Влияние продолжительности отжига на акустическую эмиссию титана

УДК539.620.179.17

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОТЖИГА НА АКУСТИЧЕСКУЮ ЭМИССИЮ ТИТАНА

П.И. Стоев, профессор, ведущий научный сотрудник, И.И.Папиров, профессор, начальник лаборатории. Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт».

Аннотация. Изучены особенности акустической эмиссии при деформировании тек-стурированных образцов титана ВТ1-0, вырезанных в различных направлениях относительно оси прокатки листа, в исходном и отожженном при 7800С состояниях. Установлено, что увеличение продолжительности отжига приводит к уменьшению различий параметров акустической эмиссии у образцов с различной ориентацией и к сближению механизмов, обеспечивающих пластическую деформацию материала.

Ключевые слова: термическая обработка, формации

Введение

Титан является одним из важнейших конструкционных материалов, который широко применяется в современной технике [1].

Анализ публикаций

В конструкциях титан и его сплавы чаще всего используются в отожженном состоянии. Отжиг титана используется для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия различных механических обработок, а также для перестройки деформированной и формирования оптимальной структуры материала [2]. Для более полного изучения влияния термической обработки на комплекс физико-механических свойств материала, наряду со стандартными методами исследования, целесообразно использовать метод акустической эмиссии (АЭ), который в последнее время широко применяется для изучения процессов пластической деформации и разрушения металлов [3,4].

Цель и постановка задачи

Целью данной работе является изучение влияния продолжительности термообработки на параметры акустической эмиссии титана.

Результаты и обсуждение

В работе использованы образцы титана, которые вырезали механическим способом из листового технического титана ВТ1 - 0 толщиной 1 мм под углом 0 (образец ОВП) , 45 (О45П) и 900 (ОПП) относительно оси прокатки. Длина рабочей части и сечение исходных образцов составляли 20 мм и 4 мм2, соответственно. Образцы изучали в исход-

акустическая эмиссия, механизмы де-

ном состоянии (заводской прокатанный лист) и после отжига в течение 5-120 минут при температуре 780ОС. Для регистрации сигналов АЭ использовали многоканальный акустический комплекс М400, позволяющий регистрировать импульсы АЭ различной амплитуды. Пьезопреоб-разователь из керамики ЦТС-19 (резонансная частота 180 кГц) крепили к поверхности образца специальным держателем.

Механические испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине 1958-У10-1 по стандартной методике со скоростью 2 10-4 с-1 при комнатной температуре. Параметры АЭ регистрировали синхронно с параметрами деформирования. Сбор, обработку и анализ экспериментальных результатов проводили с помощью ЭВМ.

Из анализа особенностей кривых растяжения, активности АЭ, суммарного количества зарегистрированных импульсов, средней амплитуды и амплитудного распределения для образцов титана различной ориентации в исходном состоянии следует:

- в спектре регистрируемых сигналов АЭ преобладают импульсы низкой амплитуды и в течение всего процесса деформирования Аср имеет невысокие значения. Это позволяет предположить, что АЭ в процессе деформации генерируется низкоамплитудными дислокационными источниками и основным механизмом деформирования образцов листового титана (в исходном состоянии) с различной ориентацией относительно оси прокатки является дислокационное скольжение;

- различия в кривых деформации и зависимостях акустических параметров от направления вырезки образцов вызваны, вероятно, различным

количеством благоприятно ориентированных для скольжения зерен, которое определяются ориен-тационными параметрами сформированной текстуры в материале;

- особенности формирования текстуры при прокатке титана и более низкие критические напряжения скольжения по плоскости призмы, позволяют предположить, что деформация у нетермо-обработанных образцов всех ориентаций реализуется за счет призматического скольжения.

образцы титана показывают большее удлинение. Заметное влияние продолжительность отжига оказывает на параметры АЭ (зависимости Й(Д1) и Аср(Д1): наблюдается рост активности АЭ на всех этапах деформирования (при этом вид кривой Й(Д1) практически не изменяется) и средней амплитуды сигналов АЭ (рис. 1 в). У отожженных ОПП и ОВП образцов титана значительная активность наблюдается при напряжениях ниже предела текучести. В области предела

Перемещение, мм

б

О 2 4 6 8 10 12 14 Перемещение, мм

* 30

в

0 2 4 6 8 ю 12 14 Перемещение, мм

Рис.1. Кривая деформации (а), зависимость активности АЭ (б) и общей суммы импульсов АЭ (в) от перемещения захватов для отожженного титана при 780°С в течение 10 мин: ОПП - кривая 1; О45П - 2; ОВП -3.

Перемещение, мм Перемещение, мм Перемещение, мм

Рис.2. Кривая деформации (а), зависимость активности АЭ (б) и общей суммы импульсов АЭ (в) от деформации для образцов ОВП титана отожженных при 780°С в течение: 5 мин - кривая 1; 10 мин - 2; 30 мин - 3; 120 мин - 4.

На рис. 1 приведены характерная кривая деформации и зависимость акустических параметров для отожженных образцов титана при растяжении. На рис. 2. приведены кривые деформации (график а), зависимости активности АЭ (б) и зависимости Аср (в) от перемещения захватов для образцов ОВП при различных временах отжига Из рис. 1 и 2 видно, что увеличение продолжительности отжига приводит к снижению пределов прочности и пластичности у образцов титана всех ориентаций и повышению однородности деформации образцов ОВП и О45П. То есть, с увеличением времени отжига постепенно уменьшаются напряжения, при которых начинается и проходит пластическая деформация. Это вызвано тем, что отжиг при 7800С приводит к снятию деформационного упрочнения и к снижению внутренних напряжений.

Анализ хода кривых деформации показал, что по мере увеличения времени отжига прослеживается тенденция повышения однородности деформации (параллельность кривой относительно оси Х) образцов ОВП и О45П (этот процесс сильнее проявляется у образцов ОВП) и все отожженные

текучести на кривых активности АЭ этих образцов наблюдается максимум, при более высоких деформациях происходит снижение, а затем вплоть до разрушения образца идет увеличение активности АЭ. В области предела текучести активность АЭ остается постоянной, и далее, по мере увеличение нагрузки, растет вплоть до разрушения. У О45П активность АЭ в области напряжений ниже предела текучести не очень высокая, но после прохождения предела текучести, рост активности АЭ у этого образца проходит сильнее, чем у ОПП и ОВП. При напряжениях, близких к разрушающим, величины активностей АЭ у всех отожженных образцов с различной ориентировкой становятся сравнимыми. Хорошо прослеживается тенденция сближения хода кривых зависимости активности АЭ образцов ОПП и ОВП (кривые 1,3, рис 1,2 б). Устойчиво сохраняет свои особенности зависимость активности АЭ образцов О45П: низкие значения активности АЭ на начальной стадии деформирования и более высокая скорость нарастания активности АЭ в процессе дальнейшего нагружения (кривая 2).

Рост средней амплитуды импульса АЭ после отжигов вызван увеличением доли высокоамплитудной составляющей в спектре регистрируемых сигналов. Мы полагаем, что это является следствием роста размера зерна от 20 до 120 мкм и снятием внутренних напряжений. Известно, что эти факторы у титана активизируют работу механизма двойникования и увеличивают частоту скольжения по плоскости базиса. На рис.3 представлены зависимости активности АЭ для низко- и высокоамплитудных сигналов

500

о 400

^ 300

СО

<

1- 200

о

о

л

ш ^ 100

£

<

а

2 4 6

Перемещение, мм

10

для отожженных при разных режимах образцов титана. Анализ данных изменения активности АЭ сигналов различной амплитуды в процессе растяжения показал, что в результате увеличения продолжительности отжига, вклад в общую деформацию низкоамплитудных дислокационных источников уменьшается и основную роль начинают играть высокоамплитудные источники, вероятнее всего двойники.

Рис.3. Зависимость активности низкоамплитудных (а) и высокоамплитудных (б) сигналов АЭ от деформации для образцов титана отожженых: 5 мин - кривая 1; 10 мин - 2; 30 мин -3; 120 мин -4.

Используемый в данной работе отжиг при температуре 7800С приводит к заметным изменениям в механизме деформации титана при его растяжении. Так, уже после отжига в течение 5 мин еще различимы дислокационные низкоамплитудные источники, но основную роль начинают играть источники высокоамплитудные, вероятнее всего это двойники. С увеличением продолжительности отжига доля высокоамплитудных источников возрастает.

Однако следует отметить, что хотя проведенные термообработки и приводят к существенному уменьшению различий акустических параметров у образцов с различной ориентацией и к сближению механизмов, обеспечивающих деформацию, анизотропия механических свойств у листов титана сохраняется и после отжига.

Выводы

1. Изучено влияние продолжительности отжига при температуре 7800С на особенности параметров акустической эмиссии (активность, средняя амплитуда, амплитудное распределение) при пластической деформации текстурированного титана ВТ1-0, для образцов вырезанных в различных направлениях относительно оси прокатки листа.

2. Увеличение продолжительности отжига приводит к снижению пределов прочности и пластичности образцов титана всех ориентаций и повышению степени однородности деформации образцов ОВП и О45П.

3. Отжиг приводит к заметному росту активности АЭ, общего количества импульсов, средней амплитуды и к существенному изменению характера кривых Й(Л1), К(Л1) и Аср(Л!) в процессе де-

формирования по сравнению с исходным состоянием материала.

4. Установлено, что непродолжительный отжиг (5-10 мин) образцов титана при температуре 7800С приводят к изменению механизмов деформации. Вклад в общую деформацию низкоамплитудных дислокационных источников, в результате отжига уменьшается, и основную роль начинают играть высокоамплитудные источники, вероятнее всего двойники.

5. Показано, что увеличение продолжительности термообработки образцов титана с различной ориентацией приводит к сближению механизмов, обеспечивающих пластическую деформацию, но при этом анизотропия механических свойств у листов титана не исчезает из-за сохранения текстуры.

Литература

1. Ч. Цвиккер. Титан и его сплавы - М: Металлур-

гия, 1979.- 505 с.

2. Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, А.А.Буханова. Ме-

ханические свойства титана и его сплавов .М: Металлургия, 1979.- 543 с.

3. В.А.Стрижало, Ю.В.Добровольский, В.А.Стре-

льченко. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкций.-Киев: «Наукова думка»,1990- 232 с.

4. В.А.Грешников, Ю.Б.Дробот. Акустическая эмиссия.-М.: Изд-во стандартов,1976.-272 с.

Рецензент: В.А.Финкель, профессор, д ф-м. н., ННЦ ХФТИ

Статья поступила в редакцию 2006 г.