Full Text

Явление деформационной метастабильности впервые было описано Е. Шайлем в аустенитных сталях на Fe-Cr-Ni-основе [1]. Позднее в работах многих авторов было показано [2-5], что образование мартенсита напряжения (stress-assisted) и мартенсита деформации (strain-induced) в широкой группе сталей и сплавов различных систем легирования может способствовать проявлению аномальных эффектов механического поведения (релаксации напряжений, эффекты памяти формы (ЭПФ) и прерывистой текучести, аномалии на температурных зависимостях относительного удлинения и статической трещиностойкости) и улучшению ряда физико-механических и служебных свойств (сопротивление изнашиванию и кавитационная стойкость) изделий и конструкций из деформационно-метастабильных материалов. Вызванные холодной пластической деформацией мартенситные превращения в титановых сплавах с двухфазной (α + β)-структурой (ВТ23, ВТ33, ВТ16 и др.) и их влияние на механические характеристики подробно изучены в работах [6-11]. К механическим аномалиям, проявляющимся в метастабильных титановых сплавах, можно отнести снижение условного предела текучести при понижении температуры испытаний, а также ЭПФ, связанный с развитием при нагреве и охлаждении обратимых мартенситных превращений. В общем случае мартенситные превращения при деформации двухфазных титановых сплавов могут иметь несколько последовательных стадий (β→τ→α″→α′), реализация которых зависит от степени пластической деформации и температуры нагрева под закалку. Характеристики сопротивления хрупкому разрушению титановых сплавов и, в частности, сплавов с двухфазной (α + β)-структурой изучены достаточно подробно [12-15], однако данные о влиянии деформационных мартенситных превращений на характеристики сопротивления разрушению этих материалов в литературе отсутствуют. В связи с этим в настоящей работе на примере титанового сплава ВТ23 было изучено влияние стабильности β-фазы по отношению к образованию деформационного α''-мартенсита, регулируемой изменением температуры закалки. Известно [7], что после закалки от температуры 800 ºС и ниже образование α″-мартенсита деформации в сплавах этого типа не происходит, а наблюдается лишь незначительное уширение дифракционных линий механически стабильной β-фазы. Закалка от более высокой температуры (860 ºС) приводит к формированию метастабильной (α + α″+ βост)-структуры, а с ростом степени последующей холодной деформации в сплаве ВТ23 возможно развитие двух типов мартенситных превращений (β→α″ и α″→α). Химический состав изученного сплава ВТ23 соответствовал ОСТ 1-90013-81: 0,4-0,8 Fe, 0,8-1,4 Cr, 1,5-2,5 Mo, 4-5 V, 84-89,3 Ti (мас. %). Заготовки из титанового сплава подвергли отжигу при температуре 750 ºС с последующим охлаждением на воздухе. Затем заготовки нагревались до значений температуры 800 и 860 ºС и закаливались в воду. Металлографические исследования проводились на встроенном в микротвердомер Shumadzu HMV-G21DT оптическом микроскопе после травления в реактиве 20 мл HF + 20 мл HNO3 + 60 мл воды погружением на 15 с. Рентгенофазовый анализ образцов выполнен на дифрактометре ДРОН-3, в медном Kα-излучении, в диапазоне углов 25°-100° с шагом 0,05º при комнатной температуре для определения фазового состава образцов после закалки от значений температуры 800 и 860 ºС. Индицирование рентгенограмм проведено с помощью квадратичных форм по формуле (1) из работы [16] - соотношение между sin2θ(hkl), длиной волны рентгеновского излучения λ, периодами решетки a, b, c и индексами h, k, l: для кубической системы (β-фаза) Погрешность рассчитана по формуле где n - число рефлексов, i - номер линии, Δa = = 0,000 953 нм. Расчет параметров решетки после закалки от 800 ºС для β-фазы проводился по линиям (110), (200), (211). После закалки от температуры 860 ºС - по линиям (220), (310). Для испытаний на растяжение использовали плоские пропорциональные образцы типа III толщиной 5 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84. Испытания на одноосное растяжение проводили при комнатной температуре на сервогидравлической универсальной испытательной машине INSTRON 8801 при скорости перемещения подвижного захвата 1 мм/мин. Испытания на ударный изгиб проводили при 20 ºС на стандартных образцах c V-образным надрезом тип 11 по ГОСТ 9454 с использованием инструментированного копра вертикального удара Instron CEAST 9350, обеспечивающего запись диаграмм ударного нагружения в координатах «нагрузка - перемещение». Разделение общей работы разрушения (А) при ударных испытаниях на составляющие ударной вязкости: работу зарождения (Аз) и работу распространения трещины (Ар) - было выполнено на основе изучения экспериментальных диаграмм ударного нагружения в соответствии с рекомендациями ГОСТ 22848-77. Значения механических характеристик усреднялись по результатам испытаний не менее 3 идентичных образцов. Разброс экспериментальных данных не превышал 5 %. Фрактографический анализ строения изломов ударных образцов проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA II XMU с детектором EDX при ускоряющем напряжении 15 кВ. При проведении исследований использовалось оборудование ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Согласно приведенным дифрактограммам рис. 1, при закалке от 800 ºС в сплаве наряду с α-фазой фиксируется мартенситная α²-фаза. С повышением температуры закалки до 860 ºС интенсивность пиков α-фазы уменьшается, а α²-фаз увеличивается. Рис. 1. Участки дифрактограмм сплава ВТ23 после закалки от значений температуры 800 и 860 °С Согласно анализу участков дифрактограмм сплава ВТ23 (см. рис. 1) и результатов работ [10, 17], изменение фазового состава сплава с повышением температуры закалки соответствует данным, представленным в табл. 1. Таблица 1 Фазовый состав и параметры решетки сплава ВТ23 Температура закалки, ºС Фазовый состав Параметр решетки β-фазы а, нм 800 α + β + (α²) 0,321 860 α + α² + (βм) 0,328 Из приведенных в табл. 1 параметров решетки видно, что период решетки β-фазы а увеличивается с повышением температуры закалки. Известно [17], что в стабильном состоянии β-фаза имеет период решетки 0,321 нм. При закалке от 860 ºС в сплаве фиксируется некоторое количество метастабильной βм-фазы с увеличенным параметром ячейки (а = 0,328, см. табл. 1). Известно, что в твердых растворах замещения период решетки может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от размера растворенного компонента. Радиус атомов ванадия и молибдена, являющихся β-стабилизаторами, составляет 134 и 139 пм соответственно, что меньше радиуса атома титана, равного 147 пм. При повышении температуры закалки в результате активизации диффузионных процессов происходит обеднение β-фазы β-стабилизаторами (Mo, V), в результате чего параметр решетки увеличивается и β-фаза приобретает деформационно-метастабильное состояние. Металлографический анализ закаленных образцов подтвердил, что в структуре исследованного сплава после закалки от 800 ºС присутствует три фазы: мартенситная α², первичные β- и α-фазы. При этом первичная α-фаза находится в виде оставшегося от отожженного состояния участков так называемого корзиночного плетения и участков сетки вокруг первичных β-зерен, α-фаза имеет пластинчатую форму, причем размер пластин различается (рис. 2, а). После закалки от температуры 860 ºС в структуре сплава также присутствуют мартенситная α²-фаза, метастабильная βм-фаза и остаточная первичная α-фаза, однако структура становится практически равномерной, размер β-зерна увеличивается, объемная доля первичной α-фазы уменьшается, а пластины мартенсита становятся крупнее (рис. 2, б). Согласно результатам испытаний на растяжение, приведенным в табл. 2, повышение температуры закалки с 800 до 860 ºС приводит к заметному снижению условного предела текучести с 925 до 795 МПа при некотором увеличении временного сопротивления разрыву с 995 до 1025 МПа. а б Рис. 2. Микроструктура образцов ВТ23 после закалки от 800 (а) и 860 (б) ºС Таблица 2 Механические свойства сплава ВТ23 при комнатной температуре испытаний Температура закалки, ºС σ0,2, МПа σВ, МПа δ, % Ψ, % 800 925 995 13 18 860 795 1025 18 23 Уменьшение сопротивления пластической деформации сплава после закалки от более высокой температуры 860 ºС можно связать с деформационным распадом β-фазы при достижении напряжения, соответствующего началу деформационного мартенситного превращения (триггерного напряжения) [18-20]. Переход к метастабильному состоянию сплава в результате повышения температуры закалки до 860 ºС приводит к увеличению различия между значениями σ0,2 и σВ, что указывает на повышение интенсивности деформационного упрочнения. Повышение температуры закалки способствует также росту относительного удлинения и сужения титанового сплава на 38 %. По данным инструментированных ударных испытаний образцов из сплава ВТ23, представленным на рис. 3 и в табл. 3, повышение температуры закалки от 800 до 860 ºС существенно меняет как вид диаграмм ударного нагружения, так и значения характеристик ударной вязкости. Рис. 3. Диаграммы ударного нагружения закаленного сплава ВТ23 в координатах «нагрузка - перемещение» В метастабильном состоянии после закалки от 860 ºС диаграмма «нагрузка - перемещение» характеризуется плавным снижением величины Р после достижения ее максимума, что указывает на вязкий характер распространения трещины. Напротив, после закалки от 800 ºС нагрузка при ударных испытаниях падает резко в результате хрупкого проскока трещины [21, 22]. Дестабилизация β-фазы по отношению к деформационному мартенситному превращению в результате повышения температуры закалки от 800 до 860 ºС приводит к повышению значений ударной вязкости (KCV) на 16 % и особенно - определяющей запас конструкционной прочности материалов работы распространения трещины (Ар) на 146 %. Таблица 3 Характеристики ударной вязкости сплава ВТ23 Температура закалки, ºС KCV, кДж/м2 Аз, Дж Ар, Дж 800 238 16,3 2,8 860 276 15,3 6,8 Излом ударного образца после закалки от 800 ºС имеет межкристаллитный вид (рис. 4). Разрушение произошло по межфазным границам. При этом трещина развивалась, меняя свою ориентацию от зерна к зерну (см. рис. 4, а). Размер фасеток соответствует размеру β-зерна, выявленного оптической микроскопией. Поверхность фасеток представляет собой неглубокие вязкие ямки (см. рис. 4, б), что свидетельствует о развитии процесса разрушения путем образования и слияния микропор [23]. В изломе образца, закаленного от температуры 800 ºС, присутствуют небольшие участки внутризеренного разрушения (см. рис. 4, а). Очевидно, что в данном случае β-фаза является механически стабильной и при разрушении образца не происходит деформационного мартенситного превращения. а б Рис. 4. Микрофрактограммы сплава ВТ23 после ударных испытаний, закалка 800 ºС Излом образца после закалки от 860 ºС соответствует внутризеренному типу и представляет собой чередование полос вязких с равноосными ямками размером около 5 мкм и бесструктурных площадок. Наблюдаемое строение излома связано с реализацией процесса разрушения образца по границам мартенситных пластин и их пачек вследствие механической нестабильности β-фазы, приобретенной в результате закалки сплава от температуры 860 ºС. Данная фаза при механических испытаниях претерпевает мартенситное βм→α²-преращение, которое сопровождается релаксацией напряжений в вершине развивающейся трещины [24, 25]. а б Рис. 5. Микрофрактограммы сплава ВТ23 после ударных испытаний, закалка 860 ºС На основании проведенных исследований образцов двухфазного (α + β)-титанового сплава ВТ23 установлено, что c повышением температуры закалки от 800 до 860 ºС изменяется интенсивность дифракционных линий исходной α-фазы, увеличивается количество мартенситной α''-фазы, происходит укрупнение β-зерна. При повышении температуры закалки β-фаза не успевает достигнуть стабильного состояния, в результате чего фиксируется метастабильная βм-фаза с увеличенным параметром ячейки а = 0,328 нм, обедненная β-стабилизаторами. При испытаниях на растяжение выявлено, что повышение температуры закалки от 800 до 860 ºС приводит к заметному снижению условного предела текучести с 925 до 795 МПа при некотором увеличении временного сопротивления разрыву с 995 до 1025 МПа. Повышение температуры закалки способствует также росту относительного удлинения и сужения титанового сплава на 38 %. Показано, что дестабилизация β-фазы с повышением температуры закалки вызывает рост значения ударной вязкости (KCV) на 16 %, а также работы по распространению трещины (Ар) на 146 %. Методом электронной фрактографии установлено, что ударные образцы после закалки от температуры 800 ºС разрушаются по межкристаллитному типу. После закалки от 860 ºС в образцах сплава ВТ23 реализуется внутризеренный процесс разрушения мартенситных пластин α²-фазы и их пачек, образующихся в результате развития мартенситного превращения метастабильной βм-фазы в пластической зоне в вершине концентратора напряжений. Проведенные исследования структуры и механических характеристик титанового сплава ВТ23 показали, что перевод β-фазы в деформационно-метастабильное состояние при повышении температуры закалки от 800 до 860° С позволяет повысить важнейшие механические свойства (прочность, пластичность, ударную вязкость, работу распространения трещины), а также способствует смене типа излома при испытаниях на ударный изгиб от межзеренного к внутризеренному, развивающегося по границам пластин и пачек деформационно-индуцированного α²-мартенсита.

About the authors

S. V Gladkovsky

The Institute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS

V. E Veselova

The Institute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS

A. M Patselov

Institute of Metal Physics named after M.N. Miheev of the Ural Branch of RAS

V. A Khotinov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Eltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 71

PDF (Russian) - 65

Refbacks

• There are currently no refbacks.