Влияние холодной пластической деформации на структуру, деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана

Влияние холодной пластической деформации на структуру, деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана

Г.П. Грабовецкая, Ю.Р. Колобов, К.В. Иванов, О.В. Забудченко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, 634021, Россия

Изучено влияние холодной пластической деформации прокаткой на термостабильность структуры, механические свойства и деформационное поведение при растяжении и ползучести ультрамелкозернистого титана. Обсуждается влияние структурного состояния на характер локализации деформации на мезо- и макромасштабных уровнях при растяжении и ползучести.

The effect of cold severe plastic deformation on structure, deformation behavior and mechanical properties of ultrafine-grained titanium

G.P. Grabovetskaya. Yu.R. Kolobov, K.V. Ivanov, and O.V. Zabudchenko

The effect of cold severe plastic deformation by rolling on structure thermostability has been investigated. The mechanical properties and deformation behavior under tension and creep of ultrafine-grained Ti has been examined. The effect of structure state on deformation localization at meso- and macroscale levels under tension and creep is being discussed.

1. Введение

Известно, что термическая стабильность ультрамел-козернистой структуры, полученной воздействием интенсивной пластической деформации, связана не только с высокой степенью неравновесности структуры, но и с неоднородным распределением по размерам элементов субмикронной зеренно-субзеренной структуры [15]. Одним из способов повышения однородности такой структуры может быть дополнительная (после интенсивной пластической деформации) деформация прокаткой при комнатной температуре. Однако вопрос о влиянии такой обработки на структуру и свойства ультра-мелкозернистых материалов в настоящее время мало изучен, а имеющиеся данные противоречивы [2, 6, 7].

В настоящей работе на примере ультрамелкозернистого титана проведено комплексное исследование особенностей влияния холодной пластической деформации прокаткой на структуру, ее термостабильность, механические свойства и деформационное поведение при растяжении и ползучести ультрамелкозернистых металлов, полученных методом равноканального углового прессования.

2. Материал и методика экснеримента.

Исследовали титан технической чистоты марки BT1-0 (состав, вес. %: 0.12 О; 0.18 Fe; 0.07 C; 0.04 N;

0.01 H; Ti — остальное). Ультрамелкозернистая структура в данном материале была сформирована методом равноканального углового прессования при температуре 723-673 K. Степень истинной деформации титана в процессе равноканального углового прессования, рассчитанная по формуле, приведенной в работе [8], составляла ~ 9.

Электронно-микроскопические исследования тонких фольг проводили в просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-125К. Для металлографических исследований использовали оптический микроскоп МИМ-9.

Спектр разориентировок границ зерен в титане определяли методом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) на растровом микроскопе JEM 840 с приставкой для EBSD анализа при ускоряющем напряжении 20 ^ и шаге сканирования 0.1 мкм.

Деформацию титана после равноканального углового прессования на 75 % осуществляли многоходовой

© Грабовецкая ГП., Колобов Ю.Р, Иванов K.B., Забудченко О-B., 2004

8 6 -4

2 Н

ь

О

20 40 60 80

6 -4

2 -

.НІ

20

40 60 80 Ф°

Рис. 1. Спектры распределения границ зерен по разориентировкам в ультрамелкозернистом титане: а — титан после равноканального углового прессования; б — титан после равноканального углового прессования + дополнительная холодная деформация

на 75 %

прокаткой при комнатной температуре с шагом 5-12 %. Степень деформации рассчитывали по формуле:

є =

(^ - К) -100

где Н0 и h — толщина заготовки до и после прокатки.

Испытания на ползучесть проводили при постоянной нагрузке в вакууме 10-2 Па на установке ПВ-3012М при температуре 573 К в интервале скоростей 10-6—10-7 с-1. Дрейф температуры во время испытаний не превышал одного градуса в час. Образцы с размерами рабочей части 10x2.8x0.5 мм вырезали электроискровым способом. Перед испытанием с поверхности образцов удаляли слой толщиной около 100 мкм механической шлифовкой и последующей электролитической полировкой. Относительную деформацию образцов измеряли оптическим катетометром КМ-6 с точностью не хуже 0.1 %. Испытания на растяжение проводили при температурах 293 и 573 К со скоростью 3.3 • 10-3 с-1.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Электронно-микроскопические исследования, проведенные в [9-11], показали, что в титане после равно-

канального углового прессования равноосная зеренно-субзеренная структура формируется лишь в поперечном относительно направления прессования сечении. В продольном относительно направления прессования сечении элементы структуры имеют вытянутую форму с коэффициентом неравноосности ~3. Средний размер элементов структуры, определенный по темнопольному изображению, составляет 0.9 ±0.3 мкм в продольном относительно равноканального углового прессования направлении и 0.32 ±0.09 мкм—в поперечном направлении. Рост зерен в процессе отжига в такой структуре титана начинается при температуре 723 К. Полная рекристаллизация наблюдается после отжига 773 К, 1 час.

В процессе холодной деформации прокаткой на 7085 % средний размер элементов зеренно-субзеренной структуры в ультрамелкозернистом титане уменьшается до 0.15 ±0.05 мкм, при этом элементы зеренно-субзе-ренной структуры становятся равноосными. Структура образцов после прокатки на 70-75 % однородна по объему. Детально формирование такой структуры описано в [9]. Сопоставление спектров разориентировок границ зерен в титане после равноканального углового прессования (рис. 1, а) и дополнительной деформации

Таблица 1

Механические свойства ульрамелкозернистого титана после равноканального углового прессования и дополнительной холодной деформации на 75 %

Материал Температура испытания, К Предел текучести ±15, МПа Предел прочности ±15, МПа Деформация до разрушения ± 1, %

ВТ1-0 (равноканальное угловое прессование, 293 723 750 5

поперечное сечение) 573 570 620 10

ВТ1-0 (равноканальное угловое прессование, 293 605 668 15

продольное сечение) 573 460 520 21

ВТ1-0 (равноканальное

угловое прессование + 293 890 1050 12

холодная деформация на 75 %) 573 584 670 19

ст, МПа

400

и 4 8 12 8,%

Рис. 2. Кривые растяжения ультрамелкозернистого титана после равноканального углового прессования (1 — продольное сечение, 2 — поперечное сечение) и дополнительной холодной деформации прокаткой (5). Т = 293 К

(рис. 1, б) показало, что в результате холодной деформации на 75 % число большеугловых границ зерен в ультрамелкозернистом титане практически не изменяется. Однако после прокатки температура полной рекристаллизации ультрамелкозернистого титана снижается до 673 К, а частичная рекристаллизация наблюдается уже при 623 К.

Таким образом, холодная деформация прокаткой приводит к существенному повышению дисперсности и однородности ультрамелкозернистой структуры и, одновременно, увеличивает степень ее неравновес-ности.

В таблице 1 представлены результаты испытаний на растяжение образцов ультрамелкозернистого титана, вырезанных в продольном и поперечном сечениях относительно направления равноканального углового прессования. Здесь же для сравнения приведены механические свойства при растяжении прокатанного ультрамелкозернистого титана. Из таблицы 1 видно, что механические свойства ультрамелкозернистого титана после равноканального углового прессования существенно анизотропны. Образцы ультрамелкозернистого титана, вырезанные в поперечном сечении, имеют более высокие значения пределов прочности и текучести и более низкую пластичность по сравнению с соответствующими значениями для образцов, вырезанных в продольном сечении. Такое различие механических свойств ультрамелкозернистого титана в поперечном и продольном относительно оси равноканального углового прессования сечениях может быть связано с наличием в нем либо кристаллографической [1], либо механической, о чем было сказано выше, текстур.

Холодная пластическая деформация прокаткой ультрамелкозернистого титана на 75 % приводит к существенному росту значений ов и о02 (таблица 1). При этом исчезает разница в механических свойствах образцов, вырезанных перед деформацией в перпен-

дикулярном и параллельном относительно оси равноканального углового прессования сечениях.

На рис. 2 представлены кривые «напряжение - деформация» для ультрамелкозернистого титана после различных обработок. Видно, что холодная пластическая деформация прокаткой существенно изменяет вид указанных кривых. На кривой «напряжение - деформация» для ультрамелкозернистого титана после холодной пластической деформации увеличивается протяженность стадии возрастающего напряжения и уменьшается стадия падающего напряжения. При этом происходит рост коэффициента деформационного упрочнения.

Таким образом, холодная деформация прокаткой ультрамелкозернистого титана, полученного воздействием интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования, увеличивает его прочностные характеристики при сохранении удовлетворительной пластичности.

На рис. 3 представлены кривые ползучести при температуре 573 К образцов ультрамелкозернистого титана после равноканального углового прессования и после дополнительной прокатки на 75 % (в обоих случаях образцы были вырезаны вдоль направления деформации). Из сопоставления этих кривых видно, что для обоих типов образцов наблюдается мгновенная деформация и в обоих случаях для кривых ползучести характерно наличие трех стадий ползучести: неустановившейся, стационарной и ускоренной ползучести. При этом скорость ползучести на установившейся стадии ультрамелкозернистого титана увеличивается с уменьшением размера зерна.

Характерной особенностью деформации при растяжении и ползучести ультрамелкозернистого титана является развитие полос локализованной деформации на мезо- и макроуровнях. При используемых в нашей работе условиях растяжения на поверхности образцов ульт-

20

2 4 6 8 10

Время, час

Рис. 3. Кривые ползучести ультрамелкозернистого титана после равноканального углового прессования (1) и дополнительной холодной деформации прокаткой (2). Т = 573 К, а = 350 МПа

рамелкозернистого титана после равноканального углового прессования в начале пластической деформации развиваются тонкие (шириной несколько микрометров) мезополосы локализованной деформации. В образцах ультрамелкозернистого титана, вырезанных параллельно направлению оси равноканального углового прессования, мезополосы локализованной деформации имеют прерывистый характер и располагаются под небольшим углом (0-15°) к направлению нагрузки. Одновременно с развитием мезополос локализованной деформации в таких образцах наблюдается образование шейки. В образцах ультрамелкозернистого титана, вырезанных перпендикулярно направлению оси равноканального углового прессования, а также в обоих типах образцов после холодной деформации мезополосы развиваются в двух направлениях, образуя в пределах рабочей части образца сетку из полос, расположенных под углами -120° друг к другу и под углами, близкими к 60° к оси нагружения. При достижении предела прочности на поверхности обоих типов в пределах рабочей части последовательно друг за другом формируются две макрополосы локализованной деформации шириной ~0.5 мм. Полосы располагаются под углом ~ 120° друг к другу и под углом, близким к 60° к оси растяжения. Появление макрополос локализованной деформации на кривой «напряжение - деформация» соответствует началу стадии падающего напряжения, а на кривой ползучести — началу стадии ускоренной ползучести. Детально формирование таких полос описано в работе [12, 13]. Разрушение образцов ультрамелкозернистого титана при растяжении и ползучести происходит сдвигом вдоль одной из макрополос локализованной деформации.

Сопоставление характера развития макрополос локализованной деформации с кривыми «напряжение -деформация» показывает, что пластическая деформация прокаткой ультрамелкозернистого титана приводит к повышению сдвиговой устойчивости на макроуровне при растяжении.

4. Выводы

1. Дополнительная пластическая деформация прокаткой при комнатной температуре ультрамелкозернис-того титана, полученного методом раноканального углового прессования, приводит к уменьшению среднего размера зерен и коэффициента неравноосности их формы и, как следствие, к увеличению пределов текучести и прочности при комнатной температуре. При этом сопротивление ползучести при 573 К уменьшается.

2. Формирование ультрамелкозернистого состояния в титане технической чистоты воздействием интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования в сочетании с последующей

холодной пластической деформацией прокаткой подавляет локализацию деформации на макроуровне, что приводит к увеличению пределов прочности и текучести титана при растяжении при сохранении пластичности.

Авторы выражают благодарность профессору Р.З. Валиеву (Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, г Уфа) за предоставленный материал для исследования. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Президиума РАН (проекты СО РАН № 8.16 и № 18.10), Минобразования и CRDF (грант № Т0-016-02) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-02-16955).

Литература

1. Колобов Ю.Р, Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 213 с.

2. Валиев Р.З., Александров ИВ. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - Москва: Логос, 2000. - 272 с.

3. Корзников А.В., Идрисов С.Р., Носкова Н.И. Структура и термостабильность субмикрокристаллического молибдена // ФММ. -1998.- Т. 85. - № 3. - С. 113-117.

4. Valiev R.Z. Ultrafine-grained materials prepared by severe plastic deformation // Ann. Chim. Sci. Mat. - 1996. - V. 21. - P. 369-378.

5. Grabovetskaya G.P., Kolobov Yu.R., Ivanov K.V., Girsova N.V. Structure and creep behavior of nanostructured materials produced by severe plastic deformation // Physics Met. Met. - 2002. - V. 94. - Suppl. 1. -P. S37-S44.

6. ШаркеевЮ.П., Легостаева Е.В., Кашин О.А. и др. Сравнительное исследование эволюции микроструктуры субмикрокристалличес-кого и крупнокристаллического титана при термомеханической обработке // Физикохимия ультрадисперсных (нано)систем. - М.: МИФИ, 2003. - С. 160-164.

7. Valiev R.Z., Kozlov E.V., Ivanov Yu.F. et al. Deformation behavior of ultrafine-grained copper // Acta Metall. Materialia. - 1994. - V. 42. -P. 2467-2475.

8. Imahashi Y, Wang J., Horita Z. et al. Principle of equal-channel angular

pressing for the processing of ultrafine-grained materials // Scripta Materialia. - 1996. - V. 35. - P. 143-149.

9. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Чернова Л.В., Гирсова Н.В. Струк-

тура и деформационное поведение субмикрокристаллического титана при ползучести // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. -С. 87-94.

10. Zhu Yu., Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P. et al. Microstructures and mechanical properties of ultrafine-grained Ti foil processed by equal-channel angular pressing and cold rolling // J. Mater. Res. -2003. - V. 18. - No. 4. - P. 1011-1016.

11. Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Сагымбаев Е.Е. и др. Структура, механические и электрохимические свойства ультрамелкозернис-того титана // Изв. вузов. Физика. - 2000. - № 1. - С. 77-85.

12. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П. и др. Деформационное поведение и локализация пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в субмикрокристаллическом титане // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 97-104.

13. Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П. и др. Деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозер-нистого титана, полученного методом равноканального углового прессования // Металлы. - 2004. - № 1. - С. 87-95.