Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие современной техники предъявляет все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. В связи с этим одной из главных задач материаловедения является повышение эффективности упрочнения материалов путем конструирования их новых композиций и (или) разработки новых методов упрочняющей обработки. В последнем случае весьма перспективными представляются методы перевода материалов в нано-и субмикрокристаллическое (НК и СМК) состояние.
В настоящее время СМК материалы получают в основном методами компактирования частиц или интенсивных пластических деформаций (ИПД), например, использованием сдвига под давлением, равноканального углового прессования (РКУП) или изотермической ковки. Достижение беспористого состояния при получении массивных заготовок компактированием частиц все еще остается одной из основных проблем. По-видимому, в случае ИПД в материалах может быть сформировано СМК состояние с плотностью, соответствующей крупнозернистому состоянию, однако исследования в этом направлении отсутствуют. Несомненно, перспективен данный метод для получения крупногабаритных заготовок. Между тем, при оценке свойств следует учитывать фактор текстуры и неоднородность микроструктуры, в особенности присущие сдвигу под давлением и РКУП.
В результате осуществления ИПД физико-механические свойства СМК материалов существенно отличаются от свойств обычных поликристаллов. Прежде всего, как это показано исследованием ряда металлов и сплавов, имеет место значительный рост прочности и резкое снижение температуры сверхпластичности, характеристик наиболее сильно зависящих от размера зерен. Между тем, при значительном увеличении объемной доли межкристаллитных границ и сосредоточением упругих искажений также и в приграничной области, что является типичным для обработки методом ИПД, следует ожидать изменения их упругих и неупругих характеристик. Действительно, исследованием СМК Си и Ni, подвергнутых равноканальному угловому прессованию, было установлено заметное снижение модуля упругости и рост характеристик внутреннего трения. Однако остается неясным насколько общим является данный вывод. Такие факторы, как природа материала, содержание примесей и легирующих элементов, текстура и другие должны оказывать существенное влияние на эти характеристики. Отсутствуют также однозначные данные о влиянии СМК структуры на пластические свойства металлов и сплавов.
К моменту постановки настоящей работы была очевидная необходимость проведения исследований, позволяющих выявить преимущества СМ К структуры на примере таких материалов, как титановые сплавы. Поиск дополнительных ресурсов повышения прочностных характеристик титана и его сплавов, широко применяемых в различных областях промышленности, особенно в тех, где выигрыш в весе и химическая инертность играют главную роль, имеет большой практический интерес.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Института Проблем Сверхпластичности Металлов РАН по теме "Разработка научных основ прецизионных технологий формообразования изделий из титановых, магниевых, алюминиевых, медных сплавов, сталей, интерметаплидов и керамик с высокой степенью однородности структуры и регламентированным комплексом эксплуатационных свойств", входящей в комплексную программу "Повышение надежности системы "Машина-человек-среда", № государственной регистрации 0008079.
Целью настоящей работы является исследование связи строения СМК технически чистого титана, полученного интенсивной пластической деформацией путем изотермической ковки, с физико-механическими свойствами и формирование в нем благоприятного для эксплуатации комплекса прочностных, упругих, неупругих и пластических характеристик.
В связи с этим задачами работы были:
-
Определить режимы получения изотермической ковкой массивных заготовок с однородной беспористой СМК структурой в технически чистом титане ВТ1-00.
-
Выявить особенности строения СМК титана ВТ1-00 после ИПД и установить изменение его микроструктуры, микротвердости и плотности при отжиге.
-
Исследовать влияние исходной микроструктуры и температуры отжига на модуль упругости и внутреннее трение СМК ВТ1-00.
-
Исследовать влияние размера зерен на характеристики прочности и пластичности титана ВТ1-00 при комнатной температуре.
-
Выявить особенности сверхпластического поведения СМК титана ВТ1-00
6) Оценить практическую возможность изготовления листовых и фольговых
полуфабрикатов из СМК ВТ1-00 и исследовать их механические свойства.
Научная новизна.
В На примере технического титана показано, что путем использования многократной деформации сжатия в изотермических условиях с постепенным снижением
температуры обработки и сменой оси нагружения в результате развития динамической рекристаллизации возможно получение в массивных заготовках субмикрокристаллической структуры с размером зерен вплоть до 0,1 мкм. Обнаружено, что формирование СМК структуры в титане технической чистоты сопровождается динамическим деформационным старением, которое, с одной стороны, снижая пластичность материала, уменьшает допустимые деформации, а с другой стороны, затрудняя процессы возврата, способствует динамической рекристаллизации.
а Металлографическими и электронно-микроскопическими методами, с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА) и путем измерения плотности установлено, что использование такой схемы обработки не приводит к образованию пористости в заготовках и возникновению текстуры, способствует формированию во всем объеме заготовки однородной и равноосной СМК структуры, которая, в свою очередь обеспечивает стабильный уровень физико-механических свойств в этом состоянии. п С использованием дилатометрических измерений, РСА и метода гидростатического взвешивания обнаружено, что плотность СМК титана на 0,5% меньше по сравнению с крупнозернистым материалом. Анализ возможных факторов, влияющих на изменение объема, показал наилучшее соответствие полученного результата двухфазной модели строения СМК материала, т.е. уменьшение плотности связано с увеличением объемной доли искаженных дефектами приграничных участков зерен. Аналогичная тенденция изменения плотности при переводе в СМК состояние повторяется и в титане повышенной чистоты, и в двухфазных титановых сплавах.
а Показано, что формирование СМК структуры в титане ВТ1-00 приводит при комнатной температуре к росту прочности при сохранении модуля упругости и декремента затухания внутреннего трения на уровне, характерном для крупнозернистого состояния. Исследованием влияния температуры отжига на механические характеристики установлена возможность получения высоких прочностных свойств и декремента затухания при снижении модуля упругости (до 20%). Обнаруженные изменения механических свойств объяснены на основе модели "струны" Келлера-Гранато-Люкке, показывающей закрепление дислокаций при комнатной температуре и их разблокировку при отжиге.
я В области повышенных температур (300-600С) для СМК ВТ1-00 установлено, что протекание процессов динамического деформационного старения и нестабильность СМК структуры не позволяют наблюдать высокие значения низкотемпературной сверхпластичности. Стабилизация микроструктуры в двухфазном СМК (с размером
зерен 60 нм) сплаве ВТ8 и подавление ДДС способствуют резкому увеличению характеристик сверхпластичности (при температуре 575С удлинение достигает 1200%).
На примере титана ВТ1-00 показано, что метод многократной изотермической деформации в сочетании с последующей холодной прокаткой обеспечивает повышение прочности на 60%. Наряду с этим прокатка не вызывает появления какой-либо текстуры, что обеспечивает высокую однородность свойств СМК титана. В этом заключено существенное отличие прокатки СМК титана от крупнозернистого материала, в последнем прокатка вызывает не только повышение прочности, но и появление анизотропии свойств.
Практическая значимость.
Развитый в работе метод формирования СМК структуры путем изотермической деформации с постепенным понижением температуры и сменой оси нагружения позволил получить массивные заготовки титана с однородной беспористой СМК структурой и изотропными механическими свойствами. Показано, что при формировании СМК структуры в титане получен уникальный комплекс свойств, сочетающий при снижении плотности повышение прочности не мене чем в два раза, снижение температуры СП и, кроме того, в зависимости от назначения в СМК титане могут варьироваться значения модуля упругости и характеристик внутреннего трения. Установлена зависимость между изменением размера зерен и плотностью материала, которая может применяться в качестве дополнительного метода аттестации СМК состояния. Показана принципиальная возможность изготовления листовых полуфабрикатов из СМК ВТ1-00 и по разработанным режимам прокатаны лента толщиной 0,8 мм и фольга толщиной 0,1 мм, свойства которых значительно выше свойств КЗ листовых полуфабрикатов ВТ1-00.
На защиту выносятся:
-
Особенности формирования СМК структуры в титане технической чистоты при ИПД методом изотермической ковки, выявившие протекание наряду с динамической рекристаллизацией динамического деформационного старения (ДДС).
-
Уменьшение плотности СМК титана и его сплавов, объясняемое увеличением в их структуре объемной доли приграничных прослоек, содержащих большую плотность дислокаций и имеющих в результате этого разупорядоченную "малоплотную" структуру.
-
Формирование необычного комплекса свойств в СМК титане, который характеризуется: после ИПД уменьшением плотности и ростом не менее чем в два раза прочностных характеристик при сохранении модуля упругости и внутреннего трения на уровне КЗ сплава, но при этом снижением пластичности, особенно равномерной деформации, а после низкотемпературного отжига при некотором снижении прочностных характеристик, значительным повышением декремента затухания внутреннего трения и снижением модуля упругости.
-
Проявление низкотемпературной сверхпластичности в СМК ВТ1-00 в узком температурно-скоростном интервале, вне которого в технически чистом титане протекает динамическое деформационное старение.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в российских и иностранных научных изданиях (16 публикаций) и докладывались на VII Международном семинаре "Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов", Екатеринбург, 1996; V научно-технической конференции с международным участием "Материалы и упрочняющие технологии", Курск, 1997; на Международной конференции "Superplasticity in Advanced Materials ICSAM-97" Бангалор, Индия, 1997; XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы перспективных материалов", Ижевск, 1998; The 9th World Conference on Titanium, 1999, Sant-Petersburg.; NATO Advanced Research Workshop "Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation" 1999, Moscow, на Международной конференции "Superplasticity in Advanced Materials ICSAM-2000" Tallahassee, Florida, USA, 2000, V Всероссийской конференции "Физикохимия ультрадисперсных систем" 9-13 октября 2000, г.Екатеринбург.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 16 статьях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы (218 наименований). Общий объем диссертации 145 страниц, в том числе 17 таблиц и 49 рисунков.
