ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА НА ТОПОГРАФИЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ И ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСКУЮ ВЫНОСЛИВОСТЬ СПЛАВА ОТ4 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.25987/^ТО.2019.15.6.016 УДК 53.072:621.791.4

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА НА ТОПОГРАФИЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ И ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСКУЮ ВЫНОСЛИВОСТЬ СПЛАВА ОТ4

А.Б. Булков1, В.В. Пешков1, А.Б. Коломенский2, Д.И. Бокарев1, Г.В. Селиванов1

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2ПАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество», г. Воронеж, Россия

Аннотация: нагрев титана до высоких температур приводит к образованию на его поверхности оксидных и газонасыщенных слоев, при этом резко ухудшаются механические характеристики материала и в первую очередь пластичность. В качестве критерия охрупченности поверхностных слоев на титане предложено использовать вид их излома, образующийся при разрушении, например изгибом. Для изучения строения изломов изготавливали полированные образцы размером 30x10x3 мм из листового сплава ОТ4, подвергаемые отжигу в вакууме 2,6 Па при температурах 600 - 900 °С и затем разрушали изгибающим усилием. Толщину оксидных пленок оценивали по их интерференционной окрашенности, а глубину газонасыщенного слоя - замером микротвердости поверхности после регламентированного съема части поверхностного слоя химическим травлением. О влиянии оксидных и газонасыщенных слоев на механические свойства сплава ОТ4 судили по результатам испытаний образцов из листового проката толщиной 0,8 мм на повторно-статическое растяжение при коэффициенте асимметрии цикла Я=+0,1, частоте 0,6-0,8 Гц и напряжении омахр(0,6...0,8)рв на установке УММ-10. При изучении строения изломов можно выявить зону хрупкого разрушения, соответствующую распространению трещины в оксиде и охрупченной части газонасыщенного слоя, и зону квазивязкого разрушения, в которой присутствуют гребни отрыва, переходящие в ямочный рельеф, сформировавшийся при распространении трещины в части газонасыщенного слоя, с концентрацией кислорода недостаточной для охруп-чивания. Механические испытания образцов показали, что при образовании на поверхности охрупченных слоев глубиной более 20 мкм их долговечность при повторно-статических испытаниях не превышает (15.18) % от долговечности основного материала. Восстановление усталостных характеристик титановых сплавов предложено выполнять удалением поверхностного слоя толщиной не менее толщины охрупченного, например химическим травлением

Ключевые слова: титановые сплавы, охрупчивание, излом, циклическая выносливость, химическое травление

Введение

Титан как никакой другой конструкционный материал способен растворять большое количество кислорода [1]. Поэтому при высокотемпературной обработке взаимодействие титана с газами приводит не только к образованию химических соединений в виде отдельных фаз на поверхности металла (оксидов), но и к растворению газов в металле, сопровождающимся формированием газонасыщенных слоев.

Увеличение содержания кислорода в титане выше некоторого критического значения (Скр>0,8 % [2]) приводит к охрупчиванию и потере служебных свойств: падает пластичность, прочность, сопротивление зарождению и распространению трещин и т.д. Очевидно, что та часть поверхностного слоя, где концентрация кислорода С>Скр должна иметь свойства, резко отличающиеся в отрицательную сторону от основного металла. Присутствие охрупченного

© Булков А.Б., Пешков В.В., Коломенский А.Б., Бокарев Д.И., Селиванов Г.В., 2019

слоя на поверхности наиболее опасно для изделий, работающих под нагрузкой.

Рис. 1. Схема окисления титана, сопровождающегося растворением кислорода в металле, с образованием оксидной пленки: у - толщина оксидной пленки; ёохр - глубина охрупченного слоя; h - глубина газонасыщенного слоя

В настоящее время изучение состояния поверхностных слоев титана выполняется несколькими методами, в том числе по микротвердости, микроструктуре, с помощью рентге-ноструктурного и рентгеноспектрального анализа, Оже-спектроскопии и т.д.

Основным недостатком этих методов является отсутствие возможности определения

величины наиболее опасной охрупченной части окисленного слоя.

В качестве интегральной характеристики, отражающей состояние, свойства материала и его поверхностных слоев, можно рассматривать вид излома, сформировавшегося при одинаковых условиях разрушения (напряженное состояние, вид и скорость нагружения, температура испытания и т.д.) [3]. Поэтому в качестве критерия охрупченности поверхностных слоев титана, обусловленной его взаимодействием с газами, выбран вид излома (хрупкий, вязкий), полученный при разрушении.

Целью данной работы было установление влияния на топографию поверхности разрушения и механические свойства титана оксидных и газонасыщенных слоев, образующихся на его поверхности в процессе отжига.

Результаты исследований

Строение изломов поверхностных слоев после газонасыщения изучали на образцах размером 30^10x3 мм, изготавливаемых из серийно выпускаемого листового сплава ОТ4. Исследуемую поверхность образцов перед отжигом полировали и обезжиривали. Для образования поверхности излома образцы после отжига деформировали до разрушения изгибающим усилием в специальном приспособлении по схеме (рис. 2). С целью облегчения разрушения с обратной стороны образца делали надрез глубиной равной 2/3 от его толщины. Под действием растягивающих напряжений от изгибающего момента в поверхностных слоях образца появлялись трещины и при увеличении нагрузки распространялись по его сечению.

Рис. 2. Схема разрушения плоских образцов

В процессе отжига на поверхности образцов формировались оксидные пленки, толщину которых оценивали по их интерференционной окрашенности [1]. Глубину газонасыщенного слоя (И) оценивали путем замера микротвердо-

сти поверхности после регламентированного съема части поверхностного слоя на заданную величину химическим травлением в смеси азотной и плавиковой кислот. Скорость съема металла при этом составляла приблизительно 1 мкм/мин. Микротвердость замеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0,5 Н.

О влиянии оксидных и газонасыщенных слоев, образовавшихся в процессе вакуумного отжига на механические свойства сплава ОТ4 судили по результатам испытаний образцов из листового проката толщиной 0,8 мм на повторно-статическое растяжение при коэффициенте асимметрии цикла ^=+0,1, частоте 0,6-0,8 Гц и напряжении амах~(0,6...0,8)ав на установке УММ-10 [4].

Поскольку испытания на повторно-статическое растяжение могут производиться при различных напряжениях, то в качестве характеристики материала целесообразно использовать не абсолютное значение числа циклов до разрушения, а относительное - Шотн (Шопш=Ыа/Ы, где Ыа - количество циклов до разрушения образца после его вакуумного отжига, N - количество циклов до разрушения образца с полностью стравленным газонасыщенным слоем).

Типичные виды изломов образцов из сплава ОТ4 в состоянии поставки (без вакуумного отжига) после их разрушения изгибом приведены на рис. 3. Видно, что поверхность разрушения характеризуется вязким ямочным изломом, сформировавшимся по механизму зарождения и развития микронесплошностей.

Виды изломов поверхностных слоев, сформировавшихся в процессе отжига в вакууме 2,6 Па при температурах 600 - 900 °С, приведены на рис. 4-6.

На поверхности изломов выделяются зона хрупкого разрушения, в пределах которой распространение трещины происходит в оксиде и охрупченной части газонасыщенного слоя титана, где С>Скр (см. рис. 1), и зона квазивязкого разрушения, в которой присутствуют гребни отрыва, переходящие в ямочный рельеф, сформировавшийся при распространении трещины в части газонасыщенного слоя с недостаточной для охрупчивания концентрацией кислорода.

После отжига при К600 °С формируются охрупченные слои в виде пленки (корки) с достаточно выраженными границами раздела между этим слоем и металлом. В процессе деформации образца изгибом происходит дробление этого слоя, обусловленное различной пластичностью металла-подложки и находящегося на его поверхности слоя (см. рис. 4).

в исходном состоянии

Рис. 4. Типичный вид изломов поверхностных слоев, сформировавшихся на сплаве ОТ4 в процессе отжига при 600 °С

в х10 000

Рис. 5. Типичный вид изломов поверхностных слоев, сформировавшихся на сплаве ОТ4 в процессе отжига при 700 °С

в х10 000

Рис. 6. Типичный вид изломов поверхностных слоев, сформировавшихся на сплаве ОТ4 в процессе отжига при 900 °С

Сопоставление полученных значений ёохр (см. рис. 1) с толщиной оксидных пленок (у) на поверхности этих же образцов показывает, что ¿охр»У, т.е. охрупченный слой состоит из оксида и части газонасыщенного слоя. При этом граница между оксидом и газонасыщенным слоем хотя и существует (о чем свидетельству-

ет четкая интерференционная окрашенность поверхности образца), но в изломе не выявляется (см. рис. 4, в). Это вероятно обусловлено высокой степенью когерентности кристаллических решеток оксида и газонасыщенного слоя на их границе.

После отжига при температурах 700 °С и выше охрупченный слой в изломе выглядит как единое целое с материалом подложки (рис. 5, 6). При глубине охрупченного слоя ¿охр<10 мкм поверхность скола выглядит сплошной полосой, содержащей незначительное количество ступенек (рис. 5). При больших размерах охрупченной части газонасыщенного слоя поверхность разрушения состоит из совокупности фасеток транскристаллитного излома (рис. 6).

О влиянии температуры вакуумного отжига в течение 60 мин. на толщину образующихся оксидных пленок (у), охрупченных (ёохр) и газонасыщенных (И) слоев можно судить по экспериментальным данным, приведенным в таблице.

^ °С 500 600 700 800 900

у, мкм 0,036 0,055 0,0608 0,11* 0,15*

Зохр, мкм 0,205 0,69 4,1 16,2 41,2

И, мкм 0,71 2,95 16,2 58,5 149,0

* - толщина оксида оценивалась по поверхности его разрушения в изломе образца

При этом величина микротвердости поверхностей образцов, замеренная при нагрузке на индентор 0,5 Н, с повышением температуры отжига от 500 до 900 °С возрастала от 3,7 ГПа до 10,6 ГПа, а глубина внедрения индентора уменьшалась от 2,23 мкм до 1, 25 мкм, соответственно.

Из сопоставления результатов, приведенных в таблице, следует, что если после отжига при 500 °С толщины образующихся оксидных пленок и газонасыщенных слоев отличаются в разы, то после отжига при 900 °С эта разница составляет 2-3 порядка. При этом с повышением температуры от 500 °С до 900 °С доля толщины оксидной пленки в охрупченном слое (у/дохр) уменьшается от ~17 % до ~0,3 %, а доля толщины охрупченной части в газонасыщенном слое (Зохр/И) практически не зависит от температуры и ее осредненное значение составляет ~26 %.

Такую закономерность в соотношении толщин оксидных и газонасыщенных слоев, образующихся при отжиге на поверхности титана в результате его взаимодействия с кислородом, можно объяснить тем, что рост оксидов

и газонасыщенных (в том числе охрупченных) слоев контролируется разными процессами. Согласно [1], рост оксидной фазы контролируется диффузией ионов титана в оксиде, а рост газонасыщенных слоев - диффузией ионов кислорода в титане. При этом энергии активации процессов образования оксидов (Ео) и поглощения кислорода металлической основой (Ер) составляют соответственно 106 и 258 кДж/моль [2], т.е. Ер > Ео, и с повышением температуры соотношение между толщинами образующихся оксидов и газонасыщенных слоев (у/дохр) должно уменьшаться, что и наблюдается. Испытания образцов на повторно-статическое растяжение показали, что разрушение образцов происходит в малоцикловой области и наличие на их поверхности охруп-ченных слоев приводит к уменьшению циклической долговечности сплава ОТ4 (рис. 7).

Ыоши

□ 10 20 30 40 (5адмкм

Рис. 7. Зависимость относительного числа циклов до разрушения образца из сплава ОТ4 при повторно-статическом растяжении Мотн от толщины охрупченного слоя

Топография поверхности разрушения образца после его отжига при 800 °С в течение 1 часа и испытания на повторно-статическое растяжение приведены на рис. 8. На поверхности разрушения присутствует зона зарождения и распространения трещины в охрупченном слое (рис. 8, а), переходящая в участок газонасыщенного слоя, где С<Скр (рис. 8, б, в), и зону долома (рис. 8, г), характеризуемую мелкоямочным изломом, сформировавшимся по механизму зарождения и слияния несплошностей, типичному для разрушения сплава ОТ4.

в

Рис. 8. Топография поверхности разрушения после испытания на повторно-статическое растяжение: а - зона зарождения трещины; б, в - зона распространения трещины; г - зона долома, *4000

г

Рис. 8. Топография поверхности разрушения после испытания на повторно-статическое растяжение: а - зона зарождения трещины; б, в - зона распространения

трещины; г - зона долома, *4000 (продолжение)

Из зависимости Nоnш=f(Sохр), приведенной на рис. 7, следует, что наличие на поверхности образцов охрупченных слоев ¿охр<(10...15) мкм приводит к значительному снижению их усталостных характеристик, дальнейшее увеличение глубины охрупченных слоев снижает служебные свойства в меньшей степени. При ёохр>20 мкм долговечность образцов при повторно-статических испытаниях не превышает (15.18) % от долговечности основного материала.

Технологическим приемом, обеспечивающим восстановление усталостных характеристик титановых сплавов, содержащих на поверхности газонасыщенные слои, может быть удаление этих слоев, например химическим травлением в смеси азотной и плавиковой кислот. После каждого травления измерялась толщина образца, выполнялась подполировка мелкозернистой шкуркой не более чем на 1-2 мкм и производился замер микротвердости.

После травления на регламентированную глубину образцы подвергали испытаниям на повторно-статическое растяжение. Зависимость относительного числа циклов до разрушения образца и величины микротвердости поверхности от толщины удаленного слоя приведены на рис. 9. Результаты испытаний показывают, что с увеличением глубины съема газонасыщенного слоя микротвердость поверхности падает, а количество циклов до разрушения растет.

Анализ результатов позволяет выявить две закономерности. Во-первых, удаление части газонасыщенного поверхностного слоя толщи-

ной равной толщине охрупченного (I = Зохр) приводит к повышению долговечности до уровня сплава ОТ4 в состоянии поставки.

Во-вторых, неполный съем газонасыщенного слоя обеспечивает большую долговечность, чем полный. Максимум повторно-статической выносливости, превышающий уровень выносливости материала в состоянии поставки, достигается при удалении слоя толщиной 1~2,6•Зохр (рис. 9).

Повышение долговечности при неполном стравливании газонасыщенного слоя обусловлено, вероятно, получением некоторого оптимального значения концентрации примесей внедрения (кислорода) в поверхностном слое и, как следствие этого, увеличением времени, которое необходимо для зарождения критической микротрещины.

Рис. 9. Зависимость числа циклов до появления трещин при повторно-статическом растяжении (^ М) и микротвердости поверхности (НУ) образцов из листового сплава ОТ4 толщиной 0,8 мм от глубины съема (I) газонасыщенного слоя, сформировавшегося в процессе отжига при 650 °С в течение 1 часа

Выводы

1. При оценке служебных свойств изделий из титановых сплавов после высокотемпературного отжига в газовых средах обобщенной характеристикой состояния поверхности может служить глубина охрупченного слоя.

2. В качестве критерия охрупченности поверхностных слоев на титане предложено использовать вид их излома (хрупкий, вязкий), образующийся при разрушении, например, изгибом.

3. При образовании на поверхности сплава ОТ4 охрупченных слоев глубиной более 20 мкм его долговечность при повторно-статических испытаниях не превышает (15___18) % от долговечности основного материала.

4. Восстановление циклической долговечности сплава ОТ4 после высокотемпературной обработки до исходного уровня достигается удалением поверхностного слой толщиной >6охр, а максимальный уровень повторно-статической выносливости достигается при удалении слоя толщиной l~2,5 0охр.

Литература

1. Окисление титана и его сплавов / А.С. Бай, Д.И. Лайнер, Е.Н. Слесарева, М.И. Ципин. М.: Металлургия, 1970. 320 с.

2. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979. 511 с.

3. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. 71 с.

4. Повторно-статическая выносливость листового сплава ОТ4 с не полностью удаленным поверхностным газонасыщенным слоем / А.Б. Коломенский, Б.А. Колачев, А.Н. Рощупкин, А.В. Дегтярев // Физико-химическая механика материалов. 1989. № 5. С. 112-114.

Поступила 27.09.2019; принята к публикации 09.12.2019

Информация об авторах

Булков Алексей Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-960-124-38-11, e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846

Пешков Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-473-278-38-84, e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574

Коломенский Александр Борисович - д-р техн. наук, профессор, главный металлург, ПАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), тел. 8-910-244-38-95, e-mail: kolomen-skii_alek@inbox.ru

Бокарев Дмитрий Игоревич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-950-765-20-26, e-mail: dbokarev@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2438-4219

Селиванов Георгий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-473-278-38-84, e-mail: selivanovgv@bk.ru

INFLUENCE OF VACUUM ANNEALING ON TOPOGRAPHY OF DESTRUCTION SURFACES AND REPEATED-STATIC ENDURANCE OF ALLOYS OT4

A.B. Bulkov1, V.V. Peshkov1, A.B. Kolomenskiy2, D.I. Bokarev1, G.V. Selivanov1

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2PJSC "VASO", Voronezh, Russia

Abstract: heating of titanium to high temperatures leads to the formation of oxide and gas-saturated layers on its surface, while the mechanical characteristics of the material and, in the first place, plasticity, sharply deteriorate. In this article, as a criterion for the embrittlement of surface layers on titanium, it is proposed to use the form of their fracture formed upon failure, for example, by bending. We studied the structure of fractures on polished samples of size 30x10x3 mm from OT4 sheet alloy, which were annealed in a vacuum of 2.6 Pa at temperatures of 600-900 °C and then destroyed by bending force. The thickness of the oxide films was estimated by their interference coloration, and the depth of the gas-saturated layer - by measuring the surface microhardness after the regulated removal of part of the surface layer by chemical etching. The effect of oxide and gas-saturated layers on the mechanical properties of the OT4 alloy was judged by the results of tests of

0.8.mm thick sheet metal samples on repeated static tension at a cycle asymmetry coefficient of R=+0.1, a frequency of 0.60.8 Hz, and stresses amax= (0.6...0.8) av at the UMM-10 installation. The structure of fractures makes it possible to reveal a brittle fracture zone corresponding to the propagation of a crack in an oxide and a brittle part of a gas-saturated layer and a quasi-viscous fracture zone in which the separation crests transform into a dimple formed during crack propagation in a part of a gas-saturated layer with an oxygen concentration insufficient for embrittlement. Mechanical tests of the samples showed that when brittle layers with a depth of more than 20 microns are formed on the surface, its durability during repeated-static tests does not exceed (15...18)% of the durability of the base material. The restoration of the fatigue characteristics of titanium alloys, it is proposed to perform the removal of the surface layer with a thickness not less than the thickness of embrittle, for example, by chemical etching

Key words: titanium alloys, embrittlement, cyclic endurance, annealing, chemical etching

References

1. Bai A.S., Liner D.I., Slesareva E.N., Qiping M.I. "Oxidation of titanium and its alloys" ("Okisleniye titana i ego splavov"). Moscow: Metallurgy, 1970, 320 p.

2. Zwicker W. "Titanium and its alloys" ("Titan i ego splavy"), Moscow, Metallurgiya, 1976, 447 p.

3. Gordeeva T.A., Zhegina I.P. "Analysis of kinks in assessing the reliability of materials" ("Analiz izlomov pri otsenke nadezhnosti materialov"), Moscow, Mashinostroenie, 1978, 71 p.

4. Kolomenskij A.B., Kolachev B.A., Roshhupkin A.N., Degtjarev A.V. "Restatic endurance of sheet alloy OT4 with incompletely remote gas-saturated surface layer", Physical and Chemical Mechanics of Materials (Fiziko-khimicheskaya me-khanika materialov), 1989, no. 5, pp. 112-114.

Submitted 27.09.2019; revised 09.12.2019 Information about the authors

Aleksey B. Bulkov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846

Vladimir V. Peshkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574

Aleksandr B. Kolomenskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, PJSC "VASO" (27 Tsiolkovskogo st., Voronezh, 394026, Russia), email: kolomenskii_alek@inbox.ru

Dmitriy I. Bokarev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: dbokarev@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2438-4219

Georgiy V. Selivanov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: selivanovgv@bk.ru