ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 3, с. 357-360
УДК 620.171.2:620.186.8
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ФАЗОВОГО СОСТАВА НА ПРОЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ
© 2014 г. В. В. Столяров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, Москва
E-mail: vlstol@mail.ru
Анализируется природа разнонаправленных скачков напряжения, наблюдаемых на диаграммах напряжение—деформация при растяжении с импульсным током. Показано, что амплитуда и направление скачков напряжений определяются конкуренцией механизмов электропластического эффекта (ЭПЭ) и фазового превращения, а ЭПЭ является структурно-чувствительным свойством. Величина ЭПЭ уменьшается при измельчении структуры и даже исчезает в нанокристаллическом состоянии.
Б01: 10.7868/80367676514030259
ВВЕДЕНИЕ
Одним из подходов к увеличению технологических и эксплуатационных свойств материалов является метод, основанный на электропластическом эффекте (ЭПЭ) [1, 2]. Предполагается, что помимо теплового и пинч-эффектов значимый вклад в механизм ЭПЭ вносит взаимодействие потока электронов с дислокациями. Поскольку большая часть ранних исследований ЭПЭ была выполнена на монокристаллах чистых металлов или однофазных сплавах с крупнозернистой (КЗ) структурой, роль исходной нано- или ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, влияние легирования и фазовых превращений не исследовались. Недавно было показано, что прокатка с током не только повышает деформируемость, но и обеспечивает формирование УМЗ - и (или) наноструктуры в титане и его сплавах [3—5]. В работах [5—7] были выполнены первые оценки величины ЭПЭ в экспериментах по растяжению с введением тока, которые, однако, нуждаются в дополнительном анализе полученных результатов. В этой связи для расширения представлений о физической природе ЭПЭ в настоящей статье обобщаются результаты предыдущих исследований проявления ЭПЭ при прокатке и растяжении в КЗ- и УМЗ-титановых сплавах ВТ1-0, ВТ6 и Т1№, различных по природе, химическому и структурно-фазовому составу.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Крупнозернистое состояние с размером зерен от 20 до 50 мкм в материалах было получено отжигом
при 700°С (ВТ1-0, Огаёе-4); закалкой из Р-области или отжигом в двухфазной (а + Р)-области при температуре 900°С (сплав ВТ6); и закалкой с 800°С в воду (Т149.3№50.7 и Т149 2№50 8). Наноструктура в нике-лиде титана (рис. 1а) и УМЗ-структура в сплавах ВТ1-0 и ВТ6 (рис. 1б, 1в) получены методом ЭПП с последующим отжигом. Многопроходная ЭПП выполнена на полосах сечением 2 х 6 мм2 с одновременным пропусканием однополярного импульсного тока плотностью ] = 80—150 А • мм-2, длительностью импульса (1-10) х 10-4 с-1 и частотой 103 Гц; подробности метода описаны в [2]. Деформируемость полос оценивали истиной степенью деформации е = 1п ?о/?к, где ?о, ?к — начальная и конечная толщина полосы.
Аттестация структуры и механические испытания были выполнены на образцах после отжига при температуре 450 и 600°С, когда происходят заметные структурные изменения: релаксация напряжений, рекристаллизация или старение. Механическое поведение изучалось с введением импульсного тока плотностью ] = 1500 А • мм-2, длительностью 100 и 1000 мкс при скорости растяжения 0.5 мм • мин-1 на горизонтальной машине ИМ-5081 (с одиночным и многоимпульсным током).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Данные таблицы показывают, что преимущество прокатки с током зависит от химического и фазового составов сплава. В однофазных сплавах (титан и никелид титана) определяющим является влияние содержания примесей или легирующего элемента. Так, деформируемость чистого ти-
7
357
Микротвердость, МПа
Истинная деформация е
Рис. 2. Зависимость микротвердости от деформации при ЭПП: 1 - КЗ ВТ1-0; 2 - УМЗ ВТ1-0; 3 - КЗ ИМ.
тана с током в КЗ-состоянии повышается с уменьшением содержания кислорода (Огаёе-4 и ВТ1-0). Аналогично уменьшение содержания никеля в ни-
Истинная деформация КЗ сплавов до разрушения при прокатке с током и без тока
Материал ej = 0 ej
Ti (Grade 4, O = 0.4%) 2.0 2.3
Ti (ВТ1-0, O = 0.2%) 2.3 3.2
Ti49.2Ni50.8 (аустенит) 0.1 1.2
Ti500Ni500 (мартенсит) 0.6 3.6
ВТ6 (a + P) 0.55 2.4
(P) 0.35 1.9
келиде титана повышает его деформируемость (1150.0№50.0 иТ149.2№50.8). Переход из аустенитного в мартенситное состояние также способствует повышению деформируемости никелида титана. Известно, что в сплаве с исходной мартенситной структурой наряду с механическим двойникова-нием В19-фазы может происходить дополнительное образование двойников В2-фазы в процессе обратного мартенситного превращения [8], что вносит дополнительный вклад в деформируемость. В сплаве ВТ6 деформируемость связана с морфологией вторых фаз. В случае равноосной зёренной (а + Р)-структуры деформируемость выше, по сравнению с деформируемостью мартенситных игл Р'-фазы. Отметим, что аналогичные зависимости для исследованных сплавов наблюдаются и при прокатке без тока.
На характер деформационного упрочнения в процессе ЭПП при одинаковой плотности тока влияет дисперсность сплава (рис. 2). В КЗ состоянии сплавы испытывают упрочнение (кривые 1 и 3), тогда как в УМЗ-состоянии чистый титан проявляет разупрочнение с ростом деформации (кривая 2). Разупрочнение в процессе ЭПП для сплава ВТ6 наблюдали и в [4]. Авторы связывают этот факт с динамической рекристаллизацией, температура которой уменьшается с измельчением структуры и может быть близкой к температуре деформации, особенно при высоких плотностях тока.
Механическое поведение сплавов после ЭПП и постдеформационного отжига представлено диаграммами растяжения (рис. 3 и 4).
Отличительной особенностью кривых напряжение-перемещение при воздействии импульсным током является появление скачков напряжения, каждый из которых соответствует одиночному импульсу тока.
Направление (верх, вниз) и амплитуда скачка напряжения различны и зависят от химического состава сплава, структурного состояния. При наличии фазового превращения при деформации
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ФАЗОВОГО СОСТАВА В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ
359
Напряжение, МПа
550 450 350 250 150 50
1300 1100 900 700 500 300 К
Напряжение, МПа 260 220 150 140
100
750
650
550
450
350
Перемещение, мм
0.8 1.0 1.2 Перемещение, мм
Рис. 3. Кривые растяжения с одиночными импульсами тока для сплава Т149 3№50 7 в КЗ (а) и НС (б) состояниях.
(Т1№) наблюдаются оба вида скачков напряжения (рис. 3а), при их отсутствии присутствуют только скачки вниз (рис. 4). Подробный анализ физической причины скачков свидетельствует о фазовом превращении (скачки вверх) или о действии ЭПЭ (скачки вниз) [1]. Амплитуда скачков напряжения для КЗ Т1 в 2 раза выше, чем для УМЗ Т1, что указывает на уменьшение ЭПЭ с уменьшением размера зёрен. Аналогичное влияние размерного эффекта структуры на ЭПЭ наблюдается и в сплаве Т1№, в котором он присутствует в КЗ-состоянии и отсутствует в НК-состоянии (рис. 3). Возможной причиной отсутствия ЭПЭ в НК-сплаве является недостаточно высокая плотность тока, выбранная для данного сплава. Требуются допол-
Рис. 4. Диаграммы растяжения с током в КЗ (а) и УМЗ (б) титане.
нительные исследования ЭПЭ в зависимости от плотности тока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Электропластическая прокатка формирует УМЗ и наноструктурные состояния, повышает деформируемость и прочность исследованных сплавов ВТ1-0, ВТ6 и Т149.3№50.7.
2. ЭПЭ - это структурно-чувствительное свойство, величина которого уменьшается при измельчении структуры и даже исчезает в нанокристал-лическом состоянии.
3. В сплаве Т149.3№50.7 с памятью формы введение тока при растяжении приводит к дополнительным скачкам напряжения вверх, обусловленным обратимым термоупругим мартенситным превращением.
Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-08-00327_а и Минобр-науки, госконтракт № 14.740.11.0825.
2
3
4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Троицкий O.A., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шля-пин А.Д. Физические основы обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). Москва—Ижевск: Изд-во Ин-та комп. техн., 2004. 590 с.
2. Conrad H. // Mater. Sci. Eng. A. 2000. V. 287. P. 276.
3. Stolyarov V., Ugurchiev U., Trubitsyna I. et al. // J. High Pressure Phys. Technol. 2006. V. 4. № 16. P. 64.
4. Меденцов В.Э., Столяров В.В. // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 12. С. 37.
5. Столяров В.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 1. С. 108; Stolyarov V.V. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics. 2012. V. 76. № 1. P. 96.
6. Столяров В.В., Угурчиев У.Х. // ФТВД. 2009. Т. 19. С. 92.
7. Федоткин А.А., Меденцов В.Э., Столяров В.В. // Изв. вузов. Черная метал. 2012. № 8. С. 47.
8. Сурикова Н.С., Тюменцев А.Н., Евтушенко О.В. // Изв. вузов. Физика. 2009. Т. 52. № 5. С. 58.
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.