научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА ЭВОЛЮЦИЮ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ TI–AL–V В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА ЭВОЛЮЦИЮ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ TI–AL–V В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.295'71 '292:539.4.016.3

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА ЭВОЛЮЦИЮ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Ti-Al-V В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

© 2015 г. И. В. Раточка, О. Н. Лыкова, Е. В. Найденкин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, просп. Академический, 2/4

e-mail: ivr@ispms.tsc.ru Поступила в редакцию 10.12.2013 г.; в окончательном варианте — 29.08.2014 г.

Изучено влияние отжигов при 673 К в течение 6—24 ч на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава системы Ti—Al—V, предварительно подвергнутого интенсивной пластической деформации методом всестороннего прессования. Установлено, что указанные отжиги приводят к немонотонной зависимости механических свойств сплава от времени отжига. Показано, что при отжигах сплава Ti—Al—V в субмикрокристаллическом состоянии в нем одновременно протекают как процессы, способствующие упрочнению сплава (образование в результате фазовых превращений мелкодисперсных частиц и формирование новых зерен в нанометровом диапазоне), так и процессы, приводящие к его разупрочнению (развитие процессов возврата и рост зерен до микронных размеров). Превалирование тех или иных процессов при отжигах определяет рост или падение механических свойств сплава.

Ключевые слова: титановые сплавы, субмикрокристаллическая структура, деформация, отжиг. DOI: 10.7868/S0015323015030110

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее перспективных подходов к получению новых материалов с требуемыми эксплуатационными и технологическими характеристиками представляется деформационно-термическая обработка промышленных полуфабрикатов, включающая воздействие интенсивной пластической деформацией. Полученные этим методом металлы и сплавы имеют, как правило, ультрамелкозернистую (субмикро- и нанокристаллическую) структуру (размер зерна меньше 1 и 0.1 мкм, соответственно) и могут обладать уникальным сочетанием физических и механических свойств. В частности, такие материалы характеризуются высокой прочностью, в них наблюдается низкотемпературная и/или высокоскоростная сверхпластичность [1—4]. Однако многие аспекты поведения указанных материалов остаются невыясненными. Например, показано, что уже при дорекристаллизаци-онных отжигах ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов наблюдается релаксация внутренних напряжений, возврат деформационных дефектов и падение механических свойств [1—4]. При повышении температуры отжига происходит резкий рост зерен и полная потеря всех необычных свойств таких сплавов. Однако есть ряд работ, в которых отмечается, что в определенных случаях для УМЗ-металлов и сплавов можно подобрать та-

кие режимы термообработки, которые приводят к дальнейшему росту их механических свойств даже по сравнению с полученными в ходе интенсивной пластической деформации [5—9]. В тоже время физическая сущность процессов, протекающих при таких отжигах и определяющих свойства этих материалов, не до конца раскрыта, что обусловлено отсутствием систематических экспериментальных исследований в данном направлении. Таким образом, для улучшения механических свойств УМЗ-материалов необходимо комплексное исследование процессов, протекающих при различных термообработках, в том числе, процессов формирования и эволюции микроструктуры, фазовых переходов и т.п. В связи с этим целью настоящей работы является исследование закономерностей эволюции субмикрокристаллической (СМК) структуры и фазового состава титанового сплава системы Т1—Л1—У при различных термических воздействиях.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве исходного материала был выбран промышленный титановый сплав ПТ-3В системы Т1—Л1—У (4.66 мас. % Л1, 1.92 мас. % У, основа И). Субмикрокристаллическую структуру полу-

чали методом всестороннего прессования [10] на прессе ИП-2000 в интервале температур 1073—723 К. Испытания на растяжение образцов в виде двойной лопатки с размерами рабочей базы 5 х 1.7 х 0.8 мм3 проводили на установке ПВ-3012М, оснащенной тензометрической системой измерения нагрузки с автоматической записью кривых течения в координатах нагрузка—время, в вакууме 10-2 Па со скоростью 6.9 х 10-3 с-1 при комнатной температуре. Образцы вырезали электроискровым способом. Перед испытанием с поверхности образцов удаляли слой толщиной около 100 мкм механической шлифовкой и последующей электролитической полировкой. Электронно-микроскопические исследования тонких фольг проводили с помощью микроскопа JEM-2100 (Тео1, Япония) в ЦКП "НАНОТЕХ" ИФПМ СО РАН. Фольги для электронной микроскопии готовили стандартным методом на установке для струйной полировки "Микрон-103" с применением электролита следующего состава: 20% НС1О4 + + 80% СН3С02Н. Размеры элементов зеренно-суб-зеренной структуры определяли по темнопольному изображению. Выборка составляла не менее 200 измерений. Исследования фазового состава и текстуры проводили с помощью дифрактометра ЗЫтаёги XRD-6000, оснащенного монохроматором, в СиКа-излучении.

(а)

(б)

50

40

*30

£

^ 20 10

= 0.27 мкм

□с

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а представлена типичная микроструктура, формирующаяся в сплаве ПТ-3В после всестороннего прессования. Проведенные исследования показали, что размеры элементов зерен-но-субзеренной структуры находятся в основном в пределах от 0.05 до 1 мкм. При этом их средний размер dср составляет ~0.27 мкм (рис. 1б). На электронно-микроскопических снимках внутри зерен, как правило, наблюдается сложный деформационный контраст. Отдельные дислокации не выявляются. Кольцевые микродифракции, при малом размере селекторной диафрагмы (площадь диафрагмы ~1.6 мкм2), свидетельствуют о большой доле высокоугловых границ зерен. Как следствие,

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 d, мкм

Рис. 1. Структура сплава ПТ-3В после всестороннего прессования:

а — типичная микроструктура; б — гистограмма распределения элементов зеренно-субзеренной структуры по размерам.

в результате такой обработки существенно изменяются механические свойства сплава при комнатной температуре по сравнению с крупнозернистым состоянием: значения пределов текучести и прочности образцов увеличиваются примерно на 60% (таблица).

Исследования влияния термической обработки на эволюцию структуры и механические свой-

Механические свойства сплава ПТ-3В при комнатной температуре, скорость растяжения 6.9 х 10 3 с 1

стВ ± 20, МПа ст0.2 ± 20, МПа 5 ± 1, %

Крупнозернистое состояние 720 670 14

Всестороннее прессование 1170 1120 7 ± 2

Всестороннее прессование + отжиг 673 К, 6 ч 1240 1205 13

Всестороннее прессование + отжиг 673 К, 12 ч 1145 1100 13

Всестороннее прессование + отжиг 673 К, 18 ч 1140 1090 13

Всестороннее прессование + отжиг 673 К, 24 ч 1050 1040 11

(а)

40 30 Й?20 10

ёср = 0.2 мкм

О.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ё, мкм

(б)

40

30

20

10

ёср = 0.24 мкм

гпГП,.

0.2

0.4 0.6 ё, мкм

0.8

Рис. 2. Структура сплава ПТ-3В после всестороннего прессования и последующего отжига при 673 К, 6 ч: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе (101)а. Стрелками показаны выделения частиц а-фазы и рефлекс, в котором они сняты.

ства сплава ПТ-3В в субмикрокристаллическом состоянии проводили после отжига при температуре 673 К в течение 6—24 ч. Механические испытания на растяжение показали, что такая обработка приводит к немонотонной зависимости пределов прочности и текучести при комнатной температуре от времени отжига (табл. 1). Так, после отжига при 673 К, 6 ч наблюдается заметное увеличение пределов прочности и текучести сплава по сравнению с исходным состоянием. Дальнейшее увеличение времени отжига ведет к некоторому уменьшению механических свойств сплава по сравнению со свойствами после шестичасового отжига.

Исследование эволюции структуры сплава после отжигов проводили с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Было показано, что после отжига при 673 К, 6 ч в сплаве сохраня-

Рис. 3. Гистограммы распределения элементов зеренно-субзеренной структуры по размерам в сплаве ПТ-3В: а — после всестороннего прессования и отжига при 673 К, 6 ч; б — после всестороннего прессования и отжига при 673 К, 12 ч.

ется высокая плотность деформационных дефектов (дислокаций, вакансий, зернограничных ступенек и т.п.), и большинство границ зерен находится в неравновесном состоянии (рис. 2). При этом заметно увеличилось количество зерен размерами меньше 0.1 мкм, и исчезли относительно крупные зерна размерами около 1 мкм (сравнение гистограмм на рис. 1б и 3а). Можно предполагать, что одной из причин исчезновения крупных зерен в сплаве может быть перестройка дислокационной структуры в объеме зерен и, как следствие, формирование новых границ [11]. Указанные изменения в структуре сплава привели к уменьшению среднего размера элементов зе-ренно-субзеренной структуры до 0.20 мкм. Сравнение дифрактограмм, полученных до и после рассматриваемого отжига (рис. 4), показывает, что после отжига наблюдается изменение величины относительной интенсивности всех основных пиков. Приведенные экспериментальные данные подтверждают, что в рассматриваемых условиях в сплаве ПТ-3В идет активное образование новых зерен в нанометровом диапазоне. Фазовый анализ, проведенный с использованием электронной

0

микроскопии, показал, что в сплаве в процессе отжига протекают фазовые превращения, причем выделение дисперсных частиц наблюдается в первую очередь по границам зерен (см. рис. 2). Проведенные исследования свидетельствуют о том, что рассматриваемые частицы могут быть как а-фазой (см. рис. 2), так и а''- и а2-фазами. Как правило, частицы имеют форму, близкую к равноосной, хотя в отдельных случаях можно наблюдать появление а''-фазы в виде полос. С другой стороны, известно, что металлические материалы, подвергнутые интенсивной пластической деформации, характеризуются высокой плотностью деформационных дефектов и высокими внутренними напряжениями [1—4]. Данные факторы могут привести к началу развития процессов рекристаллизации при достаточно низких температурах. В пользу того, что в рассмотренны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком