ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 7, с. 678-684
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.295781:539.3
МИКРОСТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ВТ1-0, АРМИРОВАННОГО МОНОБОРИДОМ ТИТАНА
© 2013 г. Э. Р. Гайсина, Р. А. Гайсин, В. М. Имаев, Р. М. Имаев
ФГБУНИнститут проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 Уфа, ул. Халтурина, 39
e-mail: elvina.gaisina@gmail.com Поступила в редакцию 23.10.2012 г.
Исследовали микроструктуру и механические свойства технически чистого титана — сплава ВТ1-0, легированного бором в количестве 1.5 вес. %. Обнаружено, что в процессе выплавки слитка в материале формируются однородно распределенные волокна моноборида титана (TiB) размером до 05 х 150 мкм, объемная доля которых составляет около 8%. Механические испытания на сжатие и растяжение, выполненные в широком интервале температур, показывают, что полученный композиционный материал существенно превосходит по прочностным свойствам технически чистый титан при сохранении удовлетворительной пластичности.
Ключевые слова: титановые сплавы, моноборид титана, микроструктура, механические свойства. DOI: 10.7868/S001532301307005X
ВВЕДЕНИЕ
Для повышения прочности, жесткости, износостойкости титана и его сплавов в широком интервале температур титановые матрицы армируют непрерывными и прерывистыми волокнами или частицами [1]. Выбор компонентов композита — матрицы и упрочнителя, обычно основывается на нескольких критериях [1, 2]. Во-первых, плотность компонентов должна быть низкой для возможности создания легковесных конструкций, при этом модуль упругости упрочнителя должен быть существенно выше модуля упругости матричного материала, поскольку титан и его сплавы имеют сравнительно невысокий модуль упругости. Во-вторых, матрица и упрочнитель должны иметь близкие коэффициенты термического расширения. В-третьих, важна химическая стабильность компонентов по отношению друг к другу, которая бы исключала образование проме-
жуточных фаз и соединений на границе матрицы и упрочнителя. Композиционные материалы на основе титана и его сплавов упрочняют волокнами и частицами соединений ИБ2, В4С, ИМ, 8Ю, ИВ, НС и А1203 [3—6]. Свойства некоторых из этих соединений представлены в табл. 1. Наиболее изученные композиты на основе титана и его сплавов, армированные волокнами 8Ю, А1203 или частицами НС [2—5], демонстрируют высокие значения прочности, жесткости и износостойкости. Однако указанные упрочнители из-за высокой химической активности титана при повышенных температурах образуют в зоне соединения промежуточные фазы, отрицательно влияющие на механические свойства композиционного материала [2, 7]. В наибольшей степени вышеприведенным требованиям отвечает моноборид титана НБ (структура В27), характеризующийся высоким модулем упругости, близким к титану коэффици-
Таблица 1. Свойства TiB (структура В27) в сравнении с Ti, TiB2, TiC и SiC [7]
Свойства Ti TiB TiB2 TiC SiC
Плотность, г/см3 4.57 4.56 4.52 4.92 3.21
Модуль упругости, ГПа 110 550 529 460 420
Коэфф. терм. расшир. при 20°С(х10-6) 8.8 8.6 6.4 7.4 4.3
ентом термического расширения и высокой химической стабильностью [1, 2, 6—8] (см. табл. 1).
Согласно бинарной диаграмме И—Б [2], титановые сплавы с содержанием бора >1.5 вес. % (за-эвтектические составы) классифицируются как коротковолокнистые композиционные материалы. Основные методы их изготовления основаны на порошковой металлургии. Обычно спекают порошки титановой матрицы и диборида титана, превращающегося в процессе спекания в моно-борид и чистый титан. Метод обеспечивает высокую однородность получаемого материала и позволяет избежать образования грубых боридов, снижающих трещиностойкость и пластичность композита [6—9]. Недостатками использования такой технологии являются остаточная пористость в компактированных образцах, сложность контроля химической чистоты материала в процессе изготовления, а также высокая стоимость изготовления композиционного материала, во много раз превышающая стоимость изготовления матричного сплава. Экономически более целесообразным способом изготовления композиционных материалов типа И-ИБ может быть традиционное литье, которое, кроме того, свободно от отмеченных недостатков. Моноборид титана в этом случае образуется т^ки в процессе выплавки в результате высокотемпературной реакции компонентов [10]. Между тем неясно, можно ли избежать при этом возникновения грубых первичных боридов, ухудшающих механические свойства композита, а также добиться заметного упрочнения при сохранении приемлемой пластичности композиционного материала. Следует отметить, что работы подобного рода в литературе практически отсутствуют.
Цель настоящей работы — получение композиционного материала на основе технически чистого титана (ВТ1-0) и моноборида титана с помощью литья, а также изучение микроструктуры и механических свойств полученного композиционного материала.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве исходных материалов были выбраны сплавы ВТ1-0 и ВТ1-0-1.5В (вес. %). Выплавка слитков сплавов весом около 80 грамм производилась на лабораторной установке фирмы "Edmund Bühler". Для выплавки композиционного сплава использовали титановый пруток ВТ1-0 и порошок аморфного бора.
Микроструктурные исследования проводили с помощью оптического микроскопа Olympus GX51 и сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira3. Рентгеноструктурный дифракционный анализ проводили с использованием Со^а-излучения на установке ДРОН-4. Объемную долю волокон
моноборида титана оценивали по диаграмме Ti—B и подтверждали с помощью точечного метода Глаголева [2].
Механические испытания на сжатие проводили при температурах Т = 20, 700, 800, 900 и 1000°С с начальной скоростью деформации s' = 10-3 с-1. При комнатной температуре деформировали до начала разрушения образца, при повышенных температурах — на одинаковую степень деформации s = 60%. Для испытаний на сжатие использовали образцы с размерами 8 х 5 х 5 мм3, вырезанные из слитков сплавов. Испытывали по два образца на точку. Кривые истинное напряжение-деформация строили, принимая во внимание равномерное увеличение поперечного сечения образца. Определяли максимальное истинное напряжение amax, учитывающее равномерное увеличение поперечного сечения образца, и условный предел текучести ст125, соответствующий остаточной деформации s = 1.25%. Для механических испытаний на растяжение из слитков сплавов вырезали плоские образцы с размерами рабочей части 10 х 3.5 х 1.5 мм3. Испытывали по три образца на точку при повышенных температурах и по пять образцов при комнатной температуре. Перед испытаниями на растяжение образцы подвергали шлифовке с постепенным уменьшением абразивности шкурки. Испытания на растяжение проводили в интервале температур Т = 20—500°С с начальной скоростью деформации s' = 10—3 с-1. По диаграмме напряжение-деформация определяли предел прочности стВ, условный предел текучести ст02, относительное удлинение до разрушения 8. Испытания на сжатие были выполнены на испытательной машине Sche^k Trebel RMS-100, на растяжение — на испытательной машине Instron 5982.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Микроструктура в исходном состоянии. На рис. 1
представлена микроструктура исходных сплавов ВТ1-0 и ВТ1-0-1.5В. Микроструктура матричного сплава ВТ1-0 характеризуется крупными колониями неправильной формы размером й ~ 100— 1000 мкм, грубопластинчатым внутризеренным строением с зубчатыми границами между колониями, что типично для быстро охлажденного от Р-области однофазного а-титанового сплава (рис. 1а, 1в). Микроструктура композиционного сплава ВТ1-0-1.5Б образована а-титановой матрицей и равномерно распределенными волокнами моноборида титана (ИВ). Размеры волокон составляют 01—5 х 5—150 мкм, их объемная доля — УТВ ~ 8%. Размер колоний и длина а-пластин ограничиваются расстоянием между волокнами моноборидов, которое не превышает 30—50 мкм. Рентгеноструктурный дифракционный анализ,
Рис. 1. Микроструктура ВТ1-0 (а, в) и ВТ1-0-1.5В (б, г) в литом состоянии, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов.
выполненный для композиционного материала, подтвердил наличие кроме основной фазы пиков моноборида титана (рис. 2).
Механические свойства на сжатие. В табл. 2 представлены результаты механических испытаний на сжатие. Испытания при комнатной температуре показывают, что предел текучести композиционного материала в 1.85 раза превышает предел
текучести матричного сплава при относительно небольшом снижении пластичности (с 35 до 23%). По-видимому, снижение пластичности обусловлено присутствием хрупких моноборидов. Интересно, что напряжение течения остается существенно более высоким в случае композиционного материала и при увеличении степени деформации, несмотря на неизбежно происходящее дробление
Таблица 2. Результаты механических испытаний на сжатие образцов сплавов при Т = 20—1000°С
Т, °С ВТ1-0 ВТ1-0-1.5Б
^ш«^ МПа ст125, МПа Б, % ^ш«^ МПа ст125, МПа Б, %
20 1038 584 35 1220 1078 23
700 115 90 >60 166 165 >60
800 63 50 >60 100 99 >60
900 40 30 >60 71 70 >60
1000 6 5.5 >60 25 24 >60
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 29
Рис. 2. Рентгеновский спектр, полученный для композитного сплава ВТ1-0-1.5В.
боридов (рис. 3а). Значительное упрочнение и осцилляции напряжения течения, наблюдаемые для сплава ВТ1-0, могут быть объяснены интенсивным развитием деформационного двойнико-вания, на что указывает также треск в процессе испытания образцов. В случае композиционного материала более пологая кривая напряжение-деформация, по-видимому, обусловлена тем, что деформационное двойникование не развивалось либо развивалось слабо (образцы испытывались без характерного треска), а также тем, что бориды в ходе деформации дробились, способствуя разупрочнению материала в процессе деформации.
Предел текучести при повышенных температурах различается в 1.85-2 раз при 700-800°С (а-фазовая область) и более чем в 2 раза при
900-1000°С ф-фазовая область). Все образцы, деформированные при повышенных температурах на е = 60%, не разрушились. В отличие от
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.