CC BY
45
УДК 539.431
ВЛИЯНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СОЧЕТАНИИ ВИНТОВОЙ И ПРОДОЛЬНОЙ ПРОКАТОК НА ДЕФЕКТНУЮ СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА ВТ1-0
© Ю.Р. Колобов, В.И. Бетехтин, Е.В. Голосов, А.Г. Кадомцев,
И.Н. Кузьменко, Б.К. Кардашев, М.В. Нарыкова
Ключевые слова: микрокристаллическая структура; прочность; упруго-пластические свойства; долговечность; усталость.
Проведено исследование дефектной структуры и долговечности микрокристаллического титана, полученного при винтовой и продольной прокатке. Установлено влияние образовавшейся после прокатки нанопористости на долговечность при испытании в режиме усталости.
Получение и исследование наноструктурных, высокопрочных материалов является одним из перспективных направлений современного материаловедения. В данной работе рассмотрены результаты изучения дефектной структуры и широкого спектра механических свойств микрокристаллического титана, полученного при интенсивной пластической деформации (ИПД) апробированным в [1] методом винтовой и продольной прокаток. При структурных исследованиях особое внимание уделялось выявлению наноразмерных областей пониженной плотности (в предельном случае -нанопор), образовавшихся в процессе ИПД. Комплексное исследование механических свойств включало длительное нагружение при испытании в режиме усталости и оценке предела ограниченной выносливости (стов) при 107 циклах, а также прочностных (пределов прочности ств, текучести as) и упруго-пластических (модуля упругости Е, декремента колебаний 5, предела микротекучести <зм) характеристик.
Механические испытания на растяжение проводили при комнатной температуре на установке Instron 5882 со скоростью деформации 1,5 мм/мин.
Для испытаний на усталость при изгибе с вращением использовалась высокоскоростная машина модели P.P. Mypa Instron RRM-A2. Частота вращения составляла 50 Гц. Исследования были проведены на образцах с имитирующим резьбовую канавку F-образным надрезом с радиусом R = 0,5 мм у основания.
Изучение упруго-пластических свойств проводилось акустическим резонансным методом составного пьезоэлектрического вибратора при продольных колебаниях на частотах около 100 кГц [2, 3], при этом измерение модуля Юнга Е и амплитудно-независимого декремента 5 проводилось в широком диапазоне деформаций.
Отметим, что при достаточно больших деформациях в титане возникает амплитудно-зависимое поглощение, что позволило оценить микропластические свойства в привычных для механических испытаний координатах «напряжение - неупругая деформация».
Определение плотности и ее изменение после ИПД проводилось с помощью прецизионного метода гидро-
статического взвешивания; относительная погрешность измерения не превышала 10-4. Модифицированным методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МРР) определялись размеры и концентрация неоднородностей электронной плотности, возникающих при ИПД. Для выявления природы неоднородностей изучалось МРР до и после воздействия высокого гидростатического давления, интенсивно влияющего только на неоднородности «пустотной» природы за счет их залечивания [3].
Структурные исследования проводились с помощью просвечивающей (Philips СМ12) и сканирующей электронной микроскопии (JEOL6490).
Весь комплекс исследований проводился на двух партиях (601 и 801) титана с одинаковым (но несколько разным по составу) содержанием примесей «0,077 wt. %. Обе партии переводились в микрокристаллическое состояние по одному режиму: поперечно-винтовая прокатка от диаметра 30 мм в диаметр 20 мм за один проход при 673 K, продольная прокатка до диаметра 12 мм при температуре 673 K и последующая поперечно-винтовая прокатка в пруток диаметром 8 мм при 293 К. Обе партии титана после ИПД подвергались отжигу при 823 K в течение 3 ч. Исходным перед ИПД для партии 801 являлось горячекатаное радиальносдвиговой прокаткой состояние, а для партии 601 -волочение.
В результате реализации указанного метода ИПД в прутках партий 801 и 601 было сформировано однородное субмикрокристаллическое состояние со средним размером элементов зеренно-субзеренной структуры 0,18 ± 0,01 и 0,19 ± 0,06 мкм, соответственно. При этом размеры элементов структуры изменяются в пределах от 0,07 до 0,36 мкм и от 0,07 до 0,47 мкм для партий 801 и 601, соответственно.
Механические испытания на растяжение и усталостные испытания на изгиб показали следующее.
Из табл. 1 видно, что механические свойства (ств, as, Е) партии 601 несколько выше, чем партии 801. В то же время стов., т. е. «долговечность» партии 801, заметно больше, чем партии 601.
1531
Таблица 1
Механические свойства титана
№ ^Bî °s, є, СТ0.в., Е,
партии МПа МПа % 107, МПа ГПа
801 850 670 12,5 252 ± 0,3 103 ± 1,5
601 905 722 10 214 ± 12 105 ± 0,8
Рассмотрим результаты измерения плотности, упруго-пластических свойств и дефектной структуры.
Особенно тщательно при изучении более 15 образцов каждой партии титана была измерена их плотность после ИПД. Установлено, что плотность образцов партии 801 составляет 4,5026 + 0,0007 г/см3, а партии 601 -4,4930 + 0,0008 г/см3. Это свидетельствует о том, что степень «разрыхленности», определяемая в т. ч. уровнем нанопористости, образцов партии 601 немного выше, чем в партии 801.
Исследования, проведенные методом МРР на образцах двух партий титана, подвергнутых ИПД до и после воздействия на них высокого гидростатического давления, и анализ полученных данных показали, что концентрация «высокоплотных» неоднородностей, (которыми, очевидно, являются карбиды) и «пустотных» неоднородностей (нанопор) в партии 601 больше, чем в партии 801. Сложность количественной оценке концентрации неоднородностей разной природы затруднена еще тем, что их размеры близки и составляют «20 нм. Отметим, что в аналогичном по ИПД титане ранее были выявлены карбиды, максимальный размер которых составляет «20 нм [4], что подтверждает связь «высокоплотных» неоднородностей с карбидами. Повышенная концентрация карбидов в партии 601 и ведет, вероятно, к более высокой нанопористости, образующейся в процессе ИПД в образцах этой партии.
Именно исходная (после ИПД) нанопористость и определяет стов. при длительном испытании в режиме усталости. На прочностные характеристики при активном растяжении эта небольшая нанопористость практически не влияет.
Результаты изучения упруго-пластических свойств обоих партий титана сведено в табл. 2.
Таблица 2
Механические свойства титана (акустические измерения)
№ партии Eak ®ak S, 10-5
801 106,50 25,05 125
601 107,45 25,40 110
Из табл. 2 видно, что полученные с высокой точностью из акустических измерений значения модуля качественно согласуются с результатами измерения модуля на основании механических испытаний, а данные по пределу микротекучести (на базе деформации «10-
100 нм) с результатами измерения предела текучести при механических испытаниях.
В работе [3] анализировались различные факторы, влияющие на модуль упругости Е. Как следует из теории и эксперимента, рост плотности дислокации и образование пор и трещин ведут к уменьшению модуля Е. В то же время на измеряемый модуль упругости помимо непосредственного влияния дислокаций и образования микронесплошностей влияют дальнодейст-вующие поля внутренних напряжений (через упругие постоянные высших порядков); возможно также и влияние на модуль фазового состава [5]. Два последних фактора могут приводить к росту модуля и, возможно, ств, üs, Стах в образцах партии 601 по сравнению с партией 801.
Предварительные данные показали, что термостабильность образцов партии 601 несколько выше, чем партии 801: микротвердость образцов партии 601 уменьшается при отжиге на «8-10 % меньше, чем в партии 801. Полученный результат естественно можно связать с более высокой концентрацией карбидов в партии 601.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов М.Б., Пенкин А.В., Колобов Ю.Р., Голосов Е.В., Нечаенко Д.А., А.Б.С. Теплая поперечно-винтовая прокатка в волках конической формы как метод интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 9. С. 13-18.
2. Бетехтин В.И., Колобов О.Р., Нарыкова М.В., Кардашев Б.К, Голосов Е.В., Кадомцев А.Г. Механические свойства, плотность и дефектная структура субмикрокристаллического титана ВТ1-0, полученного после интенсивной пластической деформации при винтовой и продольной прокатках // ЖТФ. 2011. Т. 81. Вып. 11. С. 58-63.
3. Бетехтин В.И., Sklenicka V., Sœcl I., Кардашев Б.К., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В. Влияние числа проходов при равноканальном угловом прессовании на упруго-пластические свойства, долговечность и дефектную структуру сплава Al + 0,2 wt. % Sc. // ФТТ. 2010. Т. 52. Вып. 8. С. 1517-1523.
4. Манохин С.С. Закономерности фазовых и структурных превращений в нелегированном титане марки ВТ1-0: автореф. дис. ... канд. физ-.мат. наук. Белгород, 2012. С. 19.
5. Chaim R., HefetzMJ. // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 3057-3063.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 13-02-00054 и 12-02-31575 мол_а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Kolobov Y.R., Betekhtin V.I., Golosov E.V., Kadamtsev A.G., Kuzmenko I.N., Kardashev B.K., Narykova M.V. INFLUENCE OF INTENSIVE PLASTIC DEFORMATION AT SCREW AND LONGITUDINAL ROLLINGS ON MECHANICAL PROPERTIES OF TITAN OF BT1-0
Research of defective structure and durability of the microcrystalline titan received at screw and longitudinal rolling is conducted. Influence of the nanoporosity formed after rolling on durability is established at test in a fatigue mode.
Key words: microcrystalline structure; durability; elastic plastic properties; fatigue.
1532
