Особенности локализации макродеформации субмикрокристаллического титана ВТ1-0

Особенности локализации макродеформации субмикрокристаллического титана ВТ1-0

В.И. Данилов, Л.Б. Зуев, И.О. Болотина1, А.А. Загуменный

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия

Проведено исследование деформационного поведения крупнозернистого и субмикрокристаллического технически чистого титана. Основной особенностью поведения субмикрокристаллического материала является наличие на диаграммах нагружения продолжительного участка предразрушения, где деформирование происходит практически без упрочнения. На этой стадии наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные домены локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места будущего разрушения.

Features of plastic macrodeformation localization in ultrafine-grained commercial titanium

VI. Danilov, L.B. Zuev, I.O. Bolotina1, and A.A. Zagumennyi

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia

The strain-induced behavior of coarse- and ultrafine-grained commercial titanium is investigated. The loading diagrams obtained for tested specimens show an extended prefracture stage at which the material undergoes almost no work hardening. The strain-induced behavior of the material at the latter stage has a distinctive feature, i.e. localized plasticity zones with different amount of strain appear in the material. The localized plasticity zone with the maximum strain amplitude is immobile and its location points to the site of future fracture. All the rest localized plasticity zones move with different velocities: the farther away a zone is from the future fracture site, the higher is its propagation velocity.

1. Введение

Металлы и сплавы с нано- и субмикрокристалличес-кой структурой находят все большее практическое применение в качестве конструкционных материалов. В этой связи особенности деформационного поведения этих материалов приобретают первостепенное значение, как в плане изготовления деталей из них, так и поведения изделий под нагрузкой в процессе эксплуатации. В настоящее время одними из наиболее перспективных для практического использования в субмикро-кристаллическом состоянии считаются титан и его сплавы. Обширное исследование деформации титана с суб-

микрокристаллической структурой было проведено в работах [1-3]. Авторы установили, что такой материал при комнатной температуре имеет высокую склонность к локализации деформации в виде мезо- и макрополос.

С другой стороны, ранее установлено [4], что могут наблюдаться различные типы локализации пластической деформации на макроуровне. Существуют четыре основных типа распределений макродеформации, которые контролируются стадийностью диаграмм нагружения и на качественном уровне независимы от химической природы, кристаллической решетки и зеренной структуры объекта. Выяснение, насколько применима

© Данилов В.И., Зуев Л.Б., Болотина И.О., Загуменный А.А., 2006

концепция [4] к материалам с субмикрокристалличес-кой структурой, является основной задачей настоящей работы.

2. Микроструктура и деформационные кривые исследуемого материала

В качестве объекта исследований был использован технически чистый титан ВТ 1-0. Следует подчеркнуть, что в отличие от [1] субмикрокристаллическая структура была создана не равноканальным угловым прессованием, а многократным одноосным прессованием со сменой оси, глубокой прокаткой полученных заготовок и дорекристаллизационным отжигом. Исследованные образцы имели стабильную ультрамелкозернистую структуру со средним размером элементов 100 нм. Такая структура обеспечивает высокие прочностные характеристики материала: а 02 = 1010 МПа, а в = 1110 МПа при сохранении удовлетворительной пластичности 8 > >6 %. Она термоустойчива до 300 °С. Для сравнения было также проведено исследование деформационного поведения ВТ1-0 в состоянии заводской поставки, когда его микроструктура характеризуется равноосными зернами с поперечником ~ 10...15 мкм. Установлено, что прочность субмикрокристаллического титана почти в три раза выше, чем у крупнозернистого ВТ1-0 (а 02 = = 270 МПа, а в = 400 МПа) и соответствует уровню высокопрочного титанового сплава ВТ6, у которого а в = = 1200 МПа. Это важно при изготовлении медицинских имплантатов, где помимо высокой конструктивной прочности должна обеспечиваться биосовместимость с живым организмом, то есть легирование нежелательно

[5].

Испытания на активное растяжение при комнатной температуре со скоростью 4 • 10-5 с-1 проводились на образцах, размер рабочей части которых составлял 40x6x0.5 мм3. На рис. 1 представлены кривые нагружения ультрамелкозернистого и крупнозернистого образцов как в условных (1, 3), так и в истинных (2, 4) координатах. Различие между субмикрокристалличес-ким и исходным состояниями проявляется не только в том, что диаграммы 1, 2 проходят намного выше, чем кривые 3, 4, и что пластичность субмикрокристалличес-кого образца меньше (на рис. 1 показаны начальные участки диаграмм растяжения крупнозернистого титана, а фактическое разрушение произошло при 8 = 0.25). Важным также представляется, что в субмикрокристал-лическом материале после достижения максимального условного напряжения ав спад последнего происходит очень медленно, так что накапливается общая деформация, которая в полтора раза больше деформации на восходящей части кривой.

Анализ стадийности деформационных кривых крупнозернистого и субмикрокристаллического титана был проведен методом логарифмирования, а не дифферен-

цирования, как это сделано в [1]. Использовалось известное представление истинной диаграммы деформации материала параболической зависимостью [6]:

я = я0 + Кеп,

где ^ — истинное напряжение; е — истинная (логарифмическая) деформация; я0 — критическое напряжение начала пластического течения; К — величина, по размерности совпадающая с коэффициентом деформационного упрочнения; п — показатель деформационного упрочнения. В этом случае стадиями диаграммы нагружения будут участки с постоянными значениями К и п. Так, участок, где п = 1, является стадией линейного упрочнения. Вслед за линейной стадией Тейлором предсказана стадия с п —1/2. Позднее [7] было показано, что могут наблюдаться стадии с п < 1/2. В настоящей работе они трактуются как стадии предразрушения. Экспериментально стадии кривых нагружения выявляют путем перестройки истинной диаграммы в координаты 1п(я - я0) -1пе. Тогда стадии деформации (участки с постоянными К и п) на графиках прямолинейны, а наклон этих участков определяется значением п. Следует подчеркнуть, что анализ стадийности имеет смысл только до тех пор, пока истинные напряжения ^ в предположении гомогенного сужения образца возрастают. Начало их уменьшения соответствует макроскопической потере устойчивости деформирования.

Анализ диаграммы деформации крупнозернистого титана показал, что восходящая ветвь кривой состоит из переходной стадии, короткой стадии линейного упрочнения в интервале 0.008 < е < 0.014, тейлоровской стадии с показателем деформационного упрочнения п — 0.6 в интервале 0.019 < е < 0.04, а также стадии с п — 0.4 в интервале 0.072 < е < 0.15.

У кривой нагружения субмикрокристаллического титана стадия линейного упрочнения вообще отсутствует. Тейлоровская стадия с п —1/2 охватывает значительную часть восходящей ветви (0.01 < е < 0.024), а

Рис. 1. Диаграммы нагружения титана с субмикрокристаллической (1, 2) и крупнозернистой (3, 4) структурой

затем следует участок, где упрочнение практически отсутствует (n = 0.0б; 0.025 < e < 0.04). В условных напряжениях и деформациях этот участок находится на ниспадающей ветви диаграммы. Следует заметить, что такая стадия с аномально низким коэффициентом упрочнения наблюдалась авторами [1, 2] лишь при высокотемпературных испытаниях субмикрокристалли-ческого титана.

З. Анализ картин локализованной пластичности в крупнозернистом и субмикрокристаллическом титане

Для регистрации распределений локальных деформаций был использован метод двухэкспозиционной спекл-фотографии, подробно описанный нами в [8]. Информация о деформационном поведении материала, полученная указанным методом, представляется в виде распределений локальных удлинений є. Эти распределения и для крупнозернистого, и для субмикрокрис-таллического титана представляют собой совокупности периодически расположенных очагов локализованной деформации. Различие состоит лишь в величине пространственного периода, у субмикрокристаллического материала он больше. Однако авторы [1-3] не отмечали периодичности в распределении макроочагов локализованной деформации, но подчеркивали, что у образцов с субмикрокристаллической структурой, полученной равноканальным угловым прессованием и многократной прокаткой, формируется не одна, а несколько макрополос локализованной деформации. Возможно, что это связано с малыми размерами использованных ими образцов, так как в [4] есть указание на минимальную длину ^ 20 мм, ниже которой пространственно-периодическое распределение локальных удлинений невозможно.

На рис. 2-4 представлены зависимости координат очагов от времени деформирования. Видно, что на тейлоровской стадии как в крупнозернистом (рис. 2), так и в субмикрокристаллическом титане (рис. 4) очаги локализации неподвижны, что полностью соответствует результатам [4].

На стадиях предразрушения как крупнозернистого, так и субмикрокристаллического титана тип локализации кардинально меняется (рис. 3, 4). Приходят в движение все зоны локализации за исключением одной. В крупнозернистом титане такая зона имеет координату Xf = 7.5 мм, а в субмикрокристаллическом титане Xf = = 38.5 мм. Кинетику движения очагов деформации на стадиях предразрушения обоих материалов можно описать системой уравнений:

где (X0) і — координата любого очага локализации деформации к моменту начала стадии с n < 0.5; Vt — скорость этого очага локализации; tf — время от начала

Рис. 2. Пространственно-временная картина макролокализации деформации на тейлоровской стадии диаграммы нагружения крупнозернистого титана

Рис. 3. Кинетика очагов локализованной пластической деформации на стадии предразрушения в крупнозернистом титане

Рис. 4. Кинетика очагов локализованной пластической деформации при растяжении субмикрокристаллического титана

деформирования до разрушения; ґ0 — время от начала деформирования до наступления стадий с п < 0.5. Константа в этих уравнениях — это координата неподвижной

зоны локализации X{. В [9] отмечалось, что разрушение образцов происходит в области такого неподвижного очага. Эта же закономерность выполняется для обоих материалов и в настоящей работе.

Зависимость (2), определяющая скорость доменов локализованной пластичности, позволяет определить время и место будущего разрушения. Действительно, для любых двух подвижных очагов справедливо соотношение:

(X0)i - (X0) j = (Vj - Vi )(tf -10).

Очевидные преобразования (3) дают возможность получить:

tf = t0 +^.

f 0 ДУу w

Здесь iSXj — расстояние между двумя произвольно взятыми очагами локализации в момент начала стадии предразрушения; ДУ- — разность скоростей их движения. Зная tf и воспользовавшись (2), можно рассчитать координату места разрушения образца, даже если положение неподвижной зоны локализации заранее неизвестно.

Обнаруженное в данной работе качественное подобие деформационного поведения ультрамелкозернис-того и крупнозернистого титана, на наш взгляд, не противоречит общепринятому положению о сильной склонности субмикрокристаллических материалов к локализации пластического течение. Подобие наблюдается лишь в пределах соответствующих стадий деформации. Как утверждают авторы [1], в титане с субмикрокрис-таллической структурой на стадии с малым линейным упрочнением превалирует одна мезополоса локализованной деформации, которая затем трансформируется в разрушающую макрополосу. Это происходит уже после достижения максимальной нагрузки (максимального условного напряжения ав). В нашей работе устойчивый неподвижный очаг локализации тоже выявляется на этой стадии (n = 0.0б = 0, 0 > 0). В крупнозернистом титане такой неподвижный очаг локализованной деформации обнаруживается за долго до ав, а после достижения максимальной нагрузки формируется уже визуально наблюдаемая шейка. Здесь важно, что в крупнозернистом материале основной прирост деформации происходит до ав, а в материалах с субмикрокристал-лической структурой вклады тейлоровской стадии и стадии предразрушения соизмеримы. Например, в субмикрокристаллическом алюминии [9] деформация, накопленная на стадии предразрушения, оказалась даже в два раза больше.

4. Заключение

Отмеченные закономерности деформационного поведения крупнозернистого и субмикрокристалличес-

кого титана одинаковы на качественном уровне. Однако у субмикрокристаллического титана кинетика очагов локализованной пластической деформации, соответствующая стадии предразрушения, наблюдается только после достижения максимального условного напряжения ав. Это означает, что и локальная и глобальная потеря устойчивости пластического течения происходят одновременно. В крупнозернистом материале зона будущего разрушения обнаруживается еще до начала формирования макроскопической шейки, т.е. локальная потеря устойчивости происходит сравнительно рано, хотя на глобальном уровне материал продолжает деформироваться квазиоднородно.

При высоком пределе текучести в субмикрокристаллическом титане различие между пределом текучести и временным сопротивлением разрушению составляет всего 10 %. Это благоприятное соотношение для конструкционных материалов, которые эксплуатируются в условиях чисто упругого нагружения при постоянных температурах, то есть для медицинских имплантатов.

Авторы выражают благодарность д.ф.-м.н. Шар-кееву Ю.П. и Ерошенко А.Ю. за предоставление аттестованных образцов субмикрокристаллического титана. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант М 05-08-18248a) и гранта Президента РФ М МК-522З.200б.8.

Литература

1. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Чернова Л.В. Деформационное поведение и локализация пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в субмикрокристаллическом титане // Физ. мезомех. - 2001. -Т. 4.- № 1. - С. 97-104.

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

3. Бакач Г.П., Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р. и др. Локализация пласти-

ческой деформации на макромасштабном уровне в субмикрокрис-таллических металлах и сплавах // Физ. мезомех. - 2004. - Т.7.-Спец. выпуск. - Ч. 1. - С. 135-137.

4. Зуев Л.Б., ДаниловВ.И., Семухин Б.С. Пространственно-временное

упорядочение при пластической деформации твердых тел // Успехи физики металлов. - 2002. - Т. 3. - № 3. - С. 237-304.

5. Биосовместимость / Под ред. В.И. Севастьянова. - М.: Наука, 1999. - 368 с.

6. Macherauch E. Plastische Deformation von Polykristallen // Z. Metall-

kunde. - 1964. - V. 55. - No. 2. - S. 60-72.

7. Kulmann-Wilsdorf D. Unified Theory of Stage II and III of Work Hardening // Work Hardening: Proceedings of Metallurgical Society Conference, Chicago, November 1966. - New York: Science Publisher, 1966. - V. 46. - P. 104-112.

8. Zuev L.B., Danilov VI. A self-extited wave model of plastic deformation

in solids // Phil. Mag. - 1999. - V. 79. - No. 1. - P. 43-57.

9. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Кинетика макродоменов локализованной пластичности на стадии предразрушения металлов // ЖТФ. -2005. - Т. 75. - № 12. - С. 102-105.