Кашин Олег Александрович

деформационноЕ поведениЕ в области

микропластической деформации ТИТАНА И СПЛАВА Ti-Al-V

с УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ структурой

при различных видах термосилового воздействия

05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Томск 2007

Работа выполнена в Институте физики прочности

и материаловедения СО РАН и Сибирском физико-техническом институте Томского государственного университета

Научные консультанты: доктор физико–математических наук, профессор Колобов Юрий Романович

доктор физико–математических наук, профессор Дударев Евгений Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ст. научн. сотр.

Полетика Ирина Михайловна

доктор технических наук, профессор

Батаев Анатолий Андреевич

доктор физико–математических наук, профессор Старенченко Владимир Александрович

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН

Защита диссертации состоится «26» октября 2007 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики прочности и материаловедения СО РАН

Автореферат разослан «___»____________2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Сизова О. В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Эффективным способом повышения механических свойств поликристаллических металлов и сплавов при невысоких гомологических температурах является уменьшение размера зерен. Получение беспористых объемных металлических материалов с ультрамелкозернистой структурой (размер зерен менее 1 мкм) стало возможным с развитием методов интенсивной пластической деформации, таких как равноканальное угловое прессование [1] и разностороннее прессование [2].

К моменту постановки настоящей работы имелось ограниченное количество экспериментальных данных по определению физико-механических характеристик материалов, имеющих объёмную ультрамелкозернистую структуру, полученную методами интенсивной пластической деформации. Были изучены только некоторые особенности структуры и физико-механические свойства металлических материалов, подвергнутых воздействию интенсивной пластической деформации. Практически отсутствовали исследования закономерностей деформационного поведения ультрамелкозернистых металлов в области микропластической деформации при различных температурно-силовых воздействиях. В то же время, как известно, рабочие напряжения большинства конструкционных материалов в реальных условиях ниже предела текучести. Однако даже при таких напряжениях в процессе длительной эксплуатации в материалах развиваются деформационные процессы, которые в конечном итоге могут привести к выходу изделия из строя. Особенно остро эта проблема стоит при циклическом нагружении, когда накопление усталостных повреждений приводит к преждевременному разрушению материала.

Для крупнозернистых поликристаллических металлов и сплавов с размером зерен более 5 мкм были выяснены закономерности и механизмы микропластической деформации и разработана теория деформационного поведения поликристаллов при напряжениях ниже физического предела текучести [3]. Эти исследования позволили обоснованно выбирать уровень безопасных рабочих напряжений, а также на основании результатов испытаний при квазистатическом нагружении делать прогнозные оценки об усталостных свойствах материалов. Специфическая структура ультрамелкозернистых материалов может внести существенные коррективы в развитие деформации при различных условиях нагружения. Поэтому исследования закономерностей и механизмов деформационного поведения в области микродеформации ультрамелкозернистых металлических материалов в зависимости от их структурно-фазового состояния, изучение закономерностей эволюции структуры и стабильности свойств ультрамелкозернистых материалов при различных температурно-силовых воздействиях весьма актуальны. Проведение таких исследований позволило бы выявить возможность применения для ультрамелкозернистых материалов разработанных ранее модельных представлений о деформационном поведении крупнозернистых поликристаллических материалов при напряжениях ниже предела текучести.

Ряд характеристик металлов и сплавов (коррозионные, триботехнические, усталостные) в значительной мере определяются структурно-фазовым состоянием поверхностных слоев. Для крупнозернистых металлов и сплавов имеются многочисленные исследования эффективности влияния поверхностных обработок и нанесения покрытий на их свойства. Ультрамелкозернистые металлы и сплавы, полученные воздействием интенсивной пластической деформации, в отличие от рекристаллизованных крупнозернистых металлов обладают большой запасенной упругой энергией, которая в значительной степени связана с неравновесными границами зерен [4]. При одном и том же способе поверхностной модификации структурно-фазовое состояние в поверхностных слоях у металлов с ультрамелкозернистой структурой может быть иным, чем у крупнозернистых, то есть может иметь место различие в изменении физико-химических и механических свойств. Поэтому данные об изменении свойств при поверхностной обработке крупнозернистых металлических материалов переносить на материалы с ультрамелкозернистой структурой в общем случае не представляется возможным.

Изменение структурно-фазового состояния и свойств приповерхностных слоев может оказать существенное влияние на закономерности развития микропластической деформации. В связи с этим актуальными являются сравнительные исследования влияния поверхностных обработок, проводимых в одинаковых режимах, на свойства металлов в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях. Можно ожидать, что сочетание методов получения объёмной ультрамелкозернистой структуры и дополнительной модификации поверхностных слоев обеспечит получение материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Однако работ, посвященных выяснению влияния поверхностных обработок на закономерности деформационного поведения в области микропластической деформации крупнозернистых и ультрамелкозернистых металлов, до сих пор не проводилось.

В большинстве случаев методы поверхностной модификации материалов связаны с термическим воздействием, которое при применении таких методов к ультрамелкозернистым материалам может привести к деградации ультрамелкозернистой структуры и снижению эксплуатационных свойств. Для обоснованного выбора способов и технологических режимов модификации поверхности с целью повышения эксплуатационных свойств материалов актуальными являются как исследования закономерностей изменения структуры в приповерхностных слоях при поверхностных обработках, так и данные о термостабильности ультрамелкозернистой структуры.

Титан технической чистоты и сплавы на его основе широко используются в качестве конструкционных материалов в авиации и космонавтике, в различных устройствах, работающих при криогенных температурах, в приборостроении, химической промышленности и медицине. В связи с этим проблеме повышения эксплуатационных свойств этих материалов путем формирования заданного структурно-фазового состояния и обработок поверхности уделяется большое внимание [5, 6]. Путем создания в титане и его сплавах ультрамелкозернистой структуры методами интенсивной пластической деформации удается существенно повысить их прочностные характеристики [1]. Для использования титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой в реальных условиях эксплуатации актуальными являются исследования закономерностей деформационного поведения в области микропластической деформации при различных условиях нагружения. В технике и медицине наиболее широко используют титан технической чистоты и двухфазный ?+? титановый сплав Ti-Al-V (ВТ6), поэтому данные сплавы были выбраны в качестве материалов для исследований в настоящей работе.

Сплав ВТ6 имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с нелегированным титаном, поэтому именно он преимущественно применяется в качестве медицинских имплантатов и конструкций протезов. В то же время сплав ВТ6 содержит алюминий и ванадий, которые оказывают вредное воздействие на живой организм. Титан технической чистоты является наиболее предпочтительным металлом для длительно работающих в живом организме имплантатов вследствие его высокой биосовместимости и отсутствия вредных легирующих добавок. Однако даже после термомеханических обработок титан по своим прочностным и усталостным свойствам уступает высоколегированным титановым сплавам [7]. Повышение эксплуатационных свойств нелегированного титана путем создания в нем ультрамелкозернистой структуры и обработок поверхности позволяет расширить области его использования, прежде всего в медицине.

Необходимость проведения исследований закономерностей микропластической деформации и влияния обработок поверхности на эксплуатационные свойства обусловлена, помимо научной новизны, и практической значимостью, поскольку эти исследования позволяют сформулировать рекомендации для выбора оптимальных технологических режимов получения ультрамелкозернистой структуры и поверхностных обработок, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств, и определить эксплуатационные интервалы рабочих напряжений и температур.

Цель настоящей работы - установить влияние ультрамелкозернистой структуры на закономерности и механизмы деформационного поведения в области микропластической деформации и эксплуатационные свойства титана ВТ1-0 и двухфазного ?+? сплава Ti-Al-V (ВТ6) при различных видах термосилового воздействия и поверхностных обработок.

Для реализации указанной цели в работе решались следующие задачи:

Экспериментально исследовать закономерности деформационного поведения в области микропластической деформации титана технической чистоты и сплава ВТ6 с объемной ультрамелкозернистой структурой при квазистатическом и циклическом нагружении и при микроползучести, в том числе и при повышенных температурах.

Исследовать методом внутреннего трения влияние объемной ультрамелкозернистой структуры и неравновесности структуры границ зерен на зернограничное микропроскальзывание титана технической чистоты и сплава ВТ6.

Исследовать влияние термомеханических обработок на закономерности деформационного поведения в области микропластической деформации титана технической чистоты с объемной ультрамелкозернистой структурой при квазистатическом и циклическом нагружении, в том числе и при повышенных температурах.