Деформационное поведение в области микропластической деформации титана и сплава ti-al-v с ультрамелкозернистой структурой при различных видах термосилового воздейс

На правах рукописи

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:

1. 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.
2. Исследовать методом внутреннего трения влияние объемной ультрамелкозернистой структуры и неравновесности структуры границ зерен на зернограничное микропроскальзывание титана технической чистоты и сплава ВТ6.
3. 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.
4. 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.
5. 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 (600700 К) для формирования ультрамелкозернистой структуры и прокатки при комнатной температуре на глубокие степени деформации (8090%) 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Способ термомеханической обработки титана технической чистоты для достижения максимально высоких значений усталостной прочности, заключающийся в последовательном использовании интенсивной пластической деформации при повышенных температурах (600700 К) для формирования ультрамелкозернистой структуры и прокатки при комнатной температуре на глубокие степени деформации (8090%) без промежуточных отжигов.
5. 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.
6. 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