Delist.ru

Деформационное поведение в области микропластической деформации титана и сплава Ti-Al-V с ультрамелкозернистой структурой при различных видах термосилового воздействия (30.08.2007)

Автор: Кашин Олег Александрович

Установить влияние поверхностных обработок при использовании методов пластической деформации, ионной имплантации, ионного азотирования, электроискрового легирования, на закономерности развития микропластической деформации ультрамелкозернистого титана при квазистатическом и циклическом нагружении.

На основании полученных результатов исследований, разработанного в процессе выполнения работы оборудования и режимов термомеханических обработок и обработок поверхности разработать способы повышения эксплуатационных характеристик (размерной стабильности, прочности, износостойкости, возможности восстановления геометрических размеров изношенных деталей) титана и других материалов (композиционных материалов металл-углеродные волокна, инструментальных сталей) путем создания ультрамелкозернистой структуры в объеме и в поверхностных слоях.

Научная новизна

В работе впервые:

- установлено на примере титана технической чистоты и сплава ВТ6 при квазистатическом и циклическом нагружении и в условиях ползучести подобие развития микропластической деформации при крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурах. Показано, что при обеих зеренных структурах при квазистатическом нагружении микропластическая деформация развивается в две стадии; на первой стадии связь между напряжением и степенью микропластической деформации линейная, на второй – параболическая. Установлено, что при переходе от крупнозернистой структуры к ультрамелкозернистой повышается сопротивление микропластической деформации при квазистатическом и циклическом нагружении и при ползучести;

- показано, что на второй стадии микропластической деформации зависимость напряжения течения от величины зерна подчиняется уравнению Холла-Петча в том случае, когда при всех размерах зерен имеющиеся в ненагруженном материале дислокации заблокированы и не принимают участия в развитии пластической деформации. При наличии в ненагруженном ультрамелкозернистом материале незаблокированных дислокаций, введенных, например, глубокой пластической деформацией при температурах, когда диффузионные процессы заторможены, соотношение Холла-Петча нарушается;

- установлено, что в титане технической чистоты с разной концентрацией примесей при переходе от крупнозернистой структуры к ультрамелкозернистой эффект упрочнения в области микропластической деформации практически не зависит от содержания примесей;

- на основании исследований зернограничного внутреннего трения обнаружен эффект понижения температуры начала и интенсивного развития зернограничного микропроскальзывания в титане и сплаве ВТ6 при переходе от крупнозернистой структуры с совершенными границами зерен к ультрамелкозернистой структуре с несовершенными границами зерен, обусловленный уменьшением энергии активации зернограничного массопереноса;

- экспериментально выяснено влияние поверхностных обработок методами поверхностного деформирования, ионной имплантации, ионного азотирования и электроискрового легирования на закономерности деформационного поведения в области микропластической деформации ультрамелкозернистого титана технической чистоты.

Практическая значимость работы

Результаты фундаментальных исследований закономерностей микропластической деформации при различных видах нагружения позволили разработать способ термомеханической обработки титана технической чистоты для достижения максимально высоких значений усталостной прочности, заключающийся в последовательном использовании интенсивной пластической деформации при повышенных температурах (600/700 К) для формирования ультрамелкозернистой структуры и прокатки при комнатной температуре на глубокие степени деформации (80/90%) без промежуточных отжигов, что обеспечивает измельчение зерен и образование в материале незаблокированных дислокаций, эффективно способствующих релаксации концентраторов напряжений, возникающих в процессе циклического нагружения.

Определены технологические режимы поверхностных обработок методами поверхностного деформирования, ионной имплантации, электроискрового легирования, обеспечивающие сохранение объёмной ультрамелкозернистой структуры в титане и повышение его эксплуатационных характеристик.

Полученные в работе результаты по исследованию влияния поверхностных обработок на изменение микроструктуры поверхностных слоев ультрамелкозернистого титана использованы для разработки способов повышения эксплуатационных свойств (прочности, износостойкости, возможности восстановления геометрических размеров изношенных деталей) других материалов – сталей и композиционных материалов с объемной или поверхностной ультрамелкозернистой структурой.

Положения, выносимые на защиту

Установленное на примере титана технической чистоты и сплава ВТ6 при различных видах термосилового воздействия подобие деформационного поведения в области микропластической деформации крупнозернистых и ультрамелкозернистых металлических поликристаллов: при обеих зеренных структурах при квазистатическом нагружении микропластическая деформация развивается в две стадии; на первой стадии связь между напряжением и степенью микропластической деформации линейная, на второй – параболическая. При циклическом нагружении и микроползучести при комнатной температуре накопление микропластической деформации происходит по логарифмическому закону.

Экспериментально установленные условия выполнимости соотношения Холла-Петча: при внешних напряжениях, соответствующих второй стадии микропластической деформации, зависимость напряжения течения и ограниченного предела выносливости титана технической чистоты и сплава ВТ6 от величины зерна подчиняется уравнению Холла-Петча в том случае, когда при всех размерах зерен имеющиеся в ненагруженном материале дислокации заблокированы.

Экспериментально определенные максимальные температуры стабильности структуры и механических свойств титана технической чистоты и сплава ВТ6 в области микропластической деформации, соответствующие температурам интенсивной пластической деформации и началу интенсивного развития диффузионных процессов. Усиление температурной зависимости напряжения течения в области микропластической деформации ультрамелкозернистого титана после глубокой пластической деформацией при комнатной температуре, приводящей к измельчению зерен до 100-200 нм и повышению неравновесности структуры границ зерен.

Способ термомеханической обработки титана технической чистоты для достижения максимально высоких значений усталостной прочности, заключающийся в последовательном использовании интенсивной пластической деформации при повышенных температурах (600/700 К) для формирования ультрамелкозернистой структуры и прокатки при комнатной температуре на глубокие степени деформации (80/90%) без промежуточных отжигов.

Установленный эффект понижения температуры начала и интенсивного развития зернограничного микропроскальзывания в титане и сплаве ВТ6 при переходе от крупнозернистой структуры с совершенными границами зерен к ультрамелкозернистой структуре с несовершенными границами зерен, обусловленный уменьшением энергии активации зернограничного массопереноса.

Технологические режимы обработок поверхности методами поверхностного деформирования, ионной имплантации, ионного азотирования и электроискрового легирования для повышения эксплуатационных характеристик (размерной стабильности, микротвердости, износостойкости, восстановления геометрических размеров изношенных деталей) ультрамелкозернистого титана технической чистоты при сохранении объемной ультрамелкозернистой структуры, сталей 9ХФМ и 65Х13 и композиционных материалов металл-углеродные волокна.

Связь работы с научными программами и темами

Диссертационная работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и Сибирском физико-техническом институте Томского государственного университета в соответствие с планами государственных научных программ и грантов:

«Закономерности и механизмы формирования наноструктурных состояний, деформационного поведения и разрушения объемных многоуровневых металлических материалов и композиций с разной устойчивостью кристаллической решетки к термосиловым воздействиям. Разработка на их основе перспективных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для медицины и техники» (проект 3.6.2.2.по приоритетному направлению 3.6 «Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, трибология», 2007-2009 гг.); «Исследование роли диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и упруго-пластических свойств многоуровневых объемных наноструктурных композитов с металлической матрицей. Разработка на их основе перспективных материалов для медицины и техники» (проект по приоритетному направлению 8. Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций, 2004-2006 гг.); "Наноструктурные материалы для медицинского применения" (проект МНТЦ № 2070р, 2001-2002 гг.); «Разработка наноструктурных титановых материалов для медицинского применения» (проект ИНТАС № 01-320, 2002-2004 гг.); «Деформационное поведение и разрушение наноструктурных металлов и сплавов при квазистатическом и динамическом нагружениях» (проект № 9.5 по программе фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук «Теплофизика и механика энергетических воздействий», 2004-2006 гг.); «Диффузия и упругопластические свойства наноструктурных материалов для медицины и техники» (проект № 8.13 по программе фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов», 2004-2005 гг); «Исследование механизмов модификации структуры и свойств металлов и сплавов с многоуровневой структурой, сформированной при воздействии ионных пучков» (интеграционный проект фундаментальных исследований СО РАН № 2.4, 2006-2008 гг.); «Создание высокоэффективной технологии получения ультрадисперсных структур в крупнозернистых литых заготовках конструкционных металлов и сплавов методами интенсивной пластической деформации» (проект ИН-22.3/003 федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, 2005-2006 гг.); «Эволюция микроструктуры и упруго-пластических свойств наноструктурного титана при внешнем силовом и температурном воздействии» (грант РФФИ № 2000-2001 гг.); «Компьютерное конструирование износостойкости рабочих поверхностей режущего и штампового инструмента на основе физической мезомеханики деформации и разрушения» (проект № 07.08.008.00.М федеральной целевой научно-технической программы «Новые материалы», 1996-1998 гг.).

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах:

Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России «Новые конструкционные материалы». Москва, 2000; Вторая Международная научно-техническая конференция «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред». Барнаул, 2001; V Всероссийская конференция "Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем". Екатеринбург, 2001; Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов". Уфа, 2001; 3 Международная конференция «Физика и промышленность 2001». Москва, Голицино, 2001; Международный технологический конгресс «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения». Омск, 2001; VI Международная конференция «Компьютерное конструирование новых материалов и технологий». Томск, 2001; VI Всероссийская (международная) конференция «Физикохимия ультрадисперсных систем». Томск, 2002; Конференция "Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы". Красноярск, 2003; X APAM topical seminar and III conference "Materials of Siberia" "Nanoscience and technology" devoted to 10-th anniversary of APAM. Novosibirsk, Russia, 2003; XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003; International Symposium on Physical Mesomechanics and Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies. Томск, 2003; Международная конференция «Современные проблемы физики и высокие технологии». Томск, 2003; Х Международный семинар «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов – «ДСМСМ»-2005», Екатеринбург, 2005; XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, 2006; Международная конференция «Ti-2006 в СНГ». Суздаль, 2006; 6th International Conference on Modifications of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2002; 7th International Conference on Modifications of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2004; Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск, 2004; International Conference on Modifications of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams. Feodosiya, 2001; 13th International Symposium on High Current Electronics and the 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Томск, 2004; VIII Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». Барнаул, 2005; Всесоюзный семинар по смачиваемости и адгезии расплавов и пайке неметаллических материалов. Николаев, 1975; IV Всесоюзная конференция по композиционным материалам. Москва, 1978; Семинар по механике композитов с металлической матрицей. Черноголовка, 1978; VIII Всесоюзная конференция по поверхностным являниям в расплавах и твердых фазах. Киржач, 1980; Всесоюзная конференция «Применение аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве». Томск, 1987; Первая конференция «Материалы Сибири». Новосибирск, 1995; Научно-практическая конференция «Тюменская нефть – вчера и сегодня». Тюмень, 1997; V Russian-Chinese international symposium “Advanced Materials and Processes”, Baikalsk, Russia. 1999;

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 72 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, тематических сборниках и трудах конференций, в числе которых 4 коллективных монографии, 8 авторских свидетельств и 4 патента РФ на изобретения. В автореферате приведены основные публикации по теме диссертации.

Личный вклад автора в работу. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Автору принадлежат идеи в определении цели, анализе и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов. Большинство экспериментальных исследований выполнено лично автором. Под его руководством и при непосредственном участии осуществлялась разработка и изготовление экспериментального оборудования, отработка методик и технологических процессов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, приложений, выводов, списка цитируемой литературы, включающей 262 наименования. Диссертация содержит 288 страниц, в том числе 104 рисунка, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы; сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту; показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов; даны сведения об объектах исследований, структуре и объеме диссертации, публикациях; определен личный вклад автора; указаны конференции и семинары, на которых были доложены основные результаты работы.

В разделе I проведен анализ литературных данных об особенностях микроструктуры и деформационного поведения ультрамелкозернистых материалов и сплавов, полученных методами интенсивной пластической деформации. Рассмотрены имеющиеся к настоящему времени представления о развитии микропластической деформации в поликристаллических металлах и сплавах при нагружении. Обсуждены вопросы методик определения деформационного поведения материалов в области микропластической деформации при квазистатическом и циклическом нагружении. Обоснован выбор титана технической чистоты в качестве материала для исследований. Для выяснения влияния ультрамелкозернистой структуры титана на закономерности деформационного поведения в области микропластической деформации титана при различных видах нагружения исследования проводили в сравнении с крупнозернистым титаном.

Ультрамелкозернистая структура в титане технической чистоты была сформирована методами равноканального углового прессования и разностороннего прессования при температурах 620/720 К. Проведенная с использованием просвечивающей электронной микроскопии аттестация микроструктуры титана показала, что в зависимости от технологических режимов после интенсивной пластической деформации формируется структура с разным средним размером зерен (рис. 1).

В зернах с размером менее 100 нм практически отсутствуют дислокационная субструктура. В зернах с размером 100/500 нм имеется сетчатая дислокационная субструктура со скалярной плотностью дислокаций до 4(1010 см-2, что на порядок выше по сравнению с крупнозернистым материалом. В более крупных зернах (около 1 мкм) плотность дислокаций такая же, как и в рекристаллизованном состоянии, что позволяет предположить возможность динамической рекристаллизации в процессе интенсивной пластической деформации. Доля

большеугловых границ, определенная по горизонтальным разориентировкам, составляет (50%. Большинство границ зерен имеют размытый контраст, характеризующий их неравновесность. Особенностью микроструктуры титана является наличие ультрадисперсных метастабильных выделений фазы типа Ti2C размером 10-20 нм.

Исследования закономерностей деформационного поведения в области микропластической деформации при квазистатическом нагружении титана ВТ1-0 в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях показали, что характер зависимостей напряжения течения от величины микропластической деформации качественно одинаков для обоих состояний (рис.2). На диаграммах нагружения наблюдаются две стадии: линейная, которая в соответствии с моделью микропластической деформации обусловлена пластической деформацией в отдельных, не контактирующих между собой зернах на поверхности материала, и параболическая, связанная с кооперативной пластической деформацией зерен. В то же время сопротивление микродеформации для ультрамелкозернистого титана значительно повысилось по сравнению с крупнозернистым состоянием.

Напряжение ?(( (макроскопический предел упругости) перехода от первой ко второй стадии микропластической деформации для ультрамелкозернистого титана почти в 2 раза больше, чем для крупнозернистого.

Эффект повышения сопротивления микропластической деформации от формирования ультрамелкозернистой структуры для титана с заданным размером зерен не зависит от содержания примесей внедрения. (рис. 3).

Сформированная интенсивной пластической деформацией при повышенных температурах ультрамелкозернистая структура титана обладает достаточно высокой термостабильностью: при изотермических отжигах вплоть до температур, соответствующих температурам, при которых проводили интенсивную пластическую деформацию, микроструктура и сопротивление микропластической деформации при нагружении практически не изменяются. Отжиги при более высоких температурах приводят к развитию рекристаллизационных процессов, увеличению среднего размера зерен и снижению напряжения течения.

Установлено что дополнительное уменьшение среднего размера зерен (до 100/200 нм) можно получить путем прокатки ультрамелкозернистого титана на высокие степени деформации при комнатной температуре без промежуточных отжигов (рис. 4). При этом возрастает степень несовершенства структуры границ зерен.

Прокатка ультрамелкозернистого титана привела к снижению макроскопического предела упругости (рис. 5, кривая 4). Однако на второй стадии микропластической деформации заметно вырос коэффициент деформационного упрочнения по сравнению с непрокатанным материалом. Кривая микродеформации для прокатанного крупнозернистого титана (рис. 5, кривая 3) оказалась подобна кривой для прокатанного ультрамелкозернистого титана.

загрузка...