпов

Ключевые слова: жаропрочность; многослойный композит; интерметаллическое соединение; слоистая структура. Исследована микроструктура плоских многослойных композитов из жаропрочных интерметаллических соединений титана с алюминием. Композиты с размерами 30x50x2-3 мм получались методом диффузионной сварки под давлением пакетов, собранных из чередующихся тонких фольг титана и алюминия. Представлены результаты изгибных испытаний на кратковременную прочность в температурном интервале 550-850 °С.

Титановые сплавы характеризуются достаточной удельной прочностью, хорошими антикоррозионными свойствами и значительной жаропрочностью. Недостатком самого титана считается низкий модуль упругости, т. е. непригодность его для жестких конструкций. К жаропрочным сплавам на основе Т относятся сплавы систем ТьА1-Сг, ТьА1-Мп, ТьА1-Мо, ТьА1-У и некоторые другие [1-3]. Преимущество жаропрочных Ть сплавов - незначительный удельный вес и небольшие удельные напряжения при работе деталей в центробежных условиях. Это - диски, лопатки и другие детали газовых турбин.

Объективно сложилось так, что базовой системой жаропрочных титановых сплавов является система Ть А1. Преимущество алюминия перед остальными компонентами обусловлено его распространением в природе и доступностью, меньшей, чем у титана, плотностью. Введение алюминия повышает удельную прочность сплавов. С увеличением содержания А1 в Ть сплавах повышаются их жаропрочность и сопротивление ползучести, модуль упругости и склонность к водородной хрупкости. Жаропрочность литых сплавов достигается за счет интерметаллических выделений Т1зА1.

В данной работе предлагается жаропрочный материал с многослойной структурой, состоящей из слоев интерметаллических соединений титана с алюминием и твердого раствора алюминия в титане. Завершенной структурой должна считаться структура из слоев ин-терметаллида Т13А1 и твердого раствора А1 в Тг Первые слои должны придавать материалу прочность при повышенных температурах, а слои относительно пластичного твердого раствора - трещиностойкость в нормальный условиях. Материал в виде массивных пластин получался диффузионной сваркой (ДС) много-

слойных пакетов под давлением, собранных из чередующихся тонких Ть и А1-фольг.

Титан с алюминием образует пять химических соединений. Наиболее богатое алюминием соединение Т1А13 образовывалось уже при 600 °С на границе ТьА1 в виде диффузионного слоя толщиной ~2 мкм (рис. 1). По данным рентгеноспектрального анализа в титане содержалось 0,6-0,8 ат. % А1, а в А1 —0,25 ат. % Тг

Рис. 1. Фрагмент микроструктуры поперечного сечения композита 12Т1Л113.1 из 40 Ть и 39 А1-фольг толщиной 50 и 30 мкм, соответственно, после ДС при 600 °С в течение 5 ч под давлением р = 28,5 МПа (отношение Т1:А = 1,67)

Рис. 2. Микроструктура композита 12ТШ9 (44 Т> и 43 А1-фольг, отношение ТгА1 = 1,67) после ДС по режиму: 610 °С/5 ч (р = 26,7 МПа) + 950 °С/30 мин. (р = 13,3 МПа)

Рис. 3. Микроструктура композитов 12ТІА14 (Ті:А1 = 2,5) слева и 12ТІА13 (Ті:АІ = 5) справа с 43 Ті- и 42 А1-фольгами после ДС: (1) 600 °С/2 ч/~14 МПа + (2) [(550-600 °С/30 мин. + + 1250 °С/30 мин.) при р = 0,7 МПа]

В композите с таким же соотношением Ті:А1 после ДС по режиму с конечной температурой 950 °С весь алюминий связывался в ТіА13, а на границе с образовавшимся твердым раствором А1 в Ті Ті(А1) формировалась диффузионная зона из расположенных в такой последовательности интерметаллидных слоев: ТіА12, ТіА1 и Ті3А1 (рис. 2).

После ДС с температурой 1250 °С многослойные Ті/А1-композитьі имели однофазную структуру (рис. 3). В композите с отношением Ті:А1 = 5 содержалось интерметаллическое соединение Ті3А1 (28,8-30,0 ат. % А1), причем ближе к поверхности сохранилась много-слойность. В средней части объема слои не сохранились. При в два раза меньшем отношении Ті:А1 образовалась однородная структура по-разному ориентированных зерен твердого раствора на основе титана, содержащего 8,6 ат. % А1.

После ДС композиты представляли собой массивные пластины размерами -40x35x2,5-3,5 мм. Образцы для механических испытаний на 3-точечный изгиб вырезались искровым методом в направлении, совпадающем с направлением прокатки Ті-фольг. Испытания проводились в интервале температур от 550 до 850 °С в вакууме или в Не-атмосфере. Нагрузка прикладывалась как параллельно [Р||(аЬ)], так и перпендикулярно [Р±(аЬ)] плоскости слоев (рис. 4).

Рис. 4. Схема приложения нагрузки параллельно (слева) и перпендикулярно (справа) слоям

к

го

т

т

си

2

си

а

ш

о

I-

го

а

ъс

из 1390-

800 = 6004002000

А>

*

□ - 1

О - 2 А - 3 V - 4 А - 5 ▼ - 6

О

%

500 600 700 800 $300

Температура испытания, оС

Рис. 5. Зависимость кратковременной прочности на изгиб от температуры при Р||(аЬ) для 1-4 и Р±(аЪ) для 5 и 6: 1 -12ТШ8; 2 - 12ТШ4; 3 и 5 - ТШ4; 4 и 6 - 12ТШ9

Все образцы, подвергавшиеся испытаниям кроме образцов из 12Т1А14 (2) имели незаконченную структуру. Основными структурными составляющими многослойного композита, как было показано, были слои из Т1(Л1) и ТА13 - соединения с наибольшим из всех ин-терметаллидов содержанием алюминия. А такие соединения не являются упрочняющими. Композит 12Т1А14 с отношением ТгА1 = 2,5 после ДС при относительно высокой (1250 °С) температуре, имея законченную структуру, полностью состоял из Т13Л1. А на участках ближе к поверхности пластины наблюдались слои толщиной 65-70 мкм.

Прочность на изгиб таких образцов (рис. 5) при температуре 550-600 °С изменялась в пределах от 350 до 800 МПа и падала до 200-250 МПа при 800 °С. При комнатной температуре прочность образцов находилась в пределах 500-750 МПа. Можно отметить, что во всем температурном интервале прочность образцов из композита 12Т1А14 со структурой Т13Л1 (рис. 3) была все-таки выше всех остальных значений прочности. В зависимости от температуры превышение было от 1,5 до 2 раз.

Различие свойств от того, как прикладывалась нагрузка по отношения к слоям, не наблюдалось.

Высокие значения прочности были получены для композита 12ПА13 со структурой П(Л1) (рис. 3). Испытано 7 образцов при температуре 800 °С (табл. 1). Разброс значений прочности большой, но уровень ее достаточно высокий - от ~380 до 1000 МПа. Среднее значение прочности составило 637 ± 158 МПа.

Таблица 1

Испытания на 3-точечный изгиб: 800 °С, Р ± (аЬ)

Номер образца п/п ст, МПа

1 646

2 409

3 727

4 722

5 380

6 1007

7 568

Характерная кривая нагрузка-прогиб для образца № 1 показана на рис. 6. Если расчетное значение прочности соответствовало максимальной нагрузке при прогибе около 0,45 мм, то «фатальное» разрушение образца происходило лишь в точке А, соответствующей прогибу 1,1 мм.

Рис. 6. Экспериментальная кривая нагрузка-деформация для образца N° 1 из композита 12ТШ3 с отношением ТгА1 = 2,5

1674

Выводы. Исследования структуры диффузионной зоны в композитах Ti/Al после ДС подтвердили правильность предложенной идеи. Испытания на изгиб при 550-850 °С показали, что материал на основе соединений Ti с Al со слоистой структурой способен при 800 °С иметь прочность 600 МПа и больше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Cao R., Yao H.J., Chena J.H., Zhang J. On the mechanism of crack propagation resistance of fully lamellar Ti-Al alloy // Materials Science and Engineering. 2006. V. A420. P. 122-134.

2. Zheng R.T., Cheng G.A., Li X.J., Cao G.X., Fu L.F., Zhang Y.G., Chen C.Q. The relationship between fracture toughness and microstructure of fully lamellar Ti-Al alloy // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 1251-1260.

3. LvXiao, Wei Jie Lu, Yun Gang Li, Ji Ning Qin, Di Zhang. Thermal stability of in situ synthesized high temperature titanium matrix

composites // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 467.

P. 135-141.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Korzhov V.P., Karpov M.I. STRUCTURE AND HIGH-BENDING STRENGTH OF MULTILAYER COMPOSITE MATERIAL OF TITANIUM AND ALUMINUM

The microstructure of plane multilayer composites of high-temperature intermatallic compounds of titanium and aluminum was investigated. Composites with the dimensions 30x50x2-3 mm3 are obtained by diffusion welding under pressure of packages collected from alternating thin foils of titanium and aluminum. The results of bending tests on short-term strength in the temperature range 550-850 °C are presented.

Key words: heat resistance; multilayer composite; intermatallic compound; layered structure.

УДK 5ЗЗ.З

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЧНОСТЬ КРЕМНЕЗЕМИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

© Р.Р. Давлетбаков, О.Н. Каныгина, И.Н. Анисина

Ключевые слова: прочность; керамика; композиционный керамический материал.

Исследовано хрупкое разрушение кремнеземистого композиционного керамического материала, полученного на основе монтмориллонит содержащей глины, месторождения которой расположены в Оренбургской области.

Композиционные керамические материалы (ККМ) -это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - уп-рочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Перспективность ККМ обусловлена многими факторами, среди которых наиболее важные: доступность сырья, огнеупорность, термостойкость, химической устойчивости и др.

Композиционные керамические материалы, используемые для изготовления деталей и конструкций, должны выдерживать все возможные виды механических нагрузок, действующие в процессе эксплуатаций. Очень важной характеристикой надежности является прочность, т. е. способность материала сопротивляться нагрузке без разрушения. Возникает необходимость создания и исследования керамики с требуемыми свойствами, при этом первостепенное значение приобретает задача исследования прочности.

Целью данной работы является исследование хрупкого разрушения кремнеземистого ККМ, полученного на основе монтмориллонит содержащей глины, месторождения которой расположены в Оренбургской области.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи - выявление зависимости прочности от внутренних и внешних параметров.

Внутренние параметры:

1) содержание армирующих частиц карбида кремния БіС (0, 10, 20 %);

2) кислотность воды затворения рН (2 и 7).

Внешние параметры:

1) режимы спекания, Р1 - 700 °С, 1 ч + 950 °С, 2 ч; Р2 - 500 °С, 1 ч. + 700 °С, 1 ч. + 950 °С, 2 ч.; Р3 -1000 °С, 3 ч.

Образцы кремнеземистой керамики готовили из шихты на основе монтмориллонит содержащей глины, химический состав (мас. %): п.п.п. - 7,08, Бі02 - 55,9, Ге203 - 9,51, Ті02 - 0,86, А1203 - 18,63, СаО - 0,72, Mg0 - 2,05, Ыа20 - 1,9, К20 - 3,24. Часть из них армировали 10 и 20 % частицами «зеленого» карбида кремния БіС.

Методом полусухого прессования формовали образцы в виде дисков диаметром 25 мм, высотой 10 мм при нагрузке 17,5 кН. После сушки на воздухе и в муфеле при 160 °С, 4 ч, образцы спекали на воздухе по указанным выше режимам. Скорость нагрева печи составляла 5 град/мин. Нагружали образцы с постоянной скоростью 0,273 мм/с, фиксировали напряжение разрушения а; каждое значение получено по результатам испытаний 6 образцов. Значения прочности на сжатие приведены в табл. 1.

Анализ результатов изучения влияния внутренних параметров на прочность показывает, что добавление 10 % карбида кремния БіС не приводит к упрочнению ККМ. Это проявляется для всех режимов спекания и

типов воды затворения. Упрочнение в 1,2-1,5 раза заметно только для образцов, содержащих 20 % (мас.) карбида кремния. Использование различной воды затворения не повлияло на прочность ККМ.

Таблица 1

Прочность образцов на сжатие, о.е.

Содержание SiC, мас. % Кислотность воды затворения (рН) и режимы спекания

pH7 (Р1) pH2 (Р1) pH2 (Р2) pH2 (Р3)

А 2,0 1 3,0 1,2

А +10 % SiC 1,2 1 2,2 1,4

А + 20 % SiC 2,4 2 3,8 2,0

Наибольшее значение для повышения прочности имеет выбор режима спекания, т. е. внешних параметров. Заметно, что нет различий в прочности образцов, обожженных по режимам Р1и Р3 (без промежуточных обжигов). Эти образцы имели неоднородную структуру по сечению. Поверхностный слой представляет собой плотную корку, которая препятствует выходу газов из

пор. Внутри образцов наблюдаются черные полосы с крупными порами, локальные уплотнения. Главная причина образования черных полос - восстановление оксидов железа. В результате спекания образцов по режиму Р2 произошло упрочнение ККМ в 2 раза. Образцы имели практически однородную структуру, поскольку при 500 °С произошло разложение и выделение органики, углерода и испарения воды. Эти факторы сыграли основную роль на прочность ККМ.

Режимы спекания Р1 и Р3 не обеспечивают полных фазовых превращений по всему объему образцов и, следовательно, однородной структуры. Режим Р2 достаточен для достижения однородной структуры. Прочный ККМ получается в режиме спекания Р2 (с промежуточными обжигами) при добавлении 20 % карбида кремния.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Davletbakov R.R., Kanygina O.N., Anisina I.N. INFLUENCE OF INTERNAL AND EXTERNAL PARAMETERS ON STRENGTH OF COMPOSITE SILICA CERAMIC MATERIAL Brittle silica composite ceramic material obtained by containing montmorillonite clay deposits located in the Orenburg region is considered.

Key words: strength; ceramic; composite ceramic material.

УДК 620.178.152.2

МИКРОМОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗЛОМОВ И ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

© Е.В. Пояркова, И.Р. Кузеев

Ключевые слова: сварные соединения; усталостная долговечность; фрактография изломов.

Исследована циклическая прочность разнородного сварного соединения из низкоуглеродистых сталей. Выполнен фрактографический анализ усталостных изломов методом растровой электронной микроскопии. Проанализировано влияние уровня накопленных повреждений на микроморфологию поверхностей разрушения разнородных сварных соединений.

Исследование усталостной долговечности разнородных сварных соединений в малоцикловой области выполнялось при циклическом упругопластическом нагружении. Диагностированию подлежали разнородные сварные соединения из низколегированных сталей марок 10Г2СФБ и 14Г2С1Д (классов прочности К60 и К52), полученные ручной электродуговой сваркой. Циклические испытания сварных соединений были проведены на установке ИР 5113-100.

В-первых, установлено разрушающее количество циклов образцов. Все разрушения произошли в основном металле менее прочной стали марки 14Г2С1Д, входящей в состав сварного соединения.

Во-вторых, выполнен анализ неоднородности механических свойств по зонам сварных соединений (в основном металле (ОМ) обеих марок, центре шва и зоне термического влияния (ЗТВ) менее прочного металла) в зависимости от уровня поврежденности. Ко-

личество циклов нагружения устанавливалось на уровне 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 от разрушающего.

Оценка прочности участков сварных соединений показала, что на всех этапах нагружения её распределение по сечению сварных соединений неравномерно (П1 = овшва/авом1и п2 = авшв7авом2). В исходном состоянии характерен минимум прочности в металле шва.

По мере накопления усталостных повреждений характер распределения механической прочности изменяется. На начальном этапе 0,2М/МР прочностные характеристики в ЗТВ со стороны стали 14Г2С1Д и центре шва начинают значительно увеличиваться ввиду циклического упрочнения. Металл приспосабливается к новым условиям функционирования, происходит внутренняя локализация напряжений при воздействии внешних нагрузок. Прочность ОМ обеих сталей сохраняется практически без изменений.

1676