ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 1, с. 109-118
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК (669.295+669.14):534.29:539.3.74
ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ТИТАНА И МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ, ПОДВЕРГНУТЫХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ
© 2004 г. А. В. Панин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, просп. Академический, 2/1
Поступила в редакцию 07.10.2003 г.
Изучено влияние ультразвуковой ударной поверхностной обработки на характер пластической деформации и механические свойства нагруженных образцов поликристаллических титана ВТ1-0 и малоуглеродистой стали Ст 3. С использованием оптической, просвечивающей электронной, растровой электронной и сканирующей туннельной микроскопии показано, что ультрамелкозернистая структура, формирующаяся в поверхностном слое материала в результате ультразвуковой обработки, обусловливает локализацию его пластического течения на различных масштабных уровнях. Исследована тонкая структура и характер распространения мезо- и макрополос локализованной пластической деформации. Установлено, что механические свойства исследованных материалов зависят от характера распространения мезо- и макрополос локализованной деформации.
ВВЕДЕНИЕ
Длительное время ультразвуковая ударная обработка является одним из наиболее эффективных методов поверхностного упрочнения металлов [1-7]. Ультразвуковое воздействие позволяет значительно изменять дислокационную структуру материала, измельчать зерна и субзерна до размеров субмикронного диапазона, увеличивать углы разориентации и т.д., и тем самым существенно влиять на физико-химические, механические и др. свойства металлов и сплавов. Закономерности формирования дислокационной структуры определяются исходным структурным состоянием материала, его фазовым составом, а также темпе-ратурно-скоростными режимами обработки.
Ранее в работе [8] было проведено сравнение влияния ультразвукового деформирования поверхности на механические свойства и структуру рекристаллизованного и ультрамелкозернистого титана ВТ1-0. Оказалось, что ультразвуковая обработка позволяет сформировать в тонком поверхностном слое крупнокристаллического титана зеренно-ячеистую структуру с характерным размером структурных элементов около 0.12 мкм. При этом значительно увеличиваются прочностные характеристики ВТ 1-0 и уменьшается его пластичность. В то же время ультразвуковая обработка не повлияла на пределы текучести и прочности, а также удлинение до разрушения ультрамелкозернистого титана, полученного предварительным равноканальным угловым прессованием.
Увеличение прочностных характеристик наблюдалось и при ультразвуковой обработке поверхностных слоев образцов холоднокатаного титана ВТ1-0 и малоуглеродистой стали Ст 3 [9-11].
Было показано, что если материал находится в состоянии холодного проката, то ультрамелкозернистая структура, формирующаяся в результате ультразвуковой обработки, инициирует на поверхности деформируемых образцов процессы более высокого масштабного уровня. Последнее сопровождается распространением полос локализованной деформации различных масштабов. Применение высокоразрешающей туннельной сканирующей микроскопии впервые позволило вскрыть механизмы распространения мезо- и макрополос деформации и их эволюцию в процессе нагружения. Однако осталось неясным, каким образом мезо- и макрополосы локализованной пластической деформации, развивающиеся в поверхностном слое, влияют на макроскопические характеристики образца в целом.
Настоящая работа посвящена систематическим исследованиям влияния ультразвуковой обработки на особенности пластической деформации и механические свойства нагруженных образцов технического титана и малоуглеродистой стали, находящихся в состоянии холодного проката.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе исследовали технически чистый поликристаллический титан марки ВТ 1-0 (состав вес. %: 0.18 Fe; 0.1 Si; 0.07 C; 0.12 O; 0.01 H; 0.04 N) и малоуглеродистую сталь марки Ст 3 (состав вес. %: 0.12% C; 0.18% Si; 0.50% Mn). Образцы для испытаний изготавливали методом электроискровой резки в форме двусторонней лопатки с размером рабочей части 2 х 1 х 12 (для растяжения in situ в сканирующем туннельном микроскопе)
1 мкм
Рис. 1. ПЭМ-изображение структуры поверхностного слоя образца ВТ1-0, подвергнутого ультразвуковой обработке.
и 9 х 2 х 60 мм3 (для растяжения в испытательных машинах).
Ультразвуковую обработку холоднокатаных пластин титана и малоуглеродистой стали выполняли путем возбуждения в обрабатывающем инструменте ультразвуковых колебаний. Амплитуда и частота колебаний рабочей поверхности волновода составляли 75 мкм и 21 кГц соответственно. Деформирующий инструмент диаметром 5 мм прижимался к поверхности обрабатываемой пластины со статической нагрузкой 200 H. Затем для снятия напряжений, возникающих в результате ультразвуковой обработки, и частичной стабилизации структуры поверхностного слоя образцы Ст 3 отжигали в вакууме при температурах 1023, 1103 и 1173 К в течение 1 ч.
Толщину поверхностного слоя, изменившего структуру при ультразвуковой обработке, оценивали путем анализа профиля микротвердости в поперечном сечении образца. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 с использованием пирамидки Виккерса. Нагрузка на индентор составляла 100 г.
Одноосное статическое растяжение с автоматической записью кривых нагружения проводили на испытательной машине Schenk Sinus-100 при комнатной температуре со скоростью нагруже-ния 5 х 10-3 мм/с.
Дислокационную структуру в поверхностных слоях и в объеме образцов исследовали в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Развитие деформационного рельефа изучали на плоской поверхности образцов с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса, растрового электронного микроскопа (РЭМ) и сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
Количественную аттестацию пластической деформации проводили путем анализа полей векторов смещений, получаемых с помощью ком-
пьютерной обработки оптических изображений. Запись изображений производилась двухэкспози-ционным методом с приращением деформации в промежутках между съемками. При используемом увеличении размер элементарной площадки, сдвиг которой характеризуется вектором смещения, составлял 100 х 100 мкм2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Микроструктура, формирующаяся в результате ультразвуковой обработки. Анализ микроструктуры поверхностных слоев образцов холоднокатаного титана показал, что после ультразвуковой обработки вблизи поверхности формируется полосовая дислокационная субструктура (рис. 1). Расстояние между микрополосами локализованной деформации составляет 0.2-0.5 мкм. Материал между микрополосами фрагментирован на субзерна неравноосной формы, вытянутые в направлении микрополос. Разориентация внутри фраг-ментированной субструктуры достигает 2-6°. Плотность дислокаций р ~ 1011 см-2.
Ультразвуковая обработка образцов холоднокатаной малоуглеродистой стали обусловливает появление в тонком приповерхностном слое структуры с большеугловыми разориентировками и малым размером субзерен 0.5-0.7 мкм (рис. 2а). Последующий термический отжиг в диапазоне температур 1023-1173 К вызывает образование вблизи поверхности ячеистой дислокационной структуры с малоугловыми (до 1°) разориентация-ми между ячейками (рис. 26). Плотность дислокаций в обоих случаях не превышает р ~ 5 х 1010 см-2.
2. Особенности развития деформационного рельефа и дислокационной субструктуры. В процессе нагружения холоднокатаного титана ВТ1-0 деформация распределяется однородно по всей рабочей части (рис. 3а, б). Плотность дислокаций в объеме образцов достигает р ~ 1012 см-2 (рис. 3в). Большое количество экстинкционных контуров вблизи шейки свидетельствует о высоких внутренних напряжениях. При анализе темнопольных изображений выявляются смещения экстинкционных контуров, которые подтверждают наличие как непрерывных, так и дискретных разори-ентировок соседних участков на углы больше 20°. При этом кривизна кристаллической решетки может достигать 0.5 рад/мкм. В отдельных участках образца обнаруживается формирование ячеи-сто-сетчатых структур.
Ультразвуковая обработка тонкого приповерхностного слоя приводит к существенному изменению деформационного рельефа, развивающегося в процессе активного нагружения образцов ВТ1-0. На лицевой поверхности наблюдаются полосы локализованной пластической деформации различных масштабов, распространяющиеся
Рис. 2. Светлопольные электронно-микроскопические изображения субструктур, сформированных в приповерхностном слое Ст 3 после ультразвуковой обработки (а) и последующего отжига при температуре 1103 К (б).
под углом 45° к оси нагружения (рис. 4). Исследования с помощью сканирующего туннельного микроскопа обнаружили мезополосы, проявляющиеся в виде экструдированного материала, ширина которых составляет ~80 мкм (рис. 4а). Их высота постепенно увеличивается с ростом деформации и при £ = 18% достигает 3-4 мкм.
Последующее наводороживание образцов ВТ1-0, подвергнутых ультразвуковой обработке [10], позволило более детально исследовать тонкую структуру мезополос (рис. 5). Из рис. 5 видно, что мезополосы состоят из отдельных ламелей, испытывающих сдвиг как целое относительно друг друга. В свою очередь в пределах каждой ламели проявляется еще более мелкая поперечная ламельная структура.
Следует подчеркнуть, что ламельная структура экструдированных мезополос наблюдается не только на рабочей части образца, но и на его головках, деформирующихся упруго. Данный результат позволяет считать, что выявляемые на поверхности экструдированные мезополосы локализованной деформации отражают исключительно специфические механизмы пластического течения наноструктурных поверхностных слоев деформируемого материала.
Рис. 3. Деформационный рельеф на поверхности (а, б) и дислокационная структура в объеме (в) холоднокатаных образцов титана ВТ1-0, подвергнутых растяжению:
а - СТМ-изображение, £ = 23%; б - оптическое изображение, £ = 20%; в - ПЭМ-изображение, £ = 25%.
Наряду с мезополосами, при растяжении образцов ВТ1-0 на их поверхности наблюдаются макрополос
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.