Поведение при ударном нагружении слоистого материала из титанового сплава

УДК 620.178.74:669.295:62-419

Поведение при ударном нагружении слоистого материала

из титанового сплава

А.А. Саркеева, А.А. Круглов, Е.М. Бородин1, С.В. Гладковский1, Р.Я. Лутфуллин

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа, 450001, Россия 1 Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург, 620049, Россия

В работе изучено механическое поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением из листов титанового сплава ВТ6. Показано, что ударная вязкость зависит как от расположения поверхностей соединения относительно распространяющейся трещины, так и от относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения. При наличии пор наибольшим сопротивлением разрушению обладают образцы с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения.

Ключевые слова: слоистый материал, титановый сплав, сварка давлением, ударное нагружение

Behavior of a layered Ti-based material under shock loading

A.A. Sarkeeva, A.A. Kruglov, E.M. Borodin1, S.V. Gladkovsky1, and R.Ya. Lutfullin

Institute for Metals Superplasticity Problems RAS, Ufa, 450001, Russia 1 Institute of Engineering Science UrB RAS, Ekaterinburg, 620049, Russia

The mechanical behavior of pressure-welded VT6 alloy sheets under shock loading was studied. It is shown that the impact strength of the layered material depends on both the location of its joint surfaces relative to a propagating crack and the relative extent of pores in the zone of solid-phase joints. If pores are present in the material, the highest fracture strength is found in specimens with crack-retarding locations of joint surfaces.

Keywords: layered material, titanium alloy, pressure welding, shock loading

1. Введение

Значительный интерес к слоистым металлическим материалам обусловлен тем, что их механические свойства могут существенно отличаться от аналогичных свойств монолитных материалов [1-9]. Особенностью слоистых материалов и конструкций из них является наличие поверхностей соединения, ориентированное расположение которых способствует повышению вязкости разрушения такого материала благодаря отклонению распространяющихся трещин от первоначальных направлений магистрального роста. В слоистых материалах выделяют три основных направления развития трещины [1]. Трещина может распространяться последовательно, преодолевая каждый слой, одновременно по всем слоям и между слоями вдоль поверхности соединения. При этом повышение вязкости разрушения наблюдается только в двух случаях, когда возможно тор-

можение трещины на поверхности соединения при переходе из слоя в слой или локальное разветвление общего фронта трещины на отдельные в каждом слое [10]. На особую роль поверхностей соединения в процессах деформации и разрушения материалов указывают работы В.Е. Панина с сотрудниками [11-14], в которых данный вопрос изучается на основе анализа нелинейных волн пластического течения и разрушения.

Основными технологическими приемами изготовления слоистых материалов из листовых заготовок являются пайка, пакетная прокатка, сварка взрывом, в том числе с последующей прокаткой, сварка давлением, включая диффузионную сварку. В частности, сварка давлением, совмещенная со сверхпластическим деформированием, позволяет изготовить многослойные конструкции сложного профиля, которые определяют перспективу дальнейшего развития авиационной и космической техники [15, 16].

© Саркеева А.А., Круглов А.А., Бородин Е.М., Гладковский С.В., Лутфуллин Р.Я., 2012

Изучение влияния расположения поверхностей соединения на поведение слоистого материала в процессе ударного нагружения проводили на различных марках сталей и алюминиевых сплавов [1-6]. Для слоистых материалов из титановых сплавов, полученных сваркой давлением, этот вопрос практически не изучен. Остается невыясненной роль характерных дефектов твердофазного соединения, таких как микропоры, которые наряду с ориентированным расположением поверхностей соединения относительно распространяющейся трещины также могут оказывать влияние на механическое поведение материала [17].

Целью данной работы являлось изучение поведения при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением из листов титанового сплава ВТ6.

2. Материал и методики проведения исследований

В качестве исходного материала использовали листы титанового сплава ВТ6 толщиной 0.8 мм промышленного проката. Слоистый материал в виде плиты получали сваркой давлением тринадцати листовых заготовок размерами 220 х105 мм. Заготовки собирали в пакет, укладывая друг относительно друга так, что угол между направлением прокатки в них составлял 90° [18]. Пакет заготовок размещали между силовыми плитами штам-повой оснастки. Между пакетом и верхней силовой плитой устанавливали гибкую мембрану. Сборку фиксировали клиновым прижимом и помещали в нагревательную камеру электрической печи 0КБ-8086. После достижения требуемой температуры к пакету заготовок прикладывали давление посредством мембраны, в полость которой подавали газообразный аргон. Нагрев, выдержку под давлением и охлаждение осуществляли в вакууме 2 • 10-3 Па. Процесс сварки проводили по нескольким режимам, способствующим получению соединения с различной пористостью.

Для проведения механических испытаний на ударный изгиб из изготовленных плит вырезали стандартные образцы с размерами 10 х 10 х 55 мм типа 1 по ГОСТ

Рис. 1. Образец для испытаний на ударный изгиб с «разветвляющим» (а) и «тормозящим» (б) трещину расположением поверхностей соединения

9454-78. Образцы отличались расположением U-образного надреза относительно поверхностей соединения (рис. 1). Для обозначения расположения поверхностей соединения относительно распространяющейся трещины принята терминология, предложенная в работе [1]. В образцах с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения линия надреза располагалась перпендикулярно этим поверхностям (рис. 1, а), в образцах с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения линия надреза располагалась параллельно (рис. 1, б). Испытания на ударный изгиб проводили при комнатной температуре и температуре жидкого азота на инструментированном маятниковом копре Tinius Olsen IT542M с записью диаграмм ударного нагружения в координатах «усилие - перемещение». Разделение полной работы разрушения ударного образца A = Аз + Ap на ее составляющие — работу зарождения трещины Аз и работу распространения трещины

Рис. 2. Микроструктура зоны твердофазного соединения с относительной протяженностью пор 0.01

кси, МДж/м2 кси, МДж/м2

Рис. 3. Зависимость ударной вязкости при комнатной температуре испытаний от относительной протяженности пор в образцах с «разветвляющим» (а) и «тормозящим» (б) трещину расположением поверхностей соединения

Ар осуществлялось по методике, описанной в монографии [19]. Согласно этой методике площадь под восходящей частью кривой ударного нагружения соответствует работе зарождения трещины, а под ниспадающей частью — работе ее распространения.

Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JXA-6400, фрактографические — на TESCAN МША3 LMU. Относительную протяженность пор Lp в зоне твердофазного соединения оценивали по формуле:

^ = Lpi /Lo ’

где Lvi — суммарная протяженность пор в плоскости шлифа; Lo — длина исследуемого участка вдоль линии соединения в плоскости шлифа.

3. Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 2 представлены характерные микроструктуры зоны твердофазных соединений, изготовленных по трем режимам слоистых материалов, имеющих различную пористость. В зоне соединения (рис. 2, а) наблюдали единичные поры сферической формы размером менее 1 мкм, относительная протяженность пор составила 0.01. В зоне соединений (рис. 2, б, в) поры имеют различную форму. Кроме сферических пор, присутствуют узкие, вытянутые вдоль границы соединения поры длиной 2-15 мкм. Относительная протяженность пор в данных соединениях составляла 0.15 и 0.32.

Результаты механических испытаний, проведенных при комнатной температуре, показали, что ударная вязкость зависит как от расположения поверхностей соединения относительно распространяющейся магистральной трещины, так и от протяженности пор.

При относительной протяженности пор в зоне соединения, равной 0.01, ударная вязкость образцов с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения немного превышает ударную вязкость образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения.

При увеличении относительной протяженности пор от 0.01 до 0.32 ударная вязкость образцов с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения уменьшается в 1.5 раза (рис. 3, а), а с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения наоборот возрастает, увеличиваясь в 2 раза уже при относительной протяженности пор равной 0.15 (рис. 3, б). При относительной протяженности пор равной 0.32 образец с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения полностью не разрушился. Значение его ударной вязкости, отмеченное на графике точкой со стрелкой, было определено по величине работы, затраченной на разрушение большинства слоев и на изгиб оставшихся слоев. В связи с этим изменение ударной вязкости при увеличении протяженности пор с 0.15 до 0.32 на рис. 3, б показано пунктиром. Для полного разрушения образца и определения значения его ударной вязкости было проведено дополнительное испытание при температуре жидкого азота. В результате испытания образец разрушился, его ударная вязкость составила 2.09 МДж/м2, что почти в 6 раз больше значения ударной вязкости образца с относитель-

кси, МДж/м2

0.15 0.32 1_р

Рис. 4. Значение ударной вязкости образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения, разрушенных при температуре жидкого азота

ной протяженностью пор равной 0.15, испытанного в тех же условиях (рис. 4).

Следует отметить, что ударная вязкость исследованных слоистых материалов превышает уровень, установ-

ленный по ГОСТ 23755-79 для плит из титанового сплава ВТ6 (кси = 0.3 МДж/м2).

На рис. 5 представлены макроизломы образцов с относительной протяженностью пор равной 0.01 и 0.32

Рис. 6. Фрактограммы изломов образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения и относительной протяженностью пор 0.32, разрушенных при температуре 20

Перемещение, мм

Перемещение, мм

Перемещение, мм

Рис. 7. Диаграммы ударного нагружения слоистых образцов с «раз поверхностей соединения. Ьр = 0.01

после испытаний при комнатной температуре. Видно, что данные изломы существенно отличаются. На изломах образцов с повышенной протяженностью пор присутствуют расслоения, образовавшиеся по поверхностям соединений и расположенные перпендикулярно направлению распространения магистральной трещины. Способность образцов к появлению расслоений возрастает с увеличением относительной протяженности пор в зоне соединения.

Понижение температуры испытания не изменяет механизм разрушения, о чем свидетельствует сохранение ямочного излома. В качестве примера на рис. 6 представлены фрактограммы образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения и отно-

Перемещение, мм

Перемещение, мм

Перемещение, мм

(а, в, д) и «тормозящим» (б, г, е) трещину расположением

сительной протяженностью пор 0.321. Безусловно, результаты количественного анализа данных фрактограмм могут несколько отличаться друг от друга.

На рис. 7 представлены диаграммы ударного нагружения образцов, испытанных при комнатной температуре. При относительной протяженности пор в зоне соединения равной 0.01 вид кривых для образцов с различным расположением поверхностей соединения одинаковый до появления максимума (рис. 7, а, б). С увеличением относительной протяженности пор указанные

1 Микрофрактографический анализ изломов проведен с участием инж. С.В. Смирновой.

Таблица 1

Полная работа разрушения А, работа зарождения А3 и распространения Ар трещины в исследуемых образцах с «разветвляющим» (Р) и «тормозящим» (Т) трещину расположением поверхностей соединения

А, Дж А3, Дж АР > Дж

ьр Р Т Р Т Р Т

0.01 54.3 41 19.5 19.6 34.8 21.4

0.15 42.8 98.4/28.4* 24.4 - 18.4 -

0.32 32.5 240.8/167.7* 20.1 - 12.4 -

* Первое число — значение работы разрушения, полученное при комнатной температуре испытания, второе — значение при температуре жидкого азота.

диаграммы качественно отличаются друг от друга в зависимости от расположения поверхностей соединения в образце. На диаграммах ударного нагружения образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения при относительной протяженности пор 0.15 и 0.32 после достижения максимума нагрузки происходит ее некоторый спад (рис. 7, г, е), связанный с появлением расслоения в образце. Дальнейшее продвижение магистральной трещины затормаживается, и сопротивление деформированию образца начинает опять возрастать до зарождения трещины в следующем слое образца. Этому моменту отвечает достижение второго максимума нагрузки. Плато на диаграмме соответствует распространению трещины в образце до появления в нем следующего расслоения, при котором опять происходит некоторый спад нагрузки. На диаграммах ударного нагружения образцов с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения с увеличением протяженности пор происходит более ускоренный спад нагрузки после достижения ее максимума (рис. 7, в, д).

Значения полной работы разрушения и ее составляющих представлены в табл. 1. Видно, что в образцах с относительной протяженностью пор равной 0.01 работа зарождения трещины одинакова, а работа распространения выше для образца с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения. Стоит отметить, что в образцах с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения работа зарождения ниже работы распространения трещины, а в образцах с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения они практически одинаковы. Интересно, что увеличение пористости в образцах с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения не приводит к уменьшению работы зарождения трещины, а снижает только работу ее распространения. При этом работа зарождения трещины становится выше работы распространения.

Проведенные эксперименты показали, что наибольшим сопротивлением разрушению обладают образ-

цы с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения при относительной протяженности пор равной 0.32. Вид диаграммы ударного нагружения (рис. 7, е) и характер расположения расслоений в изломе (рис. 5, г) свидетельствуют о последовательном разрушении слоистого образца. Образовавшиеся на пути трещины расслоения останавливают ее, и для дальнейшего развития разрушения необходимо зарождение трещины на новой поверхности, для чего требуется дополнительная энергия. Существенное повышение ударной вязкости можно объяснить, как это сделано авторами работ [10, 20], необходимостью многократного зарождения новой трещины.

Совсем другая картина наблюдается в образцах с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения. Несмотря на образование расслоений с увеличением протяженности пор, ударная вязкость понижается. На диаграммах нагружения данных образцов присутствуют осцилляции нагрузки до достижения ее максимума независимо от протяженности пор в зоне соединения. Однако эти осцилляции не связаны с появлением расслоений, поскольку последние наблюдаются только на изломах образцов с повышенной протяженностью пор (рис. 5, а, в). Следовательно, в момент зарождения трещины расслоения еще не образуются. Это косвенно подтверждается близкими значениями работы зарождения трещины в образцах с различной пористостью. Видимо, материал начинает разделяться на слои уже после страгивания магистральной трещины. Согласно [10], повышение ударной вязкости происходит только в случае образования расслоений до момента страгивания магистральной трещины.

В соответствии с работами [11-14], слоистый материал, как и любое твердое тело, представляет собой многоуровневую иерархически организованную систему, в которой развитие трещин является нелинейным волновым процессом. Согласно анализу нелинейных волн разрушения, снижение ударной вязкости образцов с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения при увеличении протяженности пор связано с уменьшением работы распространения волны разрушения поворотного типа. В образцах с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения расслоения, возникающие по поверхностям соединений, обуславливают возможность самосогласованного пластического изгиба слоев, в которых развивается большая пластическая деформация, что и обеспечивает высокую ударную вязкость данных образцов.

Таким образом, в слоистом материале, полученном сваркой давлением из листов титанового сплава ВТ6, поры в зоне соединения приводят к увеличению сопротивления разрушению, только когда поверхности соединения расположены в направлении торможения трещины.

4. Выводы

Поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением из листов титанового сплава BT6, зависит от расположения поверхностей твердофазного соединения по отношению к распространяющейся магистральной трещине.

Пористость в зоне твердофазного соединения заметно снижает ударную вязкость образцов с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения и значительно повышает указанную характеристику образцов с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения.

Повышение сопротивления разрушению в образцах с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения при увеличении относительной протяженности пор связано с многократным зарождением трещины на новой поверхности.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ-Урал (грант М 10-02-96041).

Литература

1. Embury J.D., Petch N.J., Wraith A.E., Wright E.S. The fracture of mild steel laminates // Trans. Metall. S. AIME. - 1967. - V. 239. -P. 114-118.

2. Пoгoдuн-Aлeкceeв Г.И. Динамическая прочность и хрупкость металлов. - M.: Maшинocтpoeниe, 1966. - 242 с.

3. Якoвлeвa И.Л., Тєрєщєнко H.A., Mupзaeв Д-A., Панов A.B., Шабу-ровД..B. Ударная вязкость и пластические свойства составных образцов по сравнению с монолитными // ФMM. - 2007. - М 2. -С. 212-221.

4. Cepeda-Jimёnez C.M., Garcia-Infanta J.M., Pozuelo M., Ruano O.A., Carreno F Impact toughness improvement of high-strength aluminium alloy by intrinsic and extrinsic fracture mechanisms via hot roll bonding // Scripta Mater. - 2009. - V. 61. - P. 407-410.

5. Гладков^ий C.B., Трунина T.A., Коковшин E.A., Buчужaнuн Д.И., Голубкова ИЛ. Структура и свойства композита из сталей 12Х18Н10Т и 20, полученного сваркой взрывом // MиTOM. -2009.- М 9. - С. 34-39.

6. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. - М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

7. Райт Е.С., Левит А.П. // Композиционные материалы с металлической матрицей. Т. 4. - М.: Машиностроение, 1978. - С. 49-110.

8. Соколовская Е.М., Гузей Л.С. Физикохимия композитных материалов. - М.: МГУ, 1978. - 255 с.

9. Ганеева А.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Свойства слоистого композиционного материала и перспективы его использования // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - № 7. - С. 3840.

10. Микляев П.Г., Фридман Я.Б. Анизотропия механических свойств металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

11. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Эффект каналирования пластических сдвигов и нелинейные волны локализованной пластической деформации и разрушения // Физ. мезомех. - 2010. -Т. 13. - № 5. - С. 7-26.

12. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система // Физ. мезомех. - 2011. - Т. 14. - № 3. - С. 7-26.

13. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Попкова Ю.Ф. Физические основы мезомеханики развития усталостной трещины в двухслойном композите // Докл. РАН. - 2012. - Т. 443. - № 1. - С. 2012-2015.

14. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как в иерархически организованной системе // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. - № 1. -С. 7-22.

15. Weisert E.D., Stacher G.W. Fabricating parts with SPF/DB process // Metal Progress. - 1977. - No. 3. - P. 33-37.

16. Петров Е.Н., Родионов В.В., Кузьмин Э.Н., Лутфуллин Р.Я., Са-фиуллин Р.В. Ячеистые конструкции. - Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2008. - 176 с.

17. Гельман А.А., АнурьевК.Д., Семенова Н.М., Зайцева Л.М. Влияние дефектов на ударную вязкость сварных соединений из сплава ВТ6 // Сварочное производство. - 1985. - № 10. - С. 16-18.

18. Ганеева А.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Разрушение слоистого материала с различным расположением поверхностей соединения // Перспективные материалы. - 2011. - № 12. - С. 92-96.

19. Георгиев М. Пукнатиноустойчивост на металите при ударно на-товарване. - София: БУЛВЕСТ 2000, 2007. - 231 с.

20. Гуляев В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев А. В. Перспективные методы исследования хрупкого разрушения металлов. - Новосибирск: Наука, 1977. - 124 с.

Поступила в редакцию 20.03.2012 г.

Сведения об авторах

Саркеева Айгуль Анваровна, мнс ИПСМ РАН, aigul-05@mail.ru Круглов Алексей Анатольевич, к.т.н., доц., снс ИПСМ РАН, alweld@go.ru Бородин Евгений Михайлович, к.т.н., мнс ИМАШ УрО РАН, borodin_e@mail.ur.ru Гладковский Сергей Викторович, д.т.н., проф., зав. лаб. ИМАШ УрО РАН, gsv@imach.uran.ru Лутфуллин Рамиль Яватович, д.т.н., проф., зав. лаб. ИПСМ РАН, lutram@anrb.ru