CC BY
50
УДК 539.22/23
ВЛИЯНИЕ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ НА УПРОЧНЕНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОГО ТИТАНА
© И.А. Курзина, А.В. Никоненко, Н.А. Попова, Е.Л. Никоненко, М.П. Калашников
Ключевые слова: альфа-титан; ионная имплантация; доза облучения; фазовый состав; зерно; скалярная плотность дислокаций; упрочнение.
Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведено исследование фазового состава и тонкой структуры сплава ВТ1 -0 со средним размером зерна 0,2 мкм до и после имплантации ионами алюминия. Проведен расчет прочностных составляющих, входящих в предел текучести в зависимости от дозы облучения. Показано, что имплантация приводит к существенному изменению структурно-фазового состояния и дополнительному упрочнению материала.
Одним из наиболее перспективных направлений модификации поверхностных свойств металлов в настоящее время являются методы обработки материалов пучками металлических ионов [1]. Большой интерес представляет ионный синтез фаз внедрения в поверхностных слоях материалов на основе Ті и А1, в частности, алюминидных фаз (Ті3А1, ТІА1 и ТіА13) [1, 2]. Поверхностные слои металлов, состоящие из алюминид-ных фаз с наноразмерными параметрами зерен, будут характеризоваться высокими механическими характеристиками. Целью работы являлось исследование структурно-фазового состояния и расчет прочностных составляющих, входящих в предел текучести, поверхностных ионно-легированных слоев титана в зависимости от дозы облучения. В качестве имплантируемого элемента в работе был выбран алюминий, что обусловлено перспективами формирования в поверхностных слоях алюминидов титана, дополнительно способствующих улучшению физико-механических характеристик.
В качестве исходного материала (мишени) был выбран пруток технически чистого титана марки ВТ1-0 диаметром 20 мм. Для формирования субмик-рокристаллического состояния в заготовках титана применяли разработанный в ИФПМ СО РАН комбинированный метод многократного одноосного прессования (аЬс-прессование) с последующей многоходовой прокаткой в ручьевых валках при комнатной температуре и дорекристаллизационным отжигом [3].
Для имплантации ионами алюминия образцов из ВТ1-0 использована усовершенствованная версия ионного источника Mevva-5.RU, которая характеризуется снижением загрязнения ионного пучка продуктами эрозии катододержателя и электродов системы извлечения [4]. Вариация дозы облучения (1-1017, 5-1017 и 10-1017 ион/см2) достигалась за счет изменения времени облучения (0,5; 3; 5,25 ч).
Типичными характеристиками количественных показателей механических свойств металлических материалов являются, прежде всего, предел текучести и деформационное упрочнение. К настоящему времени установлено, что прочность любого металлического материала определяется многими факторами [5], основными из которых являются: 1) наличие границ зерен и других структурных образований; 2) высокая
плотность дислокаций, образующихся при любом воздействии на материал; 3) наличие в материале карбидных, оксидных частиц и других вторичных фаз и др. Роль каждого из этих факторов в каждом конкретном случае будет различной, и доля вклада отдельных механизмов упрочнения в общее упрочнение материала также неодинакова.
В настоящей работе расчет предела текучести проводился по формуле, где квадратично складываются вклады упрочнения дислокациями «леса» и внутренних полей, остальные вклады складываются аддитивно [5]:
ст = Доп + Дотв + Доз + Доор + ^(Дод2 + Дол2).
В этой формуле Дстп - напряжение трения дислокаций в кристаллической решетке а-Ті; Дсттв - упрочнение твердого раствора на основе а-Ті атомами легирующих элементов (А1, С, О); Дстл - упрочнение дислокациями «леса», которые перерезают скользящие дислокации; Дстд - упрочнение дальнодействующими полями напряжений; Дстор - упрочнение материала некогерентными частицами при обходе их дислокациями по механизму Орована; Дстз - упрочнение за счет границ зерен. Рассмотрим роль каждого из факторов подробнее.
Было установлено, что в исходном состоянии в сплаве ВТ1-0 формируется зеренная структура с сильно вытянутыми зернами, средние размеры которых составляют 0,15x1,9 мкм. Сплав является практически полностью однофазным сплавом. В незначительном количестве (0,9 об. %) по границам зерен а-Ті присутствуют зерна Р-Ті. Поэтому вклад в упрочнение материала, обусловленный наличием вторичных фаз, практически отсутствует. Отметим, что наличие в сплаве фазы Р-Ті какого-либо заметного вклада в упрочнение вследствие ее малой объемной доли не дает. Составляющие Дстп и Дсттв также вносят в общее упрочнение минимальный вклад, т. к., согласно данным Оже-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа [4], в твердом растворе исходного сплава углерод и кислород отсутствуют. Упрочнение дальнодействующими полями напряжений полностью отсутствует. Одним из основных и определяющих в упрочнении сплава в исходном состоянии оказывается фактор наличия границ
1703
зерен, или, иначе говоря, плотность границ зерен. Повышение прочности происходит за счет границ зерен а-Т1, являющихся барьерами распространения течения. Оно описывается соотношением Холла-Петча [6]: Астз = Ы-0,5, где к - коэффициент пропорциональности, который, прежде всего, зависит от размера зерна [1, 5] (для исследуемого сплава к = 0,24 МПа-м1/2 [1]).
Важную роль в упрочнение исходного сплава вносят дислокации «леса», создающие напряжение сдвига, которое определяется по формуле [5]: Дал = шаОЪ^р, где ш - ориентационный множитель; а - безразмерный коэффициент, который зависит от типа дислокационного ансамбля [6]; О - модуль сдвига; Ъ - вектор Бюр-герса; р - среднее значение скалярной плотности дислокаций. Оказалось, что по величине Дал в исходном сплаве практически соизмерим с Астз. Таким образом, в исходном сплаве вклад в упрочнение вносят только границы зерен и дислокации «леса».
Для имплантированных сплавов влияние факторов иное. Было установлено, что имплантация приводит к уменьшению как поперечных, так и продольных размеров зерен. Причем, чем выше доза имплантации, тем более заметно это уменьшение (рис. 1). Так как при имплантации размеры зерен уменьшаются, то величина АстЗ будет возрастать. При увеличении дозы имплантации вклад АстЗ становится больше.
Рис. 1. Зависимости средних (Ь - продольный, d - поперечный) размеров зерен от дозы облучения (Ев)
Исследования показали, что имплантация при любой дозе облучения, во-первых, слабо изменяет величину скалярной плотности дислокаций и, во-вторых, не приводит к возникновению дальнодействующих полей напряжений. Поэтому вклад в упрочнение в имплантированном сплаве за счет Дстд, как и в исходном сплаве, отсутствует, а за счет Дстл по величине практически остается на прежнем уровне.
Имплантация титана ионами алюминия привела к изменению фазового состава сплава. Во-первых, вдоль продольных границ зерен а-Ті наблюдается образование пластинчатых выделений упорядоченной фазы Ті3А1 со сверхструктурой Б019, обладающей ГПУ кристаллической решеткой. Во-вторых, в стыках зерен а-Ті присутствуют округлой формы выделения упорядоченной фазы ТіА13 со сверхструктурой Б022, обладающей ОЦТ кристаллической решеткой. В-третьих, внутри зерен а-Ті на дислокациях образуются мелкие округлые выделения карбида ТіС и оксида Ті02. Изменение объемных долей вторичных фаз в зависимости от дозы облучения приведены на рис. 2. Таким образом, имплантация привела к образованию целого набора фаз. При расчете Дстор можно использовать упрощенную формулу Орована: Дстор = 2'кОЪ/г, где г - расстояние между частицами.
Полученные вклады отдельных механизмов упрочнения в предел текучести до и после имплантации при разных дозах облучения приведены в табл. 1.
Ея-Ю'17, ион/см2
Рис. 2. Изменение объемных долей вторичных фаз в зависимости от дозы облучения
Таблица 1
Доза имплантации, Aa, МПа
ион/см2 Ааз Аал A а о р а
Исх. 400 390 25 815
11017 450 420 1270 2140
5-1017 460 420 1045 1925
10-1017 490 415 1120 2025
Из табл. 1 видно, что имплантация алюминия в исследуемый сплав ВТ1-0 привела к упрочнению практически в 2,5 раза. Доля вклада отдельных механизмов упрочнения в общее упрочнение сплава неодинакова. И вклад каждого из этих механизмов в каждом конкретном случае разный. Тем не менее, хорошо видно, что основной вклад в общее упрочнение после имплантации вносит Астор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Курзина И.А., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П. и др. Нанокристалличе-ские интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-плазменном воздействии. Томск: Изд-во НТЛ, 2008. 324 с.
2. Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды M3AI и TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: Изд-во Уро РАН, 2002. 358 с.
3. Ерошенко А.Ю., Шаркеев Ю.П., Толмачев А.И. и др. Структура и свойства объемного ультрамелкозернистого титана, полученного abc-прессованием и прокаткой // Перспективные материалы. 2009. №7. С. 107-112.
4. Курзина И.А., Попова Н.А., Калашников М.П. и др. Фазовое состояние титановых материалов после имплантации ионами алюминия // Изв. вузов. Физика. 2011. №11/3. С. 112-119.
5. Козлов Э.В., Конева Н.А. Природа упрочнения металлических материалов // Изв. вузов. Физика. 2002. № 3 (приложение). С. 52-71.
6. Конева Н.А., Козлов Э.В. Дислокационная структура и физические механизмы упрочнения металлических материалов // Перспективные материалы / под ред. Д.Л. Мерсона. Тула: Изд-во ТГУ, МИ-СиС, 2006. С. 267-320.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Kurzina I.A., Nikonenko A.V, Popova N.A., Nikonenko E.L., Kalashnikov M.P. INFLUNCE OF IRRADIATED DOSE ON HARDENNING OF ULTRAFINE TITANIUM
The investigation of the phase composition and structural state of the titanium with average size 0.2 before and after implantation by aluminum ions by transmission electron microscopy is made. The calculation of the boundary hardening in depends of the dose irradiation was made. It is shown that implantation leads to significant improvement of the structural-phase state and addition strength.
Key words: alfa-titanium; ion implantation; dose of irradiation; phase composition; grain; density of dislocations; hardening.
1704
