автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Анизотропия механических свойств текстурированных альфа-сплавов титана при низких температурах

Введение.

Глава I Механизм пластической деформации ГПУ-металлов.Обзор.

1.1 Дислокации в ГПУ-решетке.

1.2 Механизм деформации скольжением.

1.3 Двоиникование в гексагональных плотноупакованных металлах.

1.4 Механизм деформации титана и oL- сплавов на его основе

1.5 Связь анизотропии механических характеристик поликристаллического титана и его ©6 - сплавов с кристаллографическим механизмом пластической деформации

Глава II Материалы и экспериментальные методики

2.1 Материалы.

2.2 Исследование механизма деформации монокристаллов.

2.3 Исследование механизма деформации поликристаллических текстурированных титановых сплавов.

2.4 Выводы.

Глава III Механизм деформации монокристаллов 9Г- М- Sn.

3.1 Испытания 1фИсталлов сжатием параллельно оси [OOOl] v.

3.2 Механизм деформации монокристаллов Л1-$п, испытанных сжатием параллельно оси [1100] или [П20у.

3.3 Растяжение монокристаллов <77Sn вдоль осиГ0001].

3.4 Растяжение монокристаллов вдоль осей,близких к призматическим .III

3.5 Механизм деформации монокристаллов,испытанных сжатием вдоль пирамидальных направлении.

3.6 Вторичное двоиникование.

3.7 Определение величины двойникового сдвига. 136 *

3.8 Выводы.

Глава 1У Механизм деформации поликристаллических сплавов

4.1 Растяжение образцов, вырезанных из листов оС- сплавов с базисной текстурой • •.

4.2 Сравнительное исследование механизма деформации 2 и

8 мм листов сплава ВТ5-1кт после циклических испытаний • •.

4.3 Механизм деформации шарбаллона из сплава ВТ5-1кт при

20 К.

4.4 Выводы.

Глава У Обсуждение результатов

5.1 Влияние ориентации и знака нагружения на механизм деформации сплава 5/Г- Jl£- S>n,.

5»2 Критические приведенные напряжения сдвига в монокри сталлах сплава ^77- 2+4 вес.% <М - 2,5 вес.$£/г. Г

5.3 Оценка предела текучести моншфисталлов различных ориентаций при осевом сжатии и растяжении

5#4 Сравнение механизма деформации монокристаллов и по -ликристаллических сплавов

5.5 Прикладное значение исследования механизмов деформации титановых сплавов. Прогнозирование прочности шаровых б алло-' нов в условиях двухосного растяжения.

Выводы.

Актуальность .Титан и титановые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в различных областях промышленности. И спользование титановых сплавов в авиационной и космической технике ввделило такое их свойство,как высокая удельная прочность. Од ним из важных резервов повышения удельной прочности титановых сплавов с преимущественной об-фазой является использование природной анизотропии механический свойств гексагональных металлов за счет создания определенной текстуры изделий. Для рационального использования ресурса прочности титановых сплавов необходимы сведения о величине и характере этой анизотропии, а также о механизмах деформации таких материалов*

Анизотропия механических свойств титана и его сплаэов существенно зависит от температуры» Для обеспечения надежной эксплуатации текстурованных сплавов необходима предварительная оценка работоспособности изделий из анизотропного материала при конкретной температуре и заданных условиях . нагружения. В частности, использование титановых сплавов в криогенной технике вызвало необходимость расчетной оценки прочности материала в конструкциях при низких температурах, В настоящее время разрабатываются различные методы такой оценки, однако их применение к титановым сплавам особенно в области низких температур, затруднено недостатком сведений о величине и характере анизотропии механических свойств промышленных титановых сплавов, используемых в криогенном машиностроении.Поэтому исследование анизотропии механических свойств Л-сплавов титана при криогенных температурах является актуальной проблемой.

Цель работы.Целью настоящей работы явилось прогнозирование работоспособности текстурированных об-сдлавов титана в различных напряженных состояниях при криогенных температурах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить к следующие конретные задачи:

1. Изучить анизотропию предела текучести в монокристаллах при сжатии и растяжении в широком интервале температур 4,2 - 293 К.

2. Определить кристаллографию скольжения и двойникования в кристаллах, .различных ориентаций.

З;5 Изучить механизмы деформации текстурованных об-сплавов BT5-I и 3Ж" 2V в различных технологических состояниях и установить взаимосвязь между текстурой и механическими свойствами при низких температурах,

Выполнить расчеты по определению величин приведенных напряжений сдвига ^ и локальных факторов Шмида для различных систем скольженийя и двойникования, необходимых для оценки прочностных характеристик текстурованного сплава в диапазоне 4,2 -293 К по результатам исследования монокристаллов*

5.Из учить текстуры полуфабрикатов и изделий из сплава ВТ 5-1 С использованием данных о текстуре, сведений о механизмах деформации и анизотропии свойств монокристаллов для этих изделий выполнить расчетно-експериментальную оценку прочности сплава в конструкциях, предназначенных для эксплуатации в области криогенных температур;

Научная новизна

Iv Впервые исследован механизм деформации моновристаллов тройного титанового сплава.При этом в диапазоне температур от комнатной до 4,2 К изучена анизотропия предела текучести в зависимости от ориентации и знака нагружения.

21 •Определена температурная зависимость приведенных напряжении сдвига для двойникования [lI24] <2243>, а также величина двойникового сдвига для этого типа двойникования*

3, Впервые с применением метода обратных полюсных фигур ис-" следованы механизмы скольжения и двойникования промышленных сплавов ВТ5-1 и (J!-qM-2V в области 1фиогенных температур и установлена связь между текстурой, механизмом деформации и механическими свойствами,

4. Показано, что сопротивление разрушению сплава ВТ5-1кт при циклическом нагружении при нормальной и криогеншых температурах определяется текстурой и механизмом деформации на стадии микротекучести.

Практическая значимость

Экспериментальные данные, полученные при исследовании анизотропии механических свойств и механизмов пластической деформации текстурированных o^-сдлавов титана в температурном интервале 4,2 ~ 293 К используются для оценки работоспособности конструкций на предприятии НПО "ЭНЕРГИЯ".Результаты исследования нашли отражение при разработке стандарта предприятия "Принцип выбора видов и объемов механических испытаний для оценки работоспособности конструкций металлических материалов с целью предупреждения опасности преждевременного разрушения". Разрабатываемый метод оценки спо -собствует сокращению объема дорогостоящих и технически сложных натурных испытаний при 1фиогенных температурах,Он позволяет учесть влияние текстурного фактора при оценке прочностных характеристик изделий.

Разрабатываемый подход применяется также при выборе оптимальных технологических процессов изготовления полуфабрикатов для достижения благоприятной текстуры при обработке давлением (прокатке, листовой и объемной штамповке J и при экспертных анализ ах-драж-девременного разрушения.

- 216 -ВЫВОДЫ

Определены кристаллографические механизмы пластической деформации в монокристаллах Л -сплава - At - Sn, в зависимости от ориентации и знака нагружения, а также механизмы деформации поликристаллических промышленных сплавов BT5-I и 71-&Ж -2 К в области температур от комнатной до температуры жидкого гелия.

При исследовании монокристаллов установлено: I.B монокристаллах 'Ш-Л - действуют следующие системы деформации: скольжение в плоскости приз мы, пирамиды первого рода {1011} и базиса в плотноупакованном направлении < П20> и скольжение ^с + а> в направлении <П23> в пирамидальных плоскостях {1011} , а также двойникование по плоскостям {I0IIJ, {1122} , {1123}, {1124} , {1012} и (1121} «В этих системах экспериментально определены приведенные напряжения сдвига,

2*Установлено, что влияние температуры на предел текучести определяется ориентацией, знаком приложенной нагрузки и как следствие - характером температурной зависимости приведенных напряжений сдвига в первичных системах деформации.Показано,что наблюдаемая немонотонность изменения предела текучести с температурой в кристаллах некоторых ориентации связана со сменой кристаллографических механизмлв деформации.

3. Обнаружен о влияние температуры на упрочнение элементами замещения при сжатии вдоль оси шестого порядка*С понижением температуры эффект упрочнения возрастает .В кристаллах такой ориентации при криогенных температурах в зависимости от состава активизируются различные системы деформации:повышение предела текучести с с увеличением концентрации алюминия сопровождается переходом от двойникования по плоскостям {1124} к двойникованию {1011} и [II22J.

4. Исследованы некоторые характеристики механического двойникования: идентифицированы плоскости вторичного двойникования, а также определены величины двойникового сдвига для различных систем. При криогенных температурах двойникование (1124} и {1012} сопровождается вторичным двойникованием в двойниках, которое вносит вклад в главную деформацию, а также участвует в релаксации внутренних напряжений. Впервые экспериментально определена величина двойникового сдвига для двойникования (lI24j: она соответствует модели атомных смещений с инвариантной плоскостью {1122}.

5. По результатам экспериментально определенных значений приведенных напряжений сдвига рассчитаны ориентационные области активности различных систем скольжения и двойникования при осевых испытаниях монокристаллов с учетом знака деформации, вариаций состава и температуры.

В процессе исследования поликристаллов:

6. При отработке методов исследования построены расчетные двойниковые переориентировки для идентификации плоскостей двойникования в текстурированных поликристаллах, а также внесены изменения в методику оценки уровня внутренних микронапряжений.

7. Исследован механизм деформации <L -сплавов BT5-I и

- 2V в зависимости от текстуры, напряженного состояния и температуры деформации. Сплав - 3Л( - 2V проявил большую склонность к двойникованию при криогенных температурах по сравнению со сплавом BT5-I. Обнаружена взаимосвязь мезду механизмом деформации и сопротивлением усталостному разрушению сплава BT5-I. Показано, чтодвойникование на стадии микротекучести отрицательно влияет на усталостную прочность при криогенных температурах.

Полученные результаты применяются при прогнозировании прочности в конструкциях из сплава ВГ5-1, а также при выборе и разработке оптимальных технологических процессов изготовления полуфабрикатов и конструкций криогенного назначения.

1.Хирт Дж. Доте И. Теория дислокаций.-"Атомиздат",М.,1972.-600 с.

2. Сиротин Ю.И.,Шаскольская М.П.Основы кристаллофизики.-2-е изд. перераб.-М.,"Наука",1979.-639 с.

3. Сар1ап Н.,von Doering Е. ,Arora О.Р. Crystallographic angular relationships in hep titanium.-Trans.AIME,1968,242,N4, pp.724725.

4. Kayano Hideo,Hayase TokujijYajima Seishi.The formation of stacking fault in magnesium-yttrium alloy.-Trans. Jap. Inst. Metals, 1976, Г7,N1,pp.57-58.

5. Lavrentev E.E. ,Pokh.il Yu.A. Stacking faults in deformed zinc and magnesium single crystals.-Krist.und Techn.,1976,11 ,N9» 977-9»

6. Chalmers В.,Martius U»M. Slip plane and energy of dislocation.—Proc. Royal Soc.,1952,A215»N1113,PP.175-185.

7. Природа пластической деформации бериллия.-Киев,"Наукова Думка", 1977,-148 с.

8. Теория образования текстур в металлах и сплавах.-М.,"Наука", 1979,-344 с.

9. Rapperport E.J.,Hartley С.S.Deformation modes «f Yttrium atroom temperature.-fJ}rans.AIbIEl1959>215»PP. 1071-1072.i

10. Дуглас Д.Металловедение циркония.-M.,Атомиздат,1975.-360 с.

11. Carnah.an T.G.,Scott T.E.Defb rmation modes of HCP yttrium at77,298 and 4-97 K.— Met.Trans.,1975,4,N1,pp.27-32.

12. Бернер P. ,Кронмюллер Г.Пластическая деформация монокристаллов.-М., "Мир", 1969,-272 с.

13. Пустовалов В.В.Особенности пластической деформации при низких температурах.-В сб:"Физика деформационного упрочнения монокристаллов" .Киев ,"Наукова Думка",1972,с.128.

14. Сойфер Я.М.,Штейнберг В.Г.Температурная зависимость предела текучести и подвижность дислокаций в цинке при низких температурах. -В сб:Физические процессы пластической деформации.-Киев, "Наукова Думка", 1974, с. 65-68.

15. L'Sltko\vski A.,Mazurek J. Wplyw orientacji monokrysztalov: cyn-ku i predkosci ich. odkstalcania na proces tworzenia sie "bliznia kow.-Rudy Metale., 1977,22»N9,446-452.

16. Sastry D.H.,Luton M.J.,Jones I.I.Ttiermalli activated flow of HCP metals at low temperatures.-Pliys.Status Solidi(A),1976, 33,N1,pp.175-187.

17. V/ielke B. ,Ch.alupka A.,Lukac P. ,Svobodova A.Plasticity of Cd-Zn single crystals.-Z.Mettalk.,1979,70,N2,pp.85-89.

18. Lukac P. уТгодanova Z.Solid solution, hardening of cadmium single crystals.—Phys.Stat. Solidi, 1979»A£3,N2,pp.К143-K145.

19. Lukac P.Teplotni zavislost kritickeho skluzoveho nap^ti mono-krustalu Mg- Cd.- Kovove mater., 1979» 17»279-286.

20. Akhtar A. ,Teghtsoonian E. Solid solution strengthening of magnesium single crystals.-1 .Alloying behaviour in basal slip.-Acta Met. , 1969»1z*PP-1539-1 349.

21. Цвиккер У.Титан и его сплавы.-М./'Металлургия",1979,-512 с.

22. Ла рентьев Ф.Ф.,Салита 0.П,,Шутяев П.Д.Температурная зависимость предела текучести в монокристаллах цинка в интервале температур 1,5-300 К.-§ММ,1976,41,сс.412-417.

23. Владимирова В.Л.,Лаврентьев §.Ф.,Похил Ю.А.Температурная зависимость критических напряжений сдвига в гексагональных металлах при низких температурах.-В сбФизические процессы пластической деформации.Киев,"Наукова Думка", 1974,сс.44-56.

24. Лаврентьев Ф.Ф.,Сокольский Д.В.Температурная зависимость параметров деформационного упрочнения кристаллов магния в интервале температур 1,5-293 К.-ФШ. ,1976,41, М,сс. 857-864.

25. Лаврентьев ,Салита О.П.,Шутяев П.Д.О пластической деформации монокристаллов цинка в интервале температур 1,5-300 К.-ФММ, 1977,43,№6,сс.1300-1303.

26. Jackson P.I. Hardening in cadmium resulting from pyramidal glide.-Phil.Mag. ,1977,pp.963-972.

27. Mendelson S.Zonal dislocation and tv/in lamellae in hep metals.-Mater. Sci. and Eng. ,1969,v.4,N4»pp.231-242.

28. Зв.Классен-Неклюдова M.B.Механическое двойникование кристаллов.-Изд.Академии Наук СССР,I960.-261 с.

29. Старцев В.И.Упрочнение при двойниковании кристаллов.-В сбФизика деформационного упрочнения монокристаллов.Киев,"Наукова Думка", 1972,сс 140-143.

30. Mugsch.e Е. ,Stuwe Н.Р. Uber die mechanislie Zwillingbildung in Zink.-Z.Llettalk. ,1978,62,N11 ,pp»706- 710.

31. Cooper R.,Washburn J. Stress induced movement of twin boundaries in zinc.-Acta Met.*1967,' 15,pp.639-647.

32. Eronberg M.L. Atom movement and dislocation structures in somme common crystals.-Acta Met. ,1961,2»p. 970.

33. Westlake D.C. Twinning in zirconium.-Acta Met. ,1961, £,pp.327-331.44j3ristowe P.D.,Crocer A.G. Zonal twinning dislocations in bodi centred cubic crystals.-Phil.Mag. ,1976,^1,' 1T2,pp.357-362.

34. Yoshinaga Я. ,ОЪага Т.,MoEozumi S.Twinning deformation in magnesium,compressed along C- axis*- Met.Sci. and Eng»1973> 12,N pp.255-264. 45eHappeport E.I. Room temperature deformation processes in Zr.

35. Beevers C.J.,Edmonds B.V. The deformation and fracture behaviour of Ti-O-H alloys.-Trans.AII^D, "1969,245,pp.2391-2398. 55# Okanaki K.C«nrad H. Thermal and athermal components ofthe flow stress in zone-refined Ti.-Trans.J.I.M. ,1972,13,pp. 206-213»

36. V/illiams J.C. ,Sommer A.W.,Tung P.P. The influence of oxigenconcentration on the internal stress and dislocation arrangment in oC—Ti.-Met. Trans. ,1972,3,11,pp.2979-2984.

37. Сасано Х.,Кимура X.Прерывистое течение в альфа-сплавах титана.-В кн:Титан.Металловедение и технология.Т.I.,М.,ВИЛС,1977,319-323.

38. Sakai Т.,Pine N*E.Basal slip of Ti-Al single crystals.-Scri-pta Met. ,1974,v. 8,N5»PP.545-547»

39. Sakai T,Fine H.E. Failure of Schmidts lav; in Ti-Al alloys for prismatic slip.—Ibid,pp.541 -544.

40. Akhtar A.gchmid1 s law and prismatic slip of zirconium.-Scripta Met.,1975»2»N 8,pp.859-861.

41. Paton N.E.,Williams J.C. ,Raucher G.R.The deformation of alpha-phase titanium.-In:Titanium Sci.and Technology.Plenum Publ.Gorp., 1973» N.-Y., 2,pp.1049-1070.

42. Paton N.E. ,Backofen W.A.Plastic deformation of Ti at elevated temperatures.-Met. Trans., 1970 > 1,pp. 2839-2847.

43. Cass T.R. Slip modes and dislocation substructure in titanium and titanium-aluminum single crystals.—InsThe Sci.,Tech. and Appl.of Titanium.,Oxford,Pergamon Press,1970,pp.459-477.

44. OkazakL K,Morinaka K.,Conrad H.Thermally activated deformatio on of Ti-0 alloys below 0,4 Tm.-Trans. J.I.M. ,1973>v. 14,N 6,1. PP. 470-476.

45. Okazaki К.,Conrad H.Effect of interstitial content and grain size on the strength of titanium at low temperatures.- Acta Met. 1973,21.»N 8,pp.1117-1129.

46. Conrad H. The rate controlling mechanism during yielding and flow of ot —Ti at temperatures below 0,4Tm.~ Acta Met. ,1966, 14,pp. 1651-1653.

47. Москаленко В.А.Исследование пластической деформации титана и титановых сплавов при низких температурах.Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд.физ.-мат. наук.-Харьков,1975,ФТИНТ, 24 с.

48. Rosenberg H.W. ,Ni>c W.D. Solid solution strengthening in Ti-Al alloys.- Met.Trans. ,1973»1»PP« 1333-1338.

49. Gissi J.L.,SchrcLdBr J.B. ,Schippereit G.H.Hardness of singleлcrystals of high puritu oC-Ti.-Trans.AIME, 1958,212,pp.360-361.

50. Ogden H.R. ,Maykuth D.J. ,PInXay . Mechanicalproperties' •£ high pmrlti Ti-Al alloys.-Trans. AIME, 1959,197, pp.267-272.

51. Окадзаки К.,Эгути E.,Конрад Г.Кинетика деформации малолегированных сплавов титан-алюминий и титан -олово при низких температурах.-В кн:Титан.Металловедение и технология.Труды 3-й международной конф. по титану.т.I.,М.,Вилс.1977,сс.305-314.

52. Boyd I.D.,Hoadland E.G. Slip in titanium- aluminum alloys containing small Ti^Al precipitates.-In:Titanium Sci.and Techno-logy.v.2.Plenum press.N.-Y.-London,1975,pp.1071-1083.

53. Jcmes P.I.,Edington I.V/. The low temperature deformation behaviour of the intermetallic compound TijSn.-Ibid,pp.1085-1095.

54. Lui T.S.,Steine*berg M.A. Twinning in single crystals of Ti.-J.Metals,1952,4, 1045-1044.

55. Garde A.M.,Reed—Hill R.E.The importance of mechanical twinning in the stress-straine behaviour of swaged high purity fine-grained Ti below 424 K.-Met.Trans.,1971»2,pp.2885-2887.

56. Lederich R.J.,Sastry S.M.L.jO'Heal J.E.,Rath B.B. The effect of grain size on yield stress and work hardening of polycry-stalline titanium at 295 К and 575 K.-Mater.Sci.and Eng.,1978, 33,Ы 2>pp.183-183.

57. Hasegav.ra A. ,Nishimura T. ,0ktani S.The texture hardening of titanium and its alloys sheets.-ibid,pp. 134-9-1363.

58. Бэлк Дж.Количественный рентгеноспектральный микроанализ сложных сплавов.-В сб:Физические основы рентгеноспектрального анализа. М. ,"Наука",1973.сс.248-259.

59. Cass T.R.,Quinn R.W.,Spencer W.R.Growth of hexagonal titanium and titanium-aluminum single crystals.-J.of Crystal Growth,1968,2,Кб,pp i 4-13-4-16.

60. Guyoncourt D.M.M.,Crocker A.G.Trie deformation twinning mode of crystalline mercury.-Acta Met. , 1968,16,N4,pp.323-534.

61. Таока Ш.,Furubayashi Е. ,Takeuchi S."Gonio-Microscope"and its metallurgical applications.-Jap.J.Appl.Phys.1965,4,H2,120-128.

62. Агеев H.B.,Бабарэко А.А.,Бецофен С.Я.Описание текстуры методом обратных полюсных фигур.-Изв.АН СССР,Металлы,1974,М,сс.94-98,

63. Morris P.D.Reducing the effect of nonuniform pole distribution in inverse pole studies.-j.Appl.Phys., 1959>j50>pp.595-600.

64. Уманский Я.С.Рентгенография металлов и сплавов.-М.,Металлургия, 1969,-496 с.

65. Вильсон А.Оптика рентгеновских лучей.-под.ред В.И.Ивероновой, М.,ИД.,1952.-144 с.

66. Кохановская А.Изменение тонкой структуры молотого кобальта.-Чехословацкий физический журнал.1955,5,№2,сс.201-213.

67. Уоррен Б.Рентгенографическое изучение деформированных металлов. -В сб:Успехи Физики металлов.М.,Металлургиздат,1963,сс.172-237.

68. Ю1.Миркин Л.И.Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов .-М.,Физматгиз,1961.-863 с.

69. Металлография титановых сплавов. -М., "Металлургия", 1980 г., 464 с.

70. Агеев Н.В.,Рубина Е.Б.,Бабарэко А.А., Бецофен С.Я., Бунин Л.А. Характеристики пластической деформации и разрушения сплавов 'Jf-JU-ift, и Ui-M-V ПРИ низких температурах. -ШМ,, 1979, 48, № 3, 594 601 .

71. Бунин Л.А., Колачев Б.А., Бецофен С.Л., Дьячков В.Д.О связи прочности титановых конструкций со свойствами деформирован ных полуфабрикатов. Цветные металлы, 1983, Jffi, 95 - 98.