CC BY
109
УДК 620.186.4+539.23+539.216.1:531
Клевцова Н.А.1, Валиев Р.З.2, Клевцов Г.В.1, Семенова И.П.2, ФесенюкМ.В.1
1Оренбургский государственный университет, г Оренбург 2Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, г Уфа E-mail: [email protected]
УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВОГО СПЛАВА В МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ И СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИЯХ
Целью настоящей работы является изучение влияния размера зерна на механизм усталостного разрушения образцов из титана (Ti Grande 2, К3) с размером зерна а-фазы 240 мкм и 0,15 мкм (150 Нм), а также титанового сплава (Ti-6Al-4V Eh) с размером зерна а-фазы 15 мкм и 0,3 мкм (300 Нм). Показано, что макро- и микростроение всех изломов, кроме изломов образцов из Ti с размером зерна а-фазы 240 мкм, практически не отличаются друг от друга.
Ключевые слова: усталостное разрушение, излом, усталостные зоны, макро- и микрорельеф излома, наноструктурирование, размер зерна б-фазы.
Введение. Титан и титановые сплавы отличаются высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошей биологической совместимостью. Поэтому данные материалы являются весьма перспективными в медицинской технике для изготовления протезов, крепежной арматуры, имплантантов. Известно, что наноструктурирование металлических материалов повышает их прочность и снижает их пластичность [1-3]. Широкое применение наноструктурированного титана и титановых сплавов в субмикрокристаллическом состоянии предполагает изучение механизмов разрушения данных материалов при различных видах на-гружения.
Целью настоящей работы является изучение влияние размера зерна на механизм усталостного разрушения образцов из титана и титанового сплава.
Материал и методики исследования
В качестве исследуемого материала использовали титан (Ti Grande 2, К3) с размером зерна a-фазы 240 мкм и 0,15 мкм (150 Нм), а также титановый сплав (Ti-6Al-4V Eh) с размером зерна a-фазы 15 мкм и 0,3 мкм (300 Нм). Субмикрокристаллическое состояние титана и титанового сплава было получено путем равно-канального углового прессования (РКУП) [1].
Усталостные испытания цилиндрических образцов с рабочим диаметром 3 мм проводили на изгиб с вращением с частотой нагружения 50 Гц. Микрофрактографические исследования усталостных изломов проводили в растровом микроскопе JSM-2T.
Результаты исследования и их обсуждение. Усталостные изломы образца из ^ с размером зерна a-фазы 240 мкм однородные, блестящие; шероховатые области чередуются с крупными ровными фасетками (рис. 1 а).
Усталостные зоны на поверхности изломов выявить не представляется возможным. Излом относительно плоский, но расположен к оси образца под углом, отличным от 900.
На поверхности изломов образцов из ^ с размером a-фазы 0,15 мкм можно наблюдать две ярко выраженных зоны: зону усталостного разрушения ^ длинной 2,2 мм и зону долома [4, 5]. Зона ^ бархатистая, матовая, имеет очень малую шероховатость и расположена нормально к оси образца (рис. 1 б). В пределах зоны усталостного разрушения ^ можно выделить зону стабильного роста трещины ^ длинной 1,2 мм, которая отличается более светлым цветом и меньшей шероховатостью. Зона долома мелкозернистая, темная и состоит из фрагментов, расположенных под углом в 450 к плоскости излома (рис. 1 б).
Изломы образцов из сплава Ti-6Al-4V с размером зерна a-фазы 15 мкм (рис. 1 в) содержат две ярко выраженных зоны: зону усталостного разрушения ^ длинной 2,2 мм и зону долома. Зона ^ мелкозернистая, матовая, имеет малую шероховатость, относительно плоская и расположена под очень небольшим углом к оси образца. В пределах зоны усталостного разрушения ^ можно выделить зону стабильного роста трещины ^ длинной 1,3 мм, которая отличается более светлым цветом и меньшей шероховатостью. Зона долома мелкозернистая, темная;
Клевцова Н.А., и др.
Усталостное разрушение образцов из титана и титанового сплава...
также состоит из фрагментов, расположенных под углом в 450 к плоскости излома (рис. 1 в).
На поверхности изломов образцов из сплава Т1-6Л1-4У с размером зерна а-фазы 0,3 мкм (рис. 1 г) также можно наблюдать две ярко выраженных зоны: зону усталостного разрушения 1( длинной 2,5 мм и зону долома. Зона 1( мелкозернистая, матовая, имеет малую шероховатость, выпуклая и расположена под небольшим углом к оси образца. В пределах зоны усталостного разрушения 1( можно выделить зону стабильного роста трещины 1з длинной 1,5 мм, которая отличается более светлым цветом и меньшей шероховатостью. Зона долома мелкозернистая, темная; также состоит из фрагментов, расположенных под углом в 450 к плоскости излома (рис. 1 г).
Микрофрактографический анализ усталостных изломов образцов из Т с размером зерна а-фазы 240 мкм показал (рис. 2 а) наличие участков циклического скола, чередующихся с вязкими областями. При больших увеличениях (рис. 2 б, в) видны вторичные трещины и участки с борозчатым микрорельефом.
ш
а)
Микрорельеф усталостных изломов образцов из Т с размером а-фазы 0,15 мкм (150 Нм) представлен на рисунке 3. Видно, что вблизи очага разрушения излом практически бесструктурный, по-видимому, от взаимного воздействия поверхностей изломов в процессе нагру-жения образцов. Хорошо видны несплошности металла (рис. 3 а). С увеличением длины усталостной трещины в пределах зоны 1з (рис. 3 б, в) увеличивается шероховатость излома.
При переходе в зону ускоренного развития трещины 1г (рис. 3 г) излом становится более вязким; при большом увеличении (рис. 3 д) просматриваются вязкие бороздки. Зона долома (рис. 3 е) полностью вязкая; состоит из мелких и достаточно глубоких ямок.
Микрорельеф изломов образцов из сплава Т1-6Л1-4У с размером зерна а-фазы 15 мкм вблизи очага разрушения малорельефный (рис. 4 а). В зоне стабильного роста трещины 1з (рис. 4 б, в) просматриваются усталостные бороздки; при большом увеличении видны вторичные трещины. При переходе в зону ускоренного роста тре-
б)
в)
г)
Рисунок 1. Характерный вид усталостных изломов образца из Т с размером зерна а-фазы 240 мкм (а) и 0,15 мкм (б), а также изломов сплава Т1-6Л1-4У с размером зерна б-фазы 15 мкм (в) и 0,3 мкм (г): а, б, в, г- х10
щины и в самой зоне 1г (рис. 4 г) микрорельеф ямочный. Зона долома состоит из мелких неглубоких ямок (рис. 4 д).
Микрофрактографический анализ излома сплава Ti-6Al-4V с размером зерна а-фазы 0,3 мкм представлен на рисунке 5.
Вблизи очага разрушения микрорельеф практически гладкий со следами коррозии (рис. 5 а). При увеличении длины усталостной трещины в пределах зоны ^ (рис. 5 б, в) микрорельеф становится все более вязким. В зоне ускорен-
ного развития трещины наблюдаются ямочный микрорельеф, вязкие бороздки и вторичные трещины (рис. 5 г, д). Микрорельеф в зоне долома состоит из неглубоких, но ярко выраженных ямок (рис. 5 е).
Заключение
Таким образом, мы видим, что макростроение всех изломов, кроме изломов образцов из Т с размером зерна а-фазы 240 мкм, практически не отличается: они имеют близкую величину
>4
а)
Рисунок 2. Микрорельеф излома Т с размером зерна а-фазы 240 мкм на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - общий вид; б, в - 1 = 1 мм. а - х100, б - х350, в - х1000
а)
г)
б)
* <4/'
Л. 14 V V*
. / и ■
% ^Я 1 | I ^
. ;г ■ Г ^ ■ >.
. г ъ- .'
■ ж 11 ■а*'А-; 1 ■
в)
г V*&7
Г и' I
д)
е)
Рисунок 3. Микрорельеф излома Т с размером зерна а-фазы 0,15 мкм (150 Нм) на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - очаг разрушения (х1000); б - зона 1 (1=0,5 мм) (х1000); в - зона 1 (1=1 мм) (х1000); г - зона 1 (1=2 мм) (х1000); д - зона 1 (1=2 мм) (х5000); е - долом (х5000)
Клевцова Н.А., и др.
Усталостное разрушение образцов из титана и титанового сплава..
Чр г
г . Л ¡у- . V- . 1 ••*
■ - *"■■ 1 I > ^ 4 ••'/
^ г 'У ^ У 1
■, / ' Ч - Г'Л.
/
а) б) в)
г) Д)
Рисунок 4. Микрорельеф излома Т1-6А1-4У с размером зерна а-фазы 15 мкм на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - очаг разрушения (х350); б - зона 1 (1=0,5 мм) (х1000); в - зона 1 (1=0,5 мм) (х5000);
г - зона 1, (1=2 мм) (х1000); Д - долом (х5000) '
г) д) е)
Рисунок 5. Микрорельеф излома сплава Т1-6А1-4У с размером зерна а-фазы 0,3 мкм (300 Нм) на различном расстоянии (1) от очага разрушения: а - очаг разрушения (х350); б - зона 1 (1=0,5 мм) (х1000); в - зона \(1=1,0 мм) (х1000); г - зона 1, (1=2 мм) (х1000); д - зона 1, (1=2,5 мм) (х1000); е - долом (х5000)
шероховатости поверхности в зоне усталостного разрушения и профиль данной зоны.
Изломы образца из Т с размером зерна а-фазы 240 мкм однородные, блестящие; шероховатые области чередуются с крупными ровными фасетками. Усталостные зоны на поверхности изломов выявить не представляется возможным. Микрофрактографический анализ показал наличие участков циклического скола, чередующихся с вязкими областями.
На поверхности остальных изломов можно наблюдать две ярко выраженных зоны: зону усталостного разрушения ^ и зону долома. Зона ^ бархатистая, матовая, имеет очень малую шероховатость и расположена нормально к оси образца. В пределах зоны усталостного разрушения ^ можно выделить зону стабильного роста трещины 1, которая отли-
чается более светлым цветом и меньшей шероховатостью. Зона долома состоит из фрагментов, расположенных под углом в 450 к плоскости излома.
Микрорельеф изломов тоже схожий: вблизи очага разрушения - практически безструк-турный, по-видимому, от взаимного воздействия поверхностей изломов в процессе нагру-жения. С увеличением длины усталостной трещины увеличивается шероховатость излома, микрорельеф становится ямочным. Иногда просматриваются вязкие усталостные бороздки. Зона долома вязкая с ямочным микрорельефом: мелкими равноосными ямками (Т с размером зерна а-фазы 0,15 мкм и сплав Ti-6A1-4V с размером зерна а-фазы 15 мкм) и неглубокими, но крупными ямками (сплав Ti-6A1-4V с размером зерна а-фазы 0,3 мкм).
Список использованной литературы:
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.- 398 с.
2. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах.- М.: Наука, 1984.- 472 с.
3. Valiev R.Z., Tsenev N.K. - In: Hot deformation of aluminum alloys (ed. By T.G. Langdon, H.D. Merchant, J.G. Morris, M.A. Zaidi). TMS. Warrendale, PA, 1991. P. 319.
4. Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов.- М: Наука, 1989.- 230 с.
5. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций.- М.: МИСиС, 2007.- 264 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект АВЦП № 1383).
Сведения об авторах:
Клевцова Н.А. доцент кафедры радиофизики и электроники Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент, 460018, пр-т Победы, 13, ауд. 14232, тел.: (3532) 364653, 372457,
e-mail: [email protected]
Валиев Р.З. директор Института физики перспективных материалов при УГАТУ, доктор ф.-м. наук, профессор, 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ, тел.: (342) 2733422, e-mail: [email protected]
Клевцов Г.В. зав. кафедрой физики металлов и наноструктур Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор, 460018, пр-т Победы, 13, ауд. 14232, тел.: (3532) 364653, 372457,
e-mail: [email protected]
Семенова И.П. с.н.с. Института физики перспективных материалов при УГАТУ, ккандидат ф.-м. наук, 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ, тел.: (342) 2733422, e-mail: [email protected]
Фесенюк М.В. - Начальник ЦЗЛ ПО «Стрела», 460005, Оренбург, ул. Шевченко, 26, тел.: 89058914316
Klevtsova N^., Valiev R.Z., Klevtsov G.V., Semenova I.P., Fesenyuk М.V.
FATIGUE BREAKDOWN OF TITANIUM AND TITANIUM ALLOY SAMPLES IN MICROCRYSTALLINE AND SUB MICROCRYSTALLINE STATES
The objective of this work is study of the grain size impact on fatigue breakdown of titanium (Ti Grande 2, O) with a b-phase grain size of 240 mkm and 0.15 mkm (150 Нм) and also titanium alloys (Ti-6Al-4V Eh) with a b-phase grain size of 15 mkm and 0.3 mkm (300 Нм) samples. It was shown that macro- and microstructure of the all breakings except those of titanium samples with a b-phase grain size of 240 mkm was nearly the same.
Key words: fatigue breakdown, breaking, fatigue zones, macro- and micro topography of breaking, nanos-tructuring, b-phase grain size.
