CC BY
1ТЕМПЕРАТУРНА ТА ШВИДК1СНА ЧУТЛИВ1СТЬ МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ В ПЕРСПЕКТИВНИХ СПЛАВАХ TNM
д.т.н., проф. зав1дувач в1ддтом фазових перетворень Подрезов Ю. М.1, м.н.с. eiddrny фазових перетворень Ремез М. В.2, к.т.н., доц., доцент кафедри фiзики металiв Холявко В. В.3, магiстрант кафедри фiзики металiв Прокопчук М. Д.4
12Украгна, м. Кигв, 1нститут проблем матерiалознавства iM. 1.М. Францевича НАН Украгни, 3 4Украгна, м. Кигв, Нащональний техтчний утверситет Украгни «Кигвський полтехтчний тститут iменi 1горя Окорського»
DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/30112019/6763
ARTICLE INFO
Received: 16 September 2019 Accepted: 20 November 2019 Published: 30 November 2019
KEYWORDS
TiAl-based alloys; TNM alloys; temperature and velocity sensitivity; mechanical properties; lamella structure; tensile test; bending test.
ABSTRACT
The temperature and velocity sensitivity of the mechanical properties of TiAl-based alloys were investigated. The structure was determined by scanning electron microscopy in SEI mode. Mechanical properties were determined by the results of tensile and bending tests. It was found that the temperature and velocity dependence of the mechanical properties in alloys with 47% Al is practically absent. This makes them promising for use as structural materials, due to the stability of their properties.
Citation: Подрезов Ю. М., Ремез М. В., Холявко В. В., Прокопчук М. Д. (2019) Temperaturna ta Shvydkisna Chutlyvist Mekhanichnykh Vlastyvostei v Perspektyvnykh Splavakh TNM. World Science. 11(51), Vol.1. doi: 10.31435/rsglobal_ws/30112019/6763
Copyright: © 2019 Подрезов Ю. М., Ремез М. В., Холявко В. В., Прокопчук М. Д. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Вступ. Основною проблематикою дослщжень властивостей сучасних ТКМ сплавiв е оптимiзацiя мехашчних характеристик з метою широкого та довготривалого застосування сплавiв в дiапазонi температур вщ юмнатно! до робочих (600 °С - 800 °С). 1деолопя розробки таких сплавiв полягае в створенш лито! структури, яка за рахунок оптимальних режимiв термообробки дозволяе отримати структуру з необхщним сшввщношенням мiж кшьюстю у-, а2- та Р-фаз. Вщомо, що створення (у + а2) ламельно! структури, веде до збшьшення рiвня мехашчних характеристик в сплавах на основi у-ТА1. В данш структурi тоню прошарки а2 -фази перешкоджають поширенню трщин, зароджених в у-^А1 фазi, збшьшуючи низькотемпературну пластичнiсть i трiщиностiйкiсть. В свою чергу, фаза у-^А1 забезпечуе працездатшсть сплавiв при бiльших навантаженнях i температурах порядку 600 °С - 800 °С [1].
1нтенсивш роботи якi були проведенi стосовно груп високотемпературних матерiалiв протягом останшх двадцяти рокiв, використовуючи сучаснi експериментальш методи та теоретичнi напрацювання, привели до розвитку концепци нового, так званого 3го, поколшня титан-алюмiнiдних сплавiв, легованих в стабiлiзаторами. Значний вщсоток в фази в цих сплавах позитивно впливае на кшетику кристалiзацi! та !х високотемпературну поведiнку [2]. В цих сплавах в якост в стабiлiзаторiв використовують № та Мо. В роботi [3] в якосп базово! композицп використовуеться Ti - 43.5Al - 4№ - 1Mo - 0.1В (а! %). Також в роботах [3, 4] зазначаеться, що сплави з вмютом алюмшю на рiвнi 44 а! % мають бiльшi можливосп оптимiзацi! структури за рахунок термiчно! та термомехашчно! обробки.
Як було з'ясовано в попередшх дослщженнях [5], сплави з 44 % та 48 % Al мають найбшьш вщповщний до умов експлуатацiï комплекс мехашчних характеристик. Тому метою даноТ роботи було встановлення температурноï та швидкiсноï чутливостi механiчних характеристик перспективних сплавiв з 44 % та 47 % Al.
Матерiали та методика дослщжень
Вивчалася механiчна поведшка двох груп вiдпалених сплавiв системи Ti-Al. У роботi Sun, F. S. [6] були проведеш дослщження щодо впливу легуючих елементiв на тип структури титан-алюмшщних сплавiв, та була виведена формула зпдно яко1' можна визначити максимальний вмiст легуючих елеменпв.
Таким чином були обраш сплави наступного складу: Ti47,4Al47Nb4Cr0,5Mo1B0,1 (№ 3); Ti47,5 AI47 Nb4 Cr0,5 Mo1 (№ 6); Ti50,9 AI44 Nb3,5 Cr0,5 Mo1 B0,1 (№ 9); Ti50,4 AI44 Nb4,5 Mo1 B0,1 (№ 10).
Термообробка була проведена виходячи з юнуючих поглядiв стосовно структуроутворення [3], за температури 950 °С з вiдносно швидким охолодженням (контейнер зi зразком шсля вiдпалу евакуювався за зону на^вання).
Механiчнi властивостi сплавiв дослiджувалися за результатами випробувань на розтяг та трьох точковий згин. Трьохточковий згин проводився на випробувальнш машиш TermoTEST. Зразки для випробувань на згин мали розмiри h =2 мм, b = 3мм. Довжина зразка складала 50 мм, щоб, з одного боку, вшьно розташовуватись в комiрках транспортера (52 мм), а з шшого - безпечно вкладатись на опорш ролики з вщстанню мiж ними L = 40 мм. Експерименти проводили за швидкосп перемiщення траверси ~ 1 мм/хв. Оскiльки жорсткiсть машини значно перевищуе жорсткiсть зразка, давач перемщення не використовувався. В експериментах на стиск зразки для мехашчних випробувань мали форму цилшдра з дiаметром 03 мм i довжиною робочоï частини ¡0 =15 мм.
Протягом обробки первинних даних, використовувалася запропонована роботi [7] методолопя перерахунку кривих навантаження при згиш за формулами, що зазвичай використовуються для розрахунку пружноï частини кривоï навантаження в процесi розтягування (з урахуванням великого внеску пружно1' складово1' при вiдносно малих ступенях деформацп).
Експерименти на розтяг виконувалися зпдно стандарту ДСТУ EN 10002 - 1:2006, на машиш 1246-2300/2 конструкцп НИКИМП. Видовження фiксувалося тензометричним датчиком безпосередньо з робочо1' частини зразка. Конструкцiя тензометра дозволяла вимiрювати деформащю зразка при кiмнатнiй та тдвищених температурах з чутливiстю за деформащею не гiрше 210-5 та вимiрювати модуль пружностi з похибкою не бшьше 2 %. Високотемпературнi випробування проводили в вакуумi.
Структуру сплавiв дослiджували зi шлiфiв, методом скануючо1' електронно1' мiкроскопiï на приладi JEOL SuperProbe 8200.
Результати експерименлв та ïx обговорення.
На рис. 1 представлен результати скануючо1' електронно1' мкроскопи в режимi SEI зi збшьшенням в 1000х де бiльш важка фаза зазвичай виглядае бiльш свгглою. На знiмках можна побачити ß0 фазу бiлого кольору, а2 фазу сiрого та у фазу темно-арого кольору. Зерна складаються з ламшярних (а2+у) колонiй, та ß0 фази яка розташовуеться по границях зерен. Ламельна структура утворилася тд час розпаду високотемпературних фаз ß та а. Вище описана структура вщповщае структурi сплавiв, описаних в роботах [3, 8], i як наслщок, вщ дослiджуваного матерiалу можна очшувати аналогiчного рiвня механiчних властивостей.
Вплив температури на характер кривих деформацшного змщнення сплаву з 44 % Al випробуваного на трьохточковий згин наведено на рис. 2.
З отриманих даних видно, що матерiал з малим вмютом алюмiнiю демонструе наявнiсть температурно1' чутливосп кривих змiцнення. 3i збiльшенням температури зростае деформащя до руйнування вщ е = 0,001 до е = 0,025.
Аналопчт дослiдження, проведеш на сплавi з 47 % Al, продемонстрували iнший характер температурно!' залежностi кривих змiцнення. Вiдповiднi результати наведено на рис. 3.
Рис. 1. Результати растровог електронног мжроскопп cmaeie
50,4Ti - 44А.1 - 4.5Nb - IMo - О, IB (ЛЯ О)
О 0_00_"> O.Ol O.Ol? 0.02 0.02S
Деформашя, е
Рис.2. Залежмсть напруження eid деформацИ'для сплаву з 44% Al в дiапазонi температур eid
20°С до 750°С
350 -f-г---1-
О 0.004 0.008 0.012
Деформпцш, е
Рис.3. Залежмсть напруження eid деформацИ для сплаву з 47% Al в дiапазонi температур eid
20°С до 750°С
Результати випробувань на розтяг за рiзних температур наведено на рис. 4. Вони свщчать про те, що для сплавiв з 47 % А1 температурна чутливiсть бiльш слабка шж у сплавiв з 44 % А1, i при пiдвищених температурах найбiльше змiцнення демонструють зразки, випробуваш в дiапазонi температур 600 °С - 650 °С. При цьому, пластичнiсть сплавiв цього складу в усьому дiапазонi температур практично втричi вища нiж в сплавах з 44 % А1. Для обох типiв сплавiв в областi температур 700 °С - 800 °С спостерiгаeться рiзке зростання пластичностi (рис. 4 а).
10
1Г3 t=i 2
-o-3V
—♦—6 V
-0-9 V
-•-10V
1250
' 1150
J 050
Ь 950
850
750
650
Я
550
450
350
-»-6V
-o-9V
-•-10V
200
400
600
800
1000
200
400
600
800
1000
Температура, а
Температура,
б
'С
напруження границ плинностг тдвищення пластичност з ростом температури
Рис. 4. Залежмсть мехамчних характеристик в1д температури: а-пластична деформащя (швидюсть навантаження 310-5 сек'1), б
Зпдно теорп мщносп, таке характеризуе наявнють так званого в'язко-крихкого переходу, вщомого з роботи Трефшова для ОЦК металiв [9]. Важливо, що дiапазон в'язко-крихкого переходу вщповщае робочим температурам за яких працюють вироби з титан-алюмiнiдних сплавiв. З графiку видно, що в сплавах з 44 % А1 цей перехщ вiдбуваeться приблизно на 50оС вище. Також слiд зазначити, що в ушх структурних станах параметри мщност залишаються достатньо високими в усьому дослщженому дiапазонi температур (рис. 4 б).
Слщ звернути увагу на дещо незвичайну чутливють пластичностi iнтерметалiдiв цього класу до змши швидкостi деформування в iнтервалi температур в'язко-крихкого переходу. На рис. 5 наведено температурш залежностi пластичност сплавiв з 44% та 47% А1, випробуваних за швидкостей навантаження 3 10-4 сек"1 та 3 10-5 сек"1.
10
£ 7
4 6
и
п 3
650
3 V -10'
- 3V -10-5
9 V 1(J4
( J —O- " 9V -10 "5
700
750
800
850
900
Температура, °С
Рис. 5. Температурна залежмсть деформацИ' при швидкостях деформування
310-4 сек-1 та 310-5 сек-1 З отриманих даних видно, що для обох сплавiв, випробуваних за температури вязко-крихкого переходу Твк зменшення швидкостi деформування на один порядок величини веде майже
до 5 разового зростання пластичности Таке шдвищення пластичносп потребуе значного пiдвищення температуря (до 100 оС). За обох швидкостей випробувань, температура в'язко-крихкого переходу в сплавах з 44% А1, знаходиться на 50оС - 100оС вище, нiж в сплавах з 47% А1.
Слiд зауважити що в областi в'язко-крихкого переходу змша швидкостi навантаження слабко впливае на характер криво! змiцнення. З рис. 6 видно, що в сплавi з 44% А1 випробуваного за 650оС, змiна швидкостi деформування з 3 10-4 сек-1 на 3 10-5 сек-1 практично не впливае на деформащйне напруження вздовж вше! криво! навантаження. У сплавi з 44% А1 випробуваного за 700оС початкова дшянка дiаграм змiцнення спiвпадае ^ починаючи з деформацi! 0,6 %, змiцнення в \iaTcpiaii деформованому за менших швидкостях, виявляться дещо нижним.
1200
я
Е 800
в 400
х
о
Деформащя, е Деформащя, е
Рис. 6. Залежшсть напруження в1д деформацИ' при швидкостях деформування 310~4 сек1 та 310~5 сек-1
Наведенi на рис. 6 кривi навантаження дозволяють порiвняти закономiрностi змiцнення зразкiв, випробуваних за температури в'язко-крихкого переходу з рiзними швидкостями деформування. Найнижчу температуру в'язко-крихкого переходу Твх = 650 оС демонструе сплав № 6 з 47% А1. Характерна особливють кривих змщнення цього сплаву (рис. 6) полягае в тому, що крив^ яю отриманi за рiзних швидкостей повнiстю спiвпадають, але деформащя до моменту руйнування суттево вiдрiзняеться (вiд 1,2 % за швидкосп 3 10-4 сек-1 до 2,8 % за швидкосп 3 10-5 сек-1). Сплав №3 з таким самим вмютом алюмшю демонструе схожу поведiнку. Деформащя до руйнування збшьшуеться з 1,7 % до 8 %.
Фiзична природа цих ефектiв пов'язана з особливостями пропкання термоактивацiйних процесiв в обласп в'язко-крихкого переходу. Зокрема, рiзке пiдвищення пластичностi зi змiною швидкосп деформування можна пояснити релаксацiйними процесами в головi двiйникового скупчення, яю, в разi збiльшення часу деформування, встигають зменшити концентрацiю напружень i перешкоджають виникненню трiщин. Зменшення напруження при збшьшенш деформацi! за малих швидкостях навантаження, можна пояснити додатковими деформацшними дефектами якi впливають на пропкання термоактивацiйних процесiв [1].
Отримаш результати важливi с практично! точки зору, оскшьки вони показують, що в обласп робочих температур зменшення швидкосп деформування мало впливае на достатньо велию значення деформiвних напружень, що безумовно сприяе довготривалiй робот виробiв за цих температур. Крiм того, протiкання релаксацiйних процесiв протягом довготривало! роботи виробiв з дослщжуваного матерiалу веде до значного збшьшення пластичностi матерiалiв, але при цьому слщ мати на увазi, що за нестащонарних умов навантаження, як супроводжуються стрибками напруження, може вщбуватися окрихчення елементiв конструкцiй матерiалу.
Висновки. Таким чином, в обласп температури в'язко-крихкого переходу ильки сплав з 47% А1 до моменту руйнування демонструе вщсутшсть чутливосп криво! змщнення до швидкосп деформування. В ушх шших випадках при перевищеннi деяко! критично! деформацi!, кривi змiцнення проявляють чутливiсть до ступеню деформацi!. Також разом iз цим, сплав з 47% А1 майже не проявляе температурно! чутливостi, крiм кiмнатно! температури, що робт його бiльш стабшьшшим для використання.
Л1ТЕРАТУРА
1. Appel F., Oehring M., Wagner R. Novel design concerts for gamma-base titanium aluminide alloys // Intermetallics. - 2000. - 8. - P. 1283-1312. 2
2. Zhang D. Effect of heat-treatments and hot-isostatic pressing on phase transformation and microstructure in a beta/B2 containing gamma-TiAl based alloy / D. Zhang, G. Dehm, H. Clemens // Scr. Mater. 2000. - Vol.42. - P. 1065.
3. Intermetallic p-solidiffying y-TiAl based alloys - from fundamental research to application / S. Mayer, P. Erdely, F.D. Fischer et al. // Adv. Materials. - 2017. - 9. - P. 1-27.
4. Clemens H. Design, Processing, Microstructure, Properties and Applications of Advanced Intermetallic TiAl Alloys / H. Clemens, S. Mayer // Adv. Eng. Mater. - 2013. - Vol. 15. - P. 191-215.
5. Прокопчук М. Д. механчн властивосп сплашв на 0CH0Bi легованого Мо алюмшщу титану/ М.Д. Прокопчук, В. В Холявко // Перспективн технологи на основi новггтх фiзико-матерiалознавчих дослвджень та комп'ютерного конструювання матерiалiв - XI мшнар. конф студенпв, астранпв та молодих вчених. 36ipra тез доповвдей. 19-20 квпня 2018 р., Ки!в, Укра!на - К. «КП1 rnem 1горя Окорського». - С. 141-143.
6. Sun F.-S. Alloying mechanism of P stabilizers in a TiAl alloy / F. S. Sun, C.-X. Cao, S.-E. Kimet // Metall. Mater. Trans. A. - 2001. - Vol. 32A. - P. 1573- 1589.
7. Подрезов Ю.М. и др. Експрес метод прогнозування довготривало! мщносп та опору повзучосл в високотемпературних сплавах на основi титану / Ю.М. Подрезов, Д. Г. Вербило, В. I. Даниленко, Н. I. Циганенко, Б. В. Шурипн // Електронна мшроскотя i мщтсть матеpiалiв. 2018. - 24. - Ки!в : 1ПМ iм.I.М.Фpанцевича НАН Укра!ни. - C. 35-46.
8. Подрезов Ю. М., Бондар. А. А., Впусевич В. Т., Ремез М. В. та in Структура та властивосп титан-алюмiнiдних сплавiв, легованих нiобieм i танталом // Порошковая металлургия. - 2011. - № 7/8. - С. 25-46.
9. Трефилов В.И. Физические основы прочности тугоплавких металлов / В. И. Трефилов, Ю. В. Мильман, С. А. Фирстов. - Киев: Наукова думка, 1975. - 315 с.
