Деформационное поведение и разрушение при циклическом нагружении титановых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию

Деформационное поведение и разрушение при циклическом нагружении титановых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию

O.A. Кашин, Е.Ф. Дударев1, Ю.Р. Колобов, H.B. Тирсова, М.Б. Иванов

Институт физики прочности и материаловедения СО PAH, ^мск, 634021, Россия 1 Сибирский физико-технический институт при Try, Ъэмск, 634050, Россия

Исследованы закономерности накопления остаточной деформации и эволюции микроструктуры при усталостном нагружении титана технической чистоты BT1-0 и сплава BT6 в состояниях поставки и после воздействия интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования. Показано, что изменение микроструктуры в результате равноканального углового прессования приводит к замедлению скорости накопления остаточной деформации при циклическом нагружении и к повышению предела выносливости. Ш основании экспериментальных данных сделаны выводы о возможных механизмах повышения усталостных характеристик титановых сплавов, полученных интенсивной пластической деформацией.

Deformation behavior and fracture in cyclic loading of Ti alloys subjected to equal-channel angular pressing

O.A. Kashin, E.F. Dudarev, Yu.R. Kolobov, N.V. Girsova, and M.B. Ivanov

Regularities of residual deformation accumulation and microstructure evolution are investigated at fatigue loading of commercial pure titanium VT1-0 and alloy VT6 in the initial state and after severe plastic deformation by equal-channel angular pressing. Microstructure changes due to equal-channel angular pressing reduce accumulation rate of residual deformation at cyclic loading and increase fatigue limit. On the basis of experimental data conclusions about possible mechanisms of increasing fatigue characteristics of titanium alloys obtained by severe plastic deformation are made.

1. Введение

Широкое применение титана и его сплавов в авиации

и космонавтике, химическом машиностроении, меди-

цине обуславливает актуальность исследований, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик

этих материалов. Одним из эффективных методов повышения механических свойств металлических материалов является создание в них ультрамелкозернистой структуры воздействием интенсивной пластической де-

формации [1, 2]. В ультрамелкозернистых материалах развитие деформационных процессов при различных видах нагружения может быть отличным от такового для традиционных материалов. В связи с этим в настоящей работе были проведены сравнительные исследования закономерностей накопления микродеформациии и эволюции микроструктуры при усталостном нагружении титана технической чистоты ВТ1-0 и сплава ВТ6 в состояниях заводской поставки и после равноканального углового прессования (РКУП).

2. Методы исследований

Измерение усталостных характеристик выполняли при знакопостоянном изгибе плоских образцов на установке, конструкция которой позволяет следить за накоплением остаточной деформации в зависимости от числа циклов [3]. Частота циклирования составляла 2.8 с-1. Исследования микроструктуры проводили на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-126К.

3. Экспериментальные результаты

Результаты определения ограниченного предела выносливости на базе 106 циклов приведены в таблице 1. Видно, что предел выносливости значительно выше для материалов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию.

Равноканальное угловое прессование для обоих исследованных материалов приводит к замедлению скорости накопления остаточной деформации как при ква-

© Кашин O.A., Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р., Гирсова H.B., Иванов М.Б., 2004

Таблица 1

Материал Ограниченный предел выносливости, МПа

ВТ1-0 исходный 350

ВТ1-0 РКУП 520

ВТ6 исходный 570

ВТ6РКУП 670

зистатическом, (рис.1). так и при циклическом нагружении

При квазистатическом нагружении (рис. 1, а) накопление остаточной деформации для всех исследованных материалов происходит в две стадии — линейную и параболическую. В соответствии с известными представлениями [4] линейная стадия соответствует пластической деформации отдельных, не контактирующих между собой зерен, а соседние зерна осуществляют упругую аккомодацию. Начало параболической стадии связано с кооперативной пластической деформацией зерен. При циклическом нагружении (рис. 1, б) также можно выделить, по крайней мере, две стадии. Установлено, что последняя стадия — с максимальной скоростью накопления остаточной деформации — связана с образованием и быстрым распространением магистральной трещины.

В состоянии заводской поставки микроструктура титана ВТ1-0 характеризуется равноосными зернами размером 5-7 мкм с невысокой скалярной плотностью дислокаций (р = 109 см-2). После равноканального углового прессования в титане ВТ1-0 формируется зеренно-суб-зеренная структура (рис. 2, а), в которой количество большеугловых границ превышает 50 %. Размер элементов зеренно-субзеренной структуры составляет (0.35 ±

0.15) мкм. Она характеризуется неравновесными границами, наличием значительных остаточных дально-действующих напряжений, высокой плотностью дислокаций внутри зерен (р = 2 • 1010 см-2).

После усталостного разрушения в областях, примыкающих к излому, по всей толщине образца увеличи-

1-ВТ1-0исх. а

2-ВТ1-0РКУП '—'

вается плотность дислокаций примерно в 2.5 раза (рис. 2, б). Наблюдается измельчение зеренно-субзерен-ной структуры, увеличиваются разориентировки малоугловых границ и фрагментов, предположительно имеются двойники, а также структуры, связанные с ротационными модами деформации. Снижается уровень остаточных напряжений. Вблизи поверхности разрушения иногда наблюдали мезополосы локализованной пластической деформации шириной около 0.5 мкм, которые проходят без изменения направления через большое количество зерен под углом примерно 45° к поверхности разрушения. Вдали от излома в центральной части образца микроструктура практически не отличается от исходной.

Микроструктура сплава ВТ6 в состоянии заводской поставки представлена на рис. 3, а. Видно, что зерна равноосные, средний размер зерен а-фазы составляет около 2 мкм. При этом минимальный размер зерен составляет ~0.5 мкм, а максимальный достигает 10 мкм. Более крупные зерна фрагментированы. Внутри зерен а-фазы наблюдается сетчатая дислокационная субструктура со средней скалярной плотностью дислокаций р=2 • 1010 см-2. Во многих зернах присутствуют контуры экстинкции, что свидетельствует о наличии остаточных напряжений. По границам зерен а-фазы присутствуют прослойки Р-фазы. В результате усталостного нагружения образцов сплава ВТ6 в состоянии заводской поставки после 106 циклов при напряжениях, близких к пределу выносливости, но не превышающих его, практически во всех зернах а-Т образовалась мар-тенситная структура (рис. 3, б). Поперечный размер мар-тенситных пластин составляет 20-200 нм. Размер зерен практически не изменился по сравнению с исходным состоянием. Аналогичная микроструктура наблюдается и в разрушенных образцах вдали от места прохождения магистральной трещины. Вблизи излома преимущественно присутствуют зерна а-Т^ в которых мартенситная структура отсутствует. В них наблюдается сетчатая фрагментированная дислокационная субструктура (рис. 3, в).

Рис. 1. Закономерности накопления микропластической деформации при квазистатическом (а) и циклическом (б) нагружении

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения титана ВТ1-0, подвергнутого равноканальному угловому прессованию до (а) и после (б) циклических испытаний

В результате равноканального углового прессования размер и морфология фаз существенно изменяются по сравнению с исходной структурой (рис. 4, а). В 80 % зерен а-фазы образуется мартенсит. Эти зерна становятся вытянутыми в направлении вдоль оси прессования, их поперечный размер составляет =2.5 ±1.5 мкм, продольный — 10 мкм и более. Поперечный размер

пластин мартенсита изменяется от 10 до 100 нм. Наличие мартенсита обеспечивает измельчение микроструктуры материала. Около 10 % зерен а-Т1 не содержат мартенсит, в них наблюдается сетчатая дислокационная субструктура. Рефлексы а-фазы имеют азимутальные размытия, что свидетельствует о наличии остаточных напряжений. Выделения |3-Т1 имеют вытянутую форму

% *•

V

1 мкм

ІДмм.1

т

§РР^ лйЗ ШЯШ

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры образца сплава ВТ6: в состоянии заводской поставки до испытаний

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры образца сплава ВТ6 после равноканального углового прессования: до испытаний

и расположены вдоль границ зерен. Средний поперечный размер выделений Р-Т составляет =0.5 мкм, продольный — до 5 мкм.

После усталостного разрушения образцов сплава ВТ6, подвергнутых равноканальному угловому прессованию, вдали от излома микроструктура мало отличается от микроструктуры сплава до испытаний. Вблизи излома наблюдается фрагментированная микроструктура с размером фрагментов 0.5-1 мкм. Разориентировки между фрагментами достигают большеугловых, что особенно отчетливо видно на темнопольных изображениях (рис. 4, б). Большинство фрагментов содержит мартенсит. Размер мартенситных пластин остается прежним. В крупных мартенситных пластинах наблюдаются микродвойники (рис. 4, в). По границам зерен, предположительно, образуются поры (рис. 4, в).

4. Обсуждение

На основании полученных результатов можно сделать заключение о развитии деформационных процессов при циклическом нагружении в титане ВТ1-0 и сплаве ВТ6. На начальных стадиях циклирования в титане ВТ1-0 на фоне сформированной в процессе равноканального углового прессования зеренно-субзеренной структуры идет микропластическая деформация путем зарождения и движения свежих дислокаций. На это указывает увеличение плотности дислокаций, формирование новых фрагментов и увеличение разориентировок между структурными элементами. По-видимому, поскольку равноканальное угловое прессование выполняется при температурах 620-670 К, то при последующем охлаждении имеющиеся в материале дислокации становятся заблокированными. Наличие ультрамелко-зернистой структуры снижает эффективность возникающих в процессе деформации концентраторов напряжений, что обеспечивает их релаксацию за счет дислокаций. Когда в материале на определенном этапе возникают дефекты с линейными размерами, превышающими размер элементов субмикрокристаллической структуры, например полосы локализации, то релаксация концентраторов напряжений происходит за счет образования трещины. По-видимому, сильная анизотропия свойств в ГПУ-структуре титана приводит к тому, что уже первая зародившаяся трещина становится магистральной. Возникающие в голове трещины напряжения определяют более интенсивное развитие пластической деформации и образование вторичных трещин вдоль траектории ее распространения.

В сплаве ВТ6 в состоянии заводской поставки в процессе усталостного нагружения происходит образование мартенсита деформации. Наличие свободных от

мартенситной структуры зерен а-фазы вблизи зоны разрушения, по-видимому, свидетельствует о том, что при распространении магистральной трещины происходит релаксация напряжений. В сплаве ВТ6, подвергнутом равноканальному угловому прессованию, измельчение микроструктуры обеспечивается формированием мар-тенситной фазы, причем средний размер мартенситных пластин примерно в два раза меньше по сравнению с мартенситом, образующимся в исходном сплаве при усталостном нагружении. Более дисперсная структура уменьшает эффективность возникающих в процессе деформации концентраторов напряжений, повышая тем самым усталостную прочность материала.

5. Выводы

1. Интенсивная пластическая деформация методом равноканального углового прессования титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 приводит к повышению размерной стабильности материала при квазистатическом и циклическом нагружении. При этом предел выносливости повышается по сравнению с крупнозернистыми материалами для титана ВТ1-0 почти на 50 %, для сплава ВТ 6 — примерно на 20 %.

2. При знакопостоянном циклическом изгибе плоских образцов титана ВТ1-0 и сплава ВТ6, подвергнутых равноканальному угловому прессованию, формированию магистральной трещины предшествует микроплас-тическая деформация, обусловленная эволюцией дислокационной субструктуры.

3. В сплаве ВТ6 развитие деформационных процессов при циклическом нагружении сопровождается образованием мартенситной фазы, структура и закономерности формирования которой во многом определяют усталостные свойства материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ИНТАС № 01-320, гранта МНТЦ № 2398, Интеграционного проекта РАН № 8.13, проекта Минобразования НИР 202.04.02.031.

Литература

1. ВалиевР.З., АлександровИ.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос,

2000. - 272 с.

2. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов / Под ред. Ю.Р. Колобова и Р.З. Валиева. - Новосибирск: Наука,

2001. - 232 с.

3. Дударев Е.Ф., Кашин О.А., Колобов Ю.Р., Почивалова Г.П., Иванов К.В., Валиев Р.З. Микропластическая деформация поликрис-таллического и субмикрокристаллического титана при статическом и циклическом нагружении // Изв. вузов. Физика. - 1998. -№12. - С. 20-25.

4. Дударев Е.Ф. Микропластическая деформация и предел текучести

поликристаллов. - Томск: Изд-во ТГУ, 1988. - 256 с.