научная статья по теме ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И МИКРОТВЕРДОСТЬ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРОКАТКЕ С ТОКОМ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И МИКРОТВЕРДОСТЬ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРОКАТКЕ С ТОКОМ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 5, 2012

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 669.295:621.771.016

© 2012 г. Угурчиев У.^, Столяров В.В.

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И МИКРОТВЕРДОСТЬ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРОКАТКЕ С ТОКОМ

Рассматривается влияние импульсного тока при прокатке на деформируемость и микротвердость крупнозернистых титановых сплавов ВТ1-0, ВТ6 и Т!№. Показано, что электропластическая прокатка снижает степень деформационного упрочнения титановых сплавов и повышает деформируемость ВТ6 и Т№ по сравнению с обычной прокаткой. Повышение плотности тока и длительности импульса приводит к более высокой деформируемости сплавов. Метод применим для получения длинномерных изделий тонкого сечения титановых полуфабрикатов.

Проблема повышения деформируемости конструкционных материалов, особенно хрупких и малопластичных сплавов, является важной как в научном, так и в прикладном значении. К материалам с ограниченной деформационной способностью при комнатной температуре относятся исследуемые титановые сплавы Т1№ с эффектом памяти формы (ЭПФ) и двухфазный ВТ6, обладающие высоким комплексом служебных свойств [1]. Получение длинномерных изделий тонкого сечения (проволоки, фольги, листа) из этих сплавов является непростой задачей, что связано с быстрым упрочнением материала при холодной деформации. Так, в сплавах Т1№ и ВТ6 деформация до разрушения при холодной прокатке не превышает е = 0,6 [2, 3]. В качестве альтернативного решения этой проблемы можно рассматривать применение электропластической деформации (ЭПД), при которой технологическая пластичность повышается за счет стимулирующего влияния импульсного тока без существенного разогрева металла [2—5].

Целью настоящей статьи является исследование влияния импульсного тока в процессе прокатки на деформируемость и микротвердость титановых сплавов.

Материалы и методы исследования. Для исследования были использованы следующие материалы: чистый титан ВТ1-0, двухфазный (а + в) сплав ВТ6 и сплав Т1493№507 с памятью формы на основе интерметаллидной фазы. Крупнозернистое (КЗ) состояние с размером зерен от 20 до 50 мкм в материалах было получено отжигом при 700° (ВТ1-0), отжигом при 850° (сплав ВТ6) и закалкой с 800° в воде (Т1493№50 7).

Холодная прокатка без тока и с током (далее электропластическая прокатка выполнена на полосах сечением 2^4 х 6 мм2 и длиной 100 мм. Для сплава ВТ1-0 использовали полосы толщиной 2 мм, для сплавов ВТ6 и Т1493№507 — 4 мм. При электропластической прокатке в зону деформации вводили импульсный ток плотностью от ] = 80 до

Сплав Толщина образца , мм е) = 0 без тока е ^ с током е/е=0

ВТ1-0 2,0 2,1 2,1 1,0

Т149,3^50,7 4,0 0,57 2,8 4,91

ВТ6 4,0 0,55 2,35 4,27

] = 160 А/мм2, длительностью импульса (1,1 ± 3) ■ 10 4 с и частотой (0,8 ± 0,1) ■ 103 Гц. В одном эксперименте для сплавов Т!49 3№507 и ВТ6 варьировали длительность импульса в интервале (0,8—1,6) ■ 10-4 с.

Микротвердость измеряли после каждой серии циклов в двух точках поперечного сечения на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 200 г и длительности выдержки 10 с с точностью ±5%.

Деформируемость сплавов оценивали истинной степенью деформации до появления макротрещин е = 1п ?0/?к, где (0, ?к — начальная и конечная толщина полосы.

Экспериментальные данные. В таблице 1 представлены данные по деформируемости титановых сплавов с током (е) и без тока (е] = 0). Видно, что в чистом титане ВТ1-0 преимущество прокатки с током по сравнению с холодной прокаткой отсутствует. Это, возможно, связано с малой толщиной исходного образца (^ = 2,0 мм). Для образцов большой толщины ((0 = 4,0 мм) введение тока при прокатке сплавов ВТ6 и И№ повышает деформируемость более чем в 4—5 раз по сравнению с прокаткой без тока. Таким образом, преимущество прокатки с током зависит от химического или фазового состава сплава: оно повышается при переходе от однофазного чистого титана к многофазным или интерметаллидным сплавам.

На рис. 1 показана эволюция микротвердости образцов ВТ1-0 в процессе прокатки с током (кривая 1) и без тока (кривая 2). В интервале е = 0—0,7 значения микротвердости для обеих кривых в пределах погрешности совпадают, а при больших значениях е микротвердость при прокатке с током заметно меньше, чем при обычной прокатке. Значительное различие в микротвердости сплава, которое возрастает с деформацией, свидетельствует о разной степени деформационного упрочнения. Для прокатки с пропусканием тока она ниже, чем для обычной прокатки. Это согласуется с литературными данными для большинства чистых металлов в том, что воздействие импульсного тока при электропластической прокатке уменьшает наклеп, свойственный обычной прокатке, и способствует релаксации структуры в форме возврата и аннигиляции дислокаций [5].

Рассмотрим эволюцию микротвердости с деформацией для сплава ВТ6. На рис. 2 показано значительное увеличение микротвердости с последующим разрушением образца при малых степенях деформации при обычной прокатке (кривая 2) по сравнению с электропластической прокаткой (кривая 1). Как и в случае с чистым титаном, это также связано с более сильным деформационным упрочнением сплава в отсутствие тока, которое даже приводит к разрушению. Отметим, что при прокатке с током, несмотря на меньшую степень деформационного упрочнения, достигаемая максимальная твердость выше, чем при прокатке без тока.

На рис. 3 представлена эволюция микротвердости образцов сплава Т149 3№507 при прокатке с током (кривая 1) и без тока (кривая 2). Видно, что при прокатке без тока образец сплава Т!49 3№50 7, как и в случае со сплавом ВТ6, быстро упрочняется и затем разрушается. Более медленный рост микротвердости на кривой 1 объясняется снижением внутренних напряжений в сплаве под воздействием импульсного тока.

Сравнение абсолютных значений деформируемости с током и без тока для разных сплавов (таблица 1) показывает, что они близки для высокопрочных сплавов Т149 3№507 и ВТ6, но сильно отличаются от пластичного сплава ВТ1-0, т.е. химический состав

3* 67

Микротвердость, МПа 3200

2800

2400 2200

0 0,5 1,0 1,5 2,0

е

Микротвердость, МПа

4300 3900

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

е

Микротвердость, МПа 4000

3000

2000

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

е

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

е

2,5

20 40 60 80 100 120 140 160 у, А/мм2

Рис. 4

Истинная деформация е 3

40 80 120 160 Длительность импульса, 10-6

Рис. 5

Рис. 4. Зависимость деформируемости сплавов Т49 3^50 7 (1) и ВТ6 (2) от плотности тока Рис. 5. Зависимсоть деформируемости сплавов Т49 3^50 7 (1) и ВТ6 (2) от длительности импульса (у = 120 А/мм2)

0

сплава традиционно влияет на деформируемость не только при прокатке без тока, но и с током.

Кроме химического состава сплавов, на деформируемость могут влиять режимы тока. На примере сплавов Т149 3№50 7 и ВТ6 показано, что варьирование параметров импульсного тока (плотности и длительности импульса тока) оказывает сильное влияние на деформируемость сплава. Так, на рис. 4 видно, что с повышением плотности тока в два раза (с 80 до 160 А/мм2) повышаются значения максимальной деформации, до которой образец деформируется без видимых макротрещин при одинаковой длительности импульса (т = 1,6 ■ 10-4 с). Увеличение длительности импульса тока (рис. 5) также повышает деформируемость, особенно заметно при плотности тока 160 А/мм2 [2].

Таким образом, общим для исследованных сплавов является повышение деформируемости и более слабое деформационное упрочнение при прокатке с током. Это позволяет избежать разрушения на начальных стадиях деформации и достигнуть предельно высоких значений микротвердости. В обоих вариантах прокатки упрочнение обусловлено повышением плотности дислокаций с деформацией, которая при прокатке с током снижается за счет взаимодействия свободных электронов с дислокационными скоплениями [5].

При прокатке с током наблюдаемое повышение деформируемости можно было бы объяснить и тепловым вкладом импульсного тока, способствующего разогреву. Однако численная оценка теплового вклада по формулам, приведенным в работе [6], показывает, что разогрев образцов при электропластической прокатке не превышает 150°, что подтверждается прямыми измерениями инфракамерой, выполненными в работе [7]. Поскольку вклад теплового эффекта мал, то наблюдаемый эффект повышения деформируемости в основном связан с электростимулированием, физическая природа которого описывается в работе [8].

Выводы. Деформируемость высокопрочных крупнозернистых титановых сплавов ВТ6 и Ti49 3Ni507 при прокатке с током повышается в 4 и более раза по сравнению с прокаткой без тока.

Эффективность прокатки с током зависит от химического состава сплава и режимов тока. Она повышается при переходе от однофазного сплава ВТ1-0 к многофазному ВТ6 или интерметаллидному сплаву Ti49 3Ni50 7, а также при повышении плотности тока от 80 до 160 А/мм2 и длительности импульса от 0,8 до 1,6 ■ 10-4 с.

Прокатка с током снижает степень деформационного упрочнения, что позволяет избежать разрушения и повысить микротвердость даже выше, чем при прокатке без тока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства / Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.

2. Гуртовая И.Б., Инаэкян К.Э., Коротицкий А.В., Угурчиев У.Х., Макушев С.Ю., Хмелевская И.Ю., Данилова Е.С., Сергеева А.Е., Столяров В.В. и др. Влияние режимов ЭПД на деформируемость и функциональные свойства сплава TiNi с памятью формы // Журнал функциональных материалов. 2008. Т. 2. № 4. С. 130—137.

3. Семендеева О.В., Учеваткина Н.В., Столяров В.В. Микроструктура и деформируемость сплава ВТ6, подвергнутого электропластической прокатке // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 8. С. 20-23.

4. Столяров В.В., Угурчиев У.Х., Гуртовая И.Б. и др. Повышение деформируемости крупнозернистого TiNI-сплава при прокатке с наложением импульсного тока // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 3. С. 40-43.

5. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С. и др. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). Москва-Ижевск: Институт к

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