CC BY
69
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
УДК 669.295.017:539.43
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
THE INFLUENCE OF STRUCTURE PARAMETERS FOR FRACTURE AND PLASTIC PROPERTIES OF HIGH-STRENGTH TITANIUM ALLOYS
V.V. Shevelkov
Аннотация. Показано, что параметры микроструктуры заметно влияют на скорость роста усталостной трещины и вязко-пластические свойства высокопрочного сплава ВТ22 после трех видов термической обработки: стандартного отжига, высокотемпературного старения и термоциклической обработки.
Ключевые слова: высокопрочные титановые сплавы; трещиностойкость; параметры микроструктуры; термоциклическая обработка; высокотемпературное старение; крупнозернистая структура.
Abstract. It is shown that the microstructure parameters significantly affect the growth rate of the fatigue crack growth and visco-plastic properties of high-strength alloy VT22 after three types of heat treatment: annealing standard, high temperature ageing and processing of thermal сycling.
Key words: high-strength titanium alloys; crack resistance; microstructure parameters; processing of thermal суcling; high temperature aging; coarse-grained structure.
Высокопрочные (a+P) - титановые сплавы занимают одно из ведущих мест по удельной прочности среди конструкционных материалов. Однако их использование затрудняется вследствие низких значений характеристик, определяющих долговечность и запас надежности материала в конструкции и, в первую очередь, статической и циклической трещиностойкости.
Проблема повышения прочности титановых сплавов тесно связана с возможностью сохранения пластических характеристик и показателей работоспособности на высоких уровнях. Эти свойства определяются комплексом параметров структуры, зависящих от состава сплавов, технологии деформирования и режимов термической обработки. Такими параметрами являются [1]: величина Р-зерна, морфология, размеры внутризеренных a-выделений, размер a-колоний или пачек a-пластин, кроме того, необходимо учитывать влияние размера выделений вторичной a-фазы, толщину составляющих межфазных прослоек, внутреннее строение a-пластин и др.
Многообразие структур титановых сплавов определяет изменение в широких пределах их свойств. Из этого следует, что путем оптимизации структуры можно добиться реализации существенных резервов повышения вязко-пластических характеристик сплавов титана.
Повысить механические свойства этих сплавов можно термической обработкой, эффективность которой существенно зависит от исходной микроструктуры полуфабриката, технологии деформирования, скорости охлаждения после предварительной высокотемпературной обработки [2].
Цель настоящей работы - изучить влияние параметров структуры, полученной различными способами термической обработки на механические свойства и особенности разрушения высокопрочного (а+Р)-титанового сплава ВТ22 (5,45% А1; 4,60% Мо; 4.85% V;
В.В. Шевельков
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
1,06% Cr; 1,03% Fe; 0,18% Zr; 0,14% Si; 0,14% С; 0,20% О; 0,015% Н; остальное - титан). Сплав склонен к росту Р-зерна при нагреве в процессе термической обработки или сварки с резким уменьшением вязко-пластических характеристик. Поэтому для моделирования реальных условий работы этого материала исследования проводили на крупнозернистых полуфабрикатах.
Воздействие последующей термической обработки на структуру и свойства сплава ВТ22 изучали на двух партиях образцов с крупным зерном, при этом учитывали влияние исходного состояния металла:
1) вырезанных в поперечном направлении из поковок, покованных с малыми степенями деформации (средняя величина исходных Р-зерен равна 800 мкм, максимальная -5-10 мм);
2) кованых и подвергнутых последующей закалке из Р-области (9500С, 1 ч, охлаждение в воде). В результате нагрева под закалку образцов второй партии формируется структура с крупным рекристаллизованным зерном Р-фазы (средний размер 1000 мкм).
На микроскопе «EPIPHOT 200» (модель TME200, NIKON) определяли параметры пластинчатых структур: величину исходных Р-зерен, размер внутризеренных колоний, толщину и длину первичной а-фазы, расстояние между пластинами, ширину а-оторочки по границам. Фрактографический анализ изломов образцов осуществляли на микроскопе РЭМ-200. Кратковременные механические свойства при нормальной температуре определяли согласно ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, статическую трещиностойкость K1C - согласно
ГОСТ 25.506-86 на образцах размером 30х30х175 мм при условии t > 2,5(K1C /ст02), где t -
толщина образца.
Последующая термическая обработка должна была повысить вязко-пластические свойства при сохранении относительно высокой прочности сплава ВТ22. Исследовали влияние термообработки трёх видов:
1) стандартный двойной отжиг (СДО), с помощью которого в заводских условиях достигается высокопрочное состояние кованых полуфабрикатов: нагрев до 820-8500С, выдержка 1-3 часа, охлаждение с печью до 730-7500С, выдержка 1-2 часа, охлаждение на воздухе; последующее старение при температуре 600-6300С длительностью 3-4 часа, охлаждение на воздухе [3];
2) высокотемпературное (700-800°С) старение (ВС) длительностью 10-100 часов;
3) термоциклическая обработка (ТЦО) по следующему режиму [4]: нагрев в Р-области, охлаждение в (а+Р)-области, выдержка в этой области с последующим нагревом вновь в Р-области (такие термоциклы повторяли 4 раза).
Изменение параметров микроструктуры сплава после указанных выше видов термообработки наблюдалось в широких пределах (табл. 1).
Режим стандартного двойного отжига не обеспечивает высокого уровня пластических свойств (KCU, 5, у) полуфабрикатов с крупно- и разнозернистой структурой из исследуемого сплава (табл. 2). Исследования выполненные на предварительно закаленных из Р-области образцах позволили объяснить такое снижение вязко-пластических характеристик.
После закалки сплав имеет крупное и рекристаллизованное зерно Р-фазы, способной к активному распаду. Такой распад при последующей термической обработке многостадийный (от зарождения сегрегатов до появления когерентной а-фазы и ее обособления) и сопровождается аномальными изменениями механических и физических свойств (резкое упрочнение и сопутствующее ему охрупчивание, проявление отрицательной ползучести и повышение плотности, резко выраженные тепловые эффекты и изменение электросопротивления и др.), возникающими в инкубационный период распада, т. е. задолго до появления обособленной а-фазы [5].
Обособление а-фазы, протекание процессов релаксации и снятие пиков перенапряжений, наблюдающихся в инкубационном периоде распада Р-твердого раствора,
приводят к повышению ударной вязкости и пластичности. Наиболее полно эти структурные изменения проявляются при температурах старения 700-8000С и длительности 10-100 часов (режим высокотемпературного старения). Выдержки 1-3 часа при 820-850°С и 1-3 часа при 730-7500С (стандартная термообработка) недостаточны для получения оптимальной микроструктуры и значительного повышения пластических свойств сплава.
Таблица 1 - Параметры структуры сплава ВТ22 в зависимости от вида термообработки
Вид Средние парамет ры структуры, мкм
термообработки Величина Размер Толщина Длина Расстояние Ширина а-
исходных внутризеренн первичной первичной а- между а- оторочки по
в-зерен ых а-колонии а-фазы фазы пластинами границам зерен
Кованный
СДО 800 до 50 2 - 4 4 - 10 4 - 10 1 - 2
ВС 800 200 - 400 3 - 6 25 - 40 3 - 5 4 - 8
ТЦО 800 10 - 40 1 - 2 10 - 40 до 0,5 1 - 2
Предварительно закаленный из в-области
СДО 1000 до 40 1 - 3 1 - 5 4 - 6 0,5 - 1
ВС 1000 100 - 400 2 - 4 15 - 30 1 - 2 4 - 6
ТЦО 1000 20 - 40 1 - 2 20 - 40 до 0,5 до 2
Одновременно повысить пластические и прочностные свойства (табл. 2) позволяет термоциклическая обработка сплава. После термоциклирования разрыв между временным сопротивлением и пределом текучести увеличивается, что свидетельствует о большей способности металла к деформационному упрочнению и возможности снятия перенапряжения.
Таблица 2 - Механические свойства сплава ВТ22 в зависимости от вида термообработки
Вид термообработк! Средние механические свойства при 20°С
° в, МПа °0,2> МПа 5, % % ши, КДж/м2 МПа4м
Кованный
СДО 1050 1000 6,2 25,2 280 56
ВС 970 890 10,4 39,3 300 92
ТЦО 1140 1050 13,8 46,8 710 120
Предварительно закаленный из в - области
СДО 860 820 3,4 16,4 170 38
ВС 860 780 10,6 36,7 350 86
ТЦО 1120 1020 10,1 24,8 530 100
Значения K1C сплава ВТ22 после различных режимов термической обработки устойчиво коррелируют с характеристиками пластичности (5, ив меньшей степени с ударной вязкостью KCU (табл. 2). При этом максимальные значения K1C =100-120 МПал[м
имеет сплав после ТЦО и высокотемпературного старения (86-92 МПат[м), а после упрочнения в режиме двойного отжига K1C =38-52 МПал[м . Однако наибольшее влияние на механические свойства, в том числе и трещиностойкость, титановых сплавов оказывают дислокационное строение, тип и параметры микроструктуры сплава. После термообработки по режимам двойного отжига и высокотемпературного старения формируются крупнозернистые структуры пластинчатого типа с толщиной а-пластин - 2-6 мкм. Во втором
случае размер колоний резко увеличен (табл. 1). Для структуры сплава после высокотемпературного старения характерны увеличенная (в 2-4 раза) ширина а-оторочки по границам Р-зерен и меньшее расстояние между а - пластинами (3-5 мкм по сравнению с 4-10 мкм после стандартной термообработки). Эти отличия в структурах обусловливают повышение пластических свойств после высокотемпературного старения (табл. 2). Наибольшее влияние на параметры К1С, 5 и ^ оказывают размер колоний, ширина а -
оторочки по границам зерен.
В сплаве после ТЦО внутри крупных Р-зерен образуются фрагменты размером 10-40 мкм. В фрагментах и по их границам в процессе выдержки и окончательного охлаждения возникают пластины а-фазы.
Повышение пластических свойств сплава после разработанных режимов термообработки коррелирует с уменьшением расстояния между а-пластинами и увеличением отношения их длины к толщине (от 1-2,5 после стандартной термообработки до 4-15 после высокотемпературного старения и ТЦО).
После двойного отжига разрушение характеризуется ямочным микрорельефом и участками квазискола со слаборазвитым рельефом, отображающим пластинчатое строение сплава (рис.1).
Рисунок 1 - Микрофрактограммы сплава ВТ22 после стандартного двойного отжига (а), термоциклической обработки (б) и высокотемпературного старения (в).
х 1000
После ТЦО преобладает вязкое разрушение, поверхностный рельеф излома со следами большей пластической микродеформации. Ямки глубокие, на боковых стенках заметны следы скольжения, а в отдельных местах видны вязкие трещины, микронадрывы. Следовательно, разрушение происходит путем зарождения, роста и слияния между собой мелких пор, возникающих вокруг структурных концентраторов. Прослеживается четкая взаимосвязь между диаметром ямок с высокими гребнями и размером внутризеренных фрагментов (10-40 мкм), образующихся в крупных зернах сплава после термоциклической обработки.
Высокотемпературное старение также обусловливает вязкое разрушение с ямочным рельефом излома. Однако оно менее энергоемко, ямки меньшей глубины. В ряде случаев рельеф излома достаточно точно повторяет структуру шлифа, это свидетельствует о том, что разрушение происходит по межфазным границам.
Параметры микроструктуры заметно влияют и на скорость роста усталостной трещины. Так, исследованием циклической трещиностойкости сплава после высокотемпературного старения в (а+Р)-области установлено, что при крупнозернистой структуре с большим размером а-колоний имеет место значительное понижение скорости роста усталостной трещины (рис. 2), которая распространяется, в основном, поперек пластин а-фазы, меняя свое направление от одной колонии к другой, разветвляется и ее скорость
http://vestnik-nauki.ru/
может замедляться при изменении направления развития.
Рисунок 2 - Диаграммы усталостного разрушения сплава ВТ22 после стандартного двойного отжига (•); высокотемпературного старения (А); термоциклической обработки (П).а - горячекатаное состояние; б - после предварительной закалки из в - области.
После стандартного двойного отжига значения скорости роста усталостной трещины повышаются (рис. 2). Трещина распространяется по межфазным границам, часто вдоль пластин а-фазы, изменяя свою ориентацию от зерна к зерну.
Наличие сложной фрагментированной структуры с выделениями а-фазы внутри и по границам фрагментов и в-зерен после ТЦО приводит к нелинейному развитию магистральной трещины, извилистость трещины и вторичное растрескивание вызывают уменьшение скорости ее роста (рис. 2).
Сплав, подвергнутый термоциклированию, отличается высоким значением параметра Кл (8 МПау[м ), на который при испытании на воздухе существенно влияет микроструктура [6]. Более высокие пороговые значения К й (8-9 МПа4м) имеет сплав после высокотемпературного старения. После стандартной термообработки усталостная трещина начинает интенсивно расти при значениях К л, равных 1,5-2,5 МПа4м . Высокие значения
К л свойственны микроструктурам сплава ВТ22, обеспечивающим пониженную скорость
роста трещины, ее ветвление и вторичное растрескивание.
Выводы.
Повышение пластических свойств, в том числе и трещиностойкости, кованых полуфабрикатов и предварительно закаленных из в-области можно достичь путем создания:
- пластинчатой структуры после высокотемпературного старения в (а+в)-области с такими параметрами: размером колоний 200-400 мкм, расстоянием между а-пластинами 1-4 мкм, шириной а-оторочки по границам в-зерен 4-8 мкм;
- фрагментированной структуры после термоциклической обработки с размером
фрагментов и а-колоний 10-40 мкм, расстоянием между а-пластинами до 0,5 мкм.
Рост K1C устойчиво коррелирует с уменьшением расстояния между а-пластинами и
увеличением отношения длины к толщине а-пластин. В изломах после испытания на трещиностойкость видны участки внутризеренного и межзеренного разрушения с ямочным микрорельефом, что свидетельствует о вязком разрушении. Сплав после термоциклирования и высокотемпературного старения, т. е. со структурами, обеспечивающими ветвление и вторичное растрескивание трещины, имеет низкую скорость роста трещины, и в 2-4 раза более высокие значения коэффициента Kth по сравнению со стандартной термообработкой.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Брун М.Я. и др. Механические свойства титановых сплавов в зависимости от параметров пластинчатой структуры / М.Я. Брун, Н.З. Перцовский, Г.В. Шаханова, В.Л. Родионов // Титан. Металловедение и технология / Труды 3 Междунар. конф. по титану, Москва, май 1976. М.: ВИЛС, 1978. Т.3. С. 17-25.
2. Дроздовский Б. А., Проходцева Л. В., Новосильцева Н. И. Трещиностойкость титановых сплавов. М.: Металлургия, 1983. 192с.
3. Моисеев В.Н., Захаров Ю.И., Знаменская Е.В. Перспективы развития высокопрочных титановых сплавов // Титан. Металловедение и технология: Труды 3-й междунар. конф. по титану. М.: ВИЛС, 1978. С. 285 - 291.
4. Паршин А.М., Барсуков В. Н., Шевельков В.В. Влияние термоциклической обработки на повышение пластичности и вязкости крупнозернистых полуфабрикатов титанового сплава ВТ22. // Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов. Л.: ЛДНТП, 1986. С. 33 - 37.
5. Шевельков В.В. Исследование распада метастабильных фаз в титановых сплавах // Труды Псковского политехнического института СПбГТУ. Санкт-Петербург: Издательство СПбГТУ, 2000, №4. С. 289 - 294.
6. Металлография титановых сплавов / Под ред. Глазунова С.Г., Колачева Б. А. М.: Металлургия, 1980. 463с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Шевельков Валерий Владимирович
ФГБОУ ВПО «Псковский государственный университет», г. Псков, Россия, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой механики и автотранспортного сервиса, член Российской инженерной академии, член-корреспондент Международной академии наук высшей школы,
E-mail: shevelkov@mail.ru.
Shevelkov Valery Vladimirovich
FGBOU VPO «Pskov state University», Pskov, Russia, candidate of technical Sciences, Professor, head of Department of mechanics and road service, member of the Russian Academy of engineering, corresponding member of International Academy of Sciences of higher school,
E-mail: shevelkov@mail.ru.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов: 180000, г. Псков, ул. Л. Толстого, 4, ПсковГУ, Кафедра механики и автотранспортного сервиса, Шевельков В.В. тел. 8(8112)79-76-86, тел. моб. 89215004322.
