Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 5, стр. 545-552
Влияние структурно-фазового состояния на ползучесть ультрамелкозернистого титанового сплава системы Ti–Al–V–Mo
Г. П. Грабовецкая a, *, О. В. Забудченко a, И. П. Мишин a, И. В. Раточка a, О. Н. Лыкова a
a Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
634021 Томск, пр. Академический, 4/2 1, Россия
* E-mail: grabg@ispms.tsc.ru
Поступила в редакцию 31.05.2018
После доработки 10.07.2018
Принята к публикации 22.08.2018
Аннотация
Исследовано влияние фазового состава на закономерности ползучести ультрамелкозернистого титанового сплава системы Ti–Al–V–Mo при температуре 723 K и в интервале скоростей 10–7–10–5 с–1. Установлено, что формирование в сплаве ультрамелкозернистой структуры неравновесного фазового состава приводит к нарушению степенного закона ползучести. Показано, что данное нарушение связано с развитием в процессе ползучести фазового превращения β → α и перераспределением легирующих элементов. Обсуждаются физические причины снижения величины эффективной энергии активации ползучести сплава с ультрамелкозернистой структурой и неравновесном фазовым составом.
ВВЕДЕНИЕ
Ультрамелкозернистые металлические материалы, сформированные методами интенсивной пластической деформации (ИПД), характеризуются высокой плотностью деформационных дефектов, высокоэнергетическими границами зерен, наличием внутренних упругих напряжений и вследствие этого являются метастабильными [1–3]. Кроме того, в ряде работ показано [4–6], что в таких ультрамелкозернистых металлических материалах коэффициенты зернограничной диффузии на несколько порядков выше, по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами. Высокая неравновесность структуры и повышенные коэффициенты зернограничной диффузии ультрамелкозернистых металлов определяют низкую термическую стабильность их прочностных характеристик, в том числе и сопротивления ползучести. Например, для ультрамелкозернистого титана технической чистоты, в котором рекристаллизация и рост элементов его структуры наблюдается при температурах 673 K и выше, минимальная скорость ползучести в результате часовых дорекристаллизационных отжигов при температурах 573 и 623 K увеличивается соответственно в 2.5 и 6.5 раз [7]. Снижение сопротивления ползучести после дорекристаллизационных отжигов наблюдали и при ползучести ультрамелкозернистых никеля и меди [1].
Известно, что в сплавах при формировании ультрамелкозернистого состояния методами ИПД могут иметь место такие процессы, как фазовые превращения при температурах, несоответствующих равновесным значениям, и образование пересыщенных твердых растворов [8–10]. Выдержка ультрамелкозернистой структуры неравновесного фазового состава при повышенных температурах наряду с возвратом в деформированной структуре может вызывать распад пересыщенных твердых растворов и обратные фазовые превращения [10, 11]. Поэтому влияние дорекристаллизационных отжигов на ползучесть ультрамелкозернистых сплавов может иметь свои особенности по сравнению с чистыми металлами.
Целью данной работы является исследование влияния структурно-фазового состояния, сформированного в процессе ИПД и последующего отжига, на закономерности ползучести титанового сплава системы Ti–Al–V–Mo.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала для исследования использовали промышленный (α + β)-титановый сплав системы Ti–Al–V–Mo (далее сплав ВТ16) со следующим содержанием основных легирующих элементов в мас. %: Al – 3.1, V – 4.5, Мо – 4.9.
Ультрамелкозернистая структура в сплаве была сформирована методом прессования со сменой оси деформации. Прессование сплава было проведено за два цикла при температурах 1023 и 923 К. Один цикл состоял из трех прессований. Деформация за одно прессование составляла ~50%. Прессование проводили со скоростью ~10–3 с–1. Перед прессованием сплав был закален от температуры 1068 К.
Структуру ультрамелкозернистого сплава исследовали с помощью просвечивающего электронного (марка JEM-2100) микроскопа. Размеры структурных элементов определяли методом секущей на фотографиях темнопольного изображения микроструктуры. Выборка составляла не менее 200 элементов. Фазовый состав, параметры решеток фаз и микроискажение кристаллической решетки α-фазы сплава определяли в излучении СоKα с помощью дифрактометра Shimadzu XRD-7000, снабженного для расчета указанных параметров программой PowderCell.
Испытания на растяжение проводили в интервале температур 293–973 К с начальной скоростью 6.9 × 10–3 с–1 в установке ПВ-3012М с автоматической записью кривой растяжения в координатах нагрузка-время. Испытания на ползучесть проводили при температуре 723 К, в вакууме 10–2 Па при постоянной нагрузке в интервале скоростей 10–5–10–7 с–1. Удлинение образцов измеряли оптическим катетометром КМ-6 с точностью ±5 мкм.
Величину эффективной энергии активации ползучести (Qс) определяли стандартным методом температурного скачка [12] при изменении температуры на 10 К. Вычисление Qc проводили по формуле [12]:
(1)
${{Q}_{c}} = {{R\ln ({{{{{\dot {\varepsilon }}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{\dot {\varepsilon }}}_{2}}} {{{{\dot {\varepsilon }}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\dot {\varepsilon }}}_{1}}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{R\ln ({{{{{\dot {\varepsilon }}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{\dot {\varepsilon }}}_{2}}} {{{{\dot {\varepsilon }}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\dot {\varepsilon }}}_{1}}}})} {({1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{T}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{1}}}} - {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{T}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{2}}}})}}} \right. \kern-0em} {({1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{T}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{1}}}} - {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{T}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{2}}}})}},$Образцы для испытания в виде двойной лопатки с размерами рабочей части 5 × 1.5 × 0.7 мм3 вырезали из заготовок электроискровым способом. Поверхность образцов перед испытанием подвергали механической шлифовке и электролитической полировке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В состоянии поставки исследуемый сплав ВТ16 имеет поликристаллическую структуру с размером зерен в интервале 20–60 мкм и содержит две фазы: α и β. Содержание β-фазы в сплаве составляет 22 ± 1 об. %. В результате закалки от температуры 1068 К в сплаве формируется пластинчатая структура (рис. 1а) с шириной пластин от 0.3 до 1.2 мкм. Закаленный сплав ВТ16 является трехфазным и содержит фазы α'', α и β (рис. 1б).
На рис. 2 представлено типичное электронно-микроскопическое изображение структуры, формирующейся в закаленном сплаве ВТ16 в результате двух циклов прессования (далее это сплав в состоянии 1). На светлопольном изображении структуры сплава границы зерен и отдельные дислокации не выявляются (рис. 2a). В то же время на электронограммах структуры (площадь апертурной диафрагмы ~1.6 мкм2) наблюдается значительное количество рефлексов, расположенных по окружности (рис. 2a). На темнопольных изображениях, полученных в разных рефлексах, видно, что структура сплава в состоянии 1 состоит из отдельных элементов с размерами менее 1 мкм (рис. 2б). Исследования темнопольных изображений структуры показали, что в сплаве ВТ16 в процессе прессования формируется зеренно-субзеренная структура, размеры элементов которой находятся в основном в пределах от 0.3 до 0.6 мкм (рис. 2в). Средний размер элементов структуры (dср), определенный по темнопольному изображению, составляет 0.45 ± 0.16 мкм.
Методами рентгеноструктурного анализа было установлено, что в процессе прессования в сплаве происходят фазовые превращения α'' → β и β → α. После двух циклов прессования сплав становится двухфазным и содержит α и β-фазы (рис. 2г). Объемная доля β-фазы в сплаве составляет 35 ± 1 об. %. Это на 13 об. % больше по сравнению с исходным незакаленным состоянием сплава. При этом параметр решетки β-фазы увеличивается с 0.3245 до 0.3252 нм, что свидетельствует об уменьшении в ее объеме таких легирующих элементов, как молибден и ванадий [13]. Величина упругих микроискажений кристаллической решетки α-фазы сплава ВТ16 в состоянии 1 составляет 9 × 10–4, что свидетельствует о наличии высоких внутренних напряжений в структуре (в сплаве в исходном состоянии величина микроискажений кристаллической решетки α-фазы не превышала 10–4).
Для определения температурного интервала стабильности полученной ультрамелкозернистой структуры и ее механических свойств были проведены часовые отжиги в интервале температур 573–923 К. Электронно-микроскопические исследования показали, что рекристаллизация и увеличение среднего размера элементов ультрамелкозернистой структуры сплава имеет место после отжигов при температурах 873 К и выше. Кроме того, в процессе часовых отжигов при температурах выше 773 К в сплаве наблюдается уменьшение объемной доли β-фазы и снижение внутренних напряжений в α-фазе. Так, после отжига при температуре 873 К, 1 ч объемная доля β‑фазы уменьшилась до 28 ± 1%, а величина микроискажений кристаллической решетки α-фазы – до 4 × 10–4.
В результате формирования ультрамелкозернистой структуры значения предела текучести (σ0.2) и временного сопротивления разрушению (σB) сплава при комнатной температуре увеличиваются примерно на 25%, а деформация до разрушения (δ) уменьшается в ~1.5 раза по сравнению с крупнозернистым состоянием (табл. 1). При повышении температуры испытания до 723 К прочностные характеристики сплава в ультрамелкозернистом состоянии остаются выше соответствующих значений для сплава в крупнозернистом состоянии.
Таблица 1.
Состояние сплава ВТ16 | dср, мкм | Т, К | σ0.2 ± 15, МПа | σB ± 15, МПа | δ ± 1% |
---|---|---|---|---|---|
КЗ | 27 | 905 | 1002 | 18 | |
УМЗ (состояние 1) | 0.45 | 293 | 1134 | 1218 | 13 |
УМЗ (состояние 2) | 0.43 | 1186 | 1292 | 11 | |
КЗ | 27 | 560 | 634 | 22 | |
УМЗ (состояние 1) | 0.45 | 723 | 602 | 660 | 39 |
УМЗ (состояние 2) | 0.43 | 635 | 688 | 36 |
На рис. 3 представлены зависимости значений dср и σ0.2 ультрамелкозернистого сплава от температуры часового отжига. Видно, что после отжигов в интервале температур 573–773 К значения σ0.2 ультрамелкозернистого сплава ВТ16 либо не изменяются, либо увеличиваются. Наблюдаемое повышение значений σ02 сплава после указанных отжигов может быть связано с изменением фазового состава. Известно [14], что величина σ0.2 сплава ВТ16 чувствительна к изменению фазового состава. При более высоких температурах отжига, при которых в ультрамелкозернистой структуре сплава имеет место рост величины dср и снижение внутренних напряжений, происходит быстрое уменьшение значений σ0.2.
Для исследования влияния отжигов при температурах до 873 К на структурно-фазовое состояние и прочностные характеристики ультрамелкозернистой структуры был проведен отжиг сплава при температуре 673 К, в течение 30 ч (далее это сплав в состоянии 2). В результате указанного отжига средний размер элементов ультрамелкозернистой структуры сплава изменяется в пределах ошибки измерения (с 0.45 до 0.43 мкм).
В то же время из гистограммы распределения элементов структуры по размерам следует, что в структуре сплава в состоянии 2 имеются элементы меньшего и большего размера относительно минимальных и максимальных размеров элементов ультрамелкозернистой структуры сплава в состоянии 1 (рис. 4а). Такое изменение в распределении элементов ультрамелкозернистой структуры по размерам при практически стабильном значении dср может быть результатом одновременного развития таких процессов, как рост отдельных элементов, рекристаллизация и выделение дисперсных частиц новой фазы.
Фазовый анализ, проведенный методами рентгеноструктурного анализа, не выявил появления новых фаз в сплаве в состоянии 2 по сравнению с состоянием 1 (рис. 4б). Однако в процессе формирования его структуры происходит уменьшение объемной доли β-фазы с 35 ± 1 до 25 ± 1 об. %, а параметра ее решетки с 0.3253 до 0.3246 нм. Последнее свидетельствует о перераспределении легирующих элементов и увеличении концентраций молибдена и ванадия в объеме β-фазы [13]. В результате отжига также уменьшается величина упругих микроискажений решетки α-фазы с 9 × 10–4 до 5 × 10–4, что соответствует снижению внутренних напряжений.
Подробные электронно-микроскопические исследования показали, что в сплаве ВТ16 в состоянии 2 границы зерен выражены более четко по сравнению с состоянием 1 (рис. 4в). При этом бездислокационные рекристаллизованные зерна обнаружены не были. В некоторых зеренах сплава наблюдается пластинчатая структура с поперечным размером пластин 10–30 нм (рис. 4г). Кроме зерен с пластинчатой структурой в сплаве присутствуют зерна, на границах которых имеются наноразмерные частицы (рис. 4г). Пластины и наноразмерные частицы наблюдаются в рефлексе типа (101)α. Поэтому можно предполагать, что пластины и наноразмерные частицы являются выделениями α-фазы, образовавшимися в результате β → α-превращения в процессе отжига при 673 К.
Фазовое превращение β → α, приводящее к повышению прочности β-фазы за счет увеличения в ее объеме легирующих элементов молибдена и ванадия, а также формирование зерен с пластинча той структурой и появление наноразмерных частиц в структуре в процессе отжига при температуре 673 К, 30 ч являются, по-видимому, факторами, способствующими повышению прочностных характеристик ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состоянии 2 по сравнению с состоянием 1 (см. табл. 1).
На рис. 5а представлены типичные кривые ползучести при температуре 723 К ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состояниях 1 и 2. Для этих кривых ползучести в общем случае характерно наличие двух стадий ползучести: установившейся и ускоренной. Отличительной особенностью кривых ползучести сплава в состоянии 1 является большая (в 1.5–2.5 раза) по сравнению с состоянием 2 величина мгновенной деформации. Однако продолжительность по величине деформации стадии установившейся ползучести сплава в состоянии 1 примерно в 1.5 раза меньше по сравнению с состоянием 2. Это указывает на большую устойчивость к локализации деформации ультрамелкозернистого сплава в состоянии 2 по сравнению с состоянием 1. Кроме того, во всем исследованном интервале скоростей (10–5–10–7 c–1) значения скоростей установившейся (минимальной) ползучести сплава ВТ16 в состоянии 2 ниже соответствующих значений для состояния 1. Повышение сопротивления ползучести ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состоянии 2 связано, по-видимому, как и рост прочностных характеристик при растяжении, с повышением прочности β-фазы за счет увеличения в ее объеме легирующих элементов и появлением в сплаве зерен с пластинчатой структурой. Известно [15], что сопротивление ползучести пластинчатой структуры титановых сплавов выше по сравнению с глобулярной.
Исследование зависимости скорости установившейся ползучести от приложенного напряжения ультрамелкозернистого сплава ВТ16 при температуре 723 К показало, что эта зависимость в двойных логарифмических координатах для сплава в состоянии 2 имеет линейный характер (рис. 5б, кривая 2). Это свидетельствует о том, что ползучесть ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состоянии 2 при температуре 723 К в исследуемом интервале скоростей описывается известным степенным законом ползучести [16]. При этом значение показателя чувствительности к напряжению (n2 = 4.2) близко к значениям n для титана и его сплавов, деформация которых осуществляется движением дислокаций и контролируется объемной диффузией [16–19]. Зависимость скорости установившейся ползучести от приложенного напряжения в двойных логарифмических координатах для сплава в состоянии 1 отклоняется от линейной зависимости (см. рис. 5б, кривая 1).
Отклонение от степенного закона ползучести для сплава ВТ16 в состоянии 1, может быть связано с развитием фазового превращение β → α в процессе ползучести, и, как следствие, упрочнением β-фазы. Это предположение подтверждают рентгеноструктурные исследования образцов после ползучести на установившейся стадии. Так, фазовый состав сплава ВТ16 в состоянии 2 на недеформируемой части за время ползучести 8 ч изменяется в пределах ошибки измерения. В то же время в процессе ползучести сплава в состоянии 1 на недеформируемой части образца за 8 ч ползучести происходит уменьшение объемной доли β-фазы с 35 до 29 об. %, а параметра ее решетки – с 0.3253 до 0.3249 нм. На рабочей части образца уменьшение объемной доли β фазы может быть большим из-за повышения скорости фазовых превращений. Известно [15], что коэффициенты диффузии легирующих элементов и скорость фазовых превращений в титановых сплавах увеличиваются с ростом напряжения и скорости деформации.
Рассчитанная по уравнению (1) величина Qc = = 269 ± 15 кДж/моль ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состоянии 2 при температуре 723 К близка к значениям Qc для мелко- и крупнозернистых сплавов титана (289–375 кДж/моль [17]), ползучесть которых осуществляется движением дислокаций и контролируется объемной диффузией. В то же время величина Qc = 202 ± 20 кДж/моль сплава в состоянии 1, определенная в области нагрузок, при которых наблюдается наименьшее различие значений n для сплава в состояниях 1 и 2, меньше значений Qc для состояния 2 и мелко- и крупнозернистых сплавов титана.
Из литературы известно [17–19], что уменьшение величины Qc ультрамелкозернистых материалов по сравнению с мелко- и крупнозернистыми наблюдается в случае, когда в процессе ползучести материала действует совокупность двух или трех следующих механизмов деформации: движения дислокаций, скольжения по границам зерен и диффузионная ползучесть. Изучение деформационного рельефа предварительно полированной рабочей части образцов исследуемого ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в обоих состояниях после ползучести на установившейся стадии не выявило наличия заметного зернограничного скольжения. Поэтому можно предполагать, что уменьшение величины Qc для ультрамелкозернистого сплава ВТ16 в состоянии 1, связано с развитием диффузионных потоков элементов, сопровождающих фазовое превращение β → α в процессе ползучести.
ВЫВОДЫ
1. Прессование сплава ВТ16 при температурах 1023 и 923 К со сменой оси деформации приводит к формированию в его объеме зеренно-субзеренной ультрамелкозернистой структуры с неравновесным (α + β)-фазовым составом.
2. В процессе ползучести при температуре ниже температуры рекристаллизации в ультрамелкозернистом сплаве ВТ16 с неравновесным фазовым составом имеют место такие процессы, как фазовое превращение β → α и перераспределение легирующих элементов, что приводит к отклонению от степенного закона ползучести.
3. Повышение сопротивления ползучести ультрамелкозернистого сплава ВТ16 после отжига при температуре 673 К связано с превращением β → α, перераспределением легирующих элементов, увеличивающим прочность β-фазы, и появлением в сплаве зерен с пластинчатой структурой.
4. Совокупность значений показателя чувствительности к напряжению и эффективной энергии активации ползучести, а также характер деформационного рельефа поверхности рабочей части образцов, позволяют предполагать, что в процессе ползучести при температуре 723 К ультрамелкозернистого сплава ВТ16, с фазовым составом близким к равновесному, основным механизмом деформации является движение дислокаций.
Работа выполнена с использованием оборудования центра коллективного пользования ИФПМ СО РАН “НАНОТЕХ” в рамках Проектов фундаментальных научных исследований ГАН, направление III.23.
Список литературы
Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. Жиляев А.П., Дударев Е.Ф., Иванов К.В., Кашин О.А., Найденкин Е.В. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001. 232 с.
Tyumentsev A.N., Ditenberg I.A. Nanodipoles of Partial Disclinations in the Region of Localized Elastic Distortions // Phys. Mesomech. 2015. V. 18. № 2. P. 158–162.
Попов В.В., Сергеев А.В., Столбовский А.В. Эмиссионная мессбауровская спектроскопия границ зерен ультрамелкозернистых W и Mo, полученных интенсивной пластической деформацией // ФММ. 2017. Т. 118. № 4. С. 372–379.
Divinski S.V., Reglitz G., RoËsner H., Estrin Yu., Wilde G. Ultra-fast diffusion channels in pure Ni severely deformed by equal-channel angular pressing // Acta Mater. 2011. V. 59. P. 1974–1985.
Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Раточка И.В., Псахье С.Г., Колобов Ю.Р. Зернограничная диффузия никеля в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией // Письма в Журнал техническая физика. 2008. № 4. С. 7–14.
Попов В.В., Сергеев А.В. Зернограничная диффузия кобальта в субмикрокристаллическом молибдене, полученном кручением под высоким давлением // ФММ. 2017. Т. 118. № 11. С. 1149–1154.
Грабовецкая Г.П., Забудченко О.В., Мишин И.П. Деформационное поведение субмикрокристаллического титана при ползучести // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 1. С. 26–33.
Гапонцев В.Л., Кондратьев В.В. Диффузионные фазовые превращения в нанокристаллических сплавах при интенсивной пластической деформации // ДАН. 2002. Т. 385. № 5. С. 608–611.
Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Gornakova A.S., Mazilkin A.A., Kriegel M.J., Fabrichnaya O.B., Baretzky B., Hahn H. Phase Transformations in Ti–Fe Alloys Induced by High-Pressure Torsion // Adv. Eng. Mater. 2015. V. 17. № 12. P. 1835–1841.
Grabovetskaya G.P., Ratochka I.V, Mishin I.P., Zabudchenko O.V., Lykova O.N. Evolution of the structural-phase state of a Ti–Al–V–Mo alloy during severe plastic deformation and subsequent annealing // Russian Physics J. 2016. V. 59. № 1. P. 109–115.
Попов А.А., Илларионов А.Г., Демаков С.Л., Степанов С.И., Карабаналов М.С., Елкина О.А. Влияние параметров термообработки на структурные и фазовые превращения в (α-β)-титановом сплаве, подвергнутом термомеханическому воздействию // ФММ. 2010. Т. 109. № 6. С. 694–700.
Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968. 304 с.
Мальцев М.В., Кашников Н.И. Исследование распада мартенсита при непрерывном нагреве титанового сплава ВТ16 // ФММ. 1978. Т. 45. № 2. С. 426–428.
Попов А.А., Илларионов А.Г., Степанов С.И., Ивасишин О.М. Влияние температуры закалки на структуру и свойства титанового сплава. Физико-механические свойства. // ФММ. 2014. Т. 115. № 5. С. 549–554.
Коллингз Е.В. Физическое металловедение титановых сплавов. М: Металлургия, 1988. 223 с.
Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации. Челябинск: Металлургия, 1989. 325 с.
Kral P., Dvorak J., Zherebtsov S., Salishchev G., Kvapilova M., Sklenicka V. Effect of severe plastic deformation on creep behavior of a Ti–6Al–4V alloy // J. Mater. Sci. 2013. V. 48. P. 4789–4795.
Naydenkin E.V., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V. The Effect of Grain Boundary State on Deformation Process Development in Nanostructured Metals Processed by the Methods of Severe Plastic Deformation // Mater. Sci. Forum. 2011. V. 683. P. 69–79.
Shi J., Zikry M.A. Grain size, grain boundary sliding, and grain boundary interaction effects on nanocrystalline behavior // Mater. Sci. Eng. A. 2009. V. 520. № 1–2. P. 121–133.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физика металлов и металловедение