автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Комбинированное упрочнение титанового сплава ВТ6 и 3D модель его структурного строения

На правах рукописи

НЕСТЕРОВ ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОМБИНИРОВАННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 И ЗО МОДЕЛЬ ЕГО СТРУКТУРНОГО СТРОЕНИЯ

Специальность

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

Москва-2015

005568846

005568846

Работа выполнена на кафедре «Технология и автоматизация обработки материалов» Ступинского филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Защита диссертации состоится 16 апреля 2015 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 220А. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, МАТИ.

Факс (499)141-9595; skvorcovasv@mati.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ и на сайте http://mati.ru/index.php/18-nauka/657-nesterov-pavel-anatolevich.

Автореферат диссертации разослан 25 февраля 2015г.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный

деятель науки РФ

Носов Владимир Константинович

Официальные оппоненты - Шаталов Валерий Константинович,

доктор технических наук, профессор, Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», заведующий кафедрой

Плотников Андрей Дмитриевич,

кандидат технических наук, ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева», начальник отделения

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Ученый секретарь диссертационного Совета

Скворцова С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Совершенствование современной техники неразрывно связано с применением материалов с высокими конструкционными свойствами, обладающих высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и эксплуатационной надежностью. Такому уникальному сочетанию свойств удовлетворяют титановые сплавы, без применения которых немыслимо развитие наукоемких высокотехнологичных отраслей химического машиностроения, энергетического машиностроения, авиационной и ракетной техники. Титан и его сплавы используют в промышленности и, прежде всего, в аэрокосмической технике более полувека. Однако техника не исчерпала их потенциальные возможности, а достигнутый уровень свойств и эксплуатационный ресурс не удовлетворяет растущие требования.

Упрочнение титановых сплавов достигается легированием элементами замещения и термомеханической обработкой (ТМО), включающей пластическую деформацию и термическую обработку. Основные механизмы упрочнения титановых сплавов разделяют на внутризеренные и межграничные. Внутризеренное упрочнение учитывает сопротивление движению дислокаций в теле зерна и включает: твердорастворное, субзеренное, дислокационное, дисперсионное и текстурное. Зернограничное основывается на торможении движущихся дислокаций границами зерен и описывается эмпирическим соотношением Холла-Петча. Научные положения разработки термомеханических режимов обработки (ТМО) нашли отражение во многих работах, при этом выделяют особую роль зернограничного упрочнения и способы формирования в поликристаллическом титане и его сплавах субмикро- и наноструктурного строения. Для обоснованного выбора компонент упрочнения конкретного сплава и соответствующей разработки ТМО необходим анализ их эффективности с количественной оценкой отдельных механизмов упрочнения и их суммарный вклад в общее скомбинированное упрочнение. В качестве модели комбинированного упрочнения может быть использовано соотношение Холла-Петча, выражающее линейную аддитивность зернограничного и внутризеренного упрочнений, путем создания широкой гаммы модельных сплавов различного фазового состава с использованием водородной технологии титановых сплавов.

Возможности водородной технологии в формировании ультрамелкозернистой

гетерофазной структуры в условиях деформации водородосодержащих титановых

сплавов при пониженных температурах и управлении размером зерна, фазовым составом,

морфологией фаз при последующем вакуумном отжиге позволяют кроме решений чисто

Г ¡3

прикладных задач наметить пути комбинированного упрочнения с количественной оценкой отдельных механизмов упрочнения, их взаимосвязи и суммарного вклада.

Другим важным аспектом теории и практики материаловедения является пространственное представление поликристаллического строения металлов и сплавов, актуальность которого наиболее полно изложена С.А. Салтыковым, К.С. Чернявским, обоснована Дж. Кристианом, Дж. Мартином и Р. Доэрти. Оно обусловлено, прежде всего, тем, что только пространственное представление о структурном строении металлов и сплавов позволяет достоверно установить форму, места, последовательность зарождения и заполнения вторых фаз на дефектах кристаллического строения, качественно и количественно описать истинное структурное строение гомогенных и гетерогенных металлических материалов, расширить понимание физической природы формирования и преобразования объемной структуры в процессах пластической деформации, термической обработки и эксплуатации изделий.

Изложенное определяет актуальность настоящей диссертационной работы, связанной с изучением закономерностей комбинированного упрочнения широко применяемого а+Р-титанового сплава ВТ6 и разработкой ЗО модели его структурного строения.

Цель диссертационной работы состояла в установлении закономерностей влияния фазового состава и среднего диаметра а-зерна на механические свойства листовых заготовок сплава ВТ6, полученных в условиях теплой прокатки с использованием обратимого легирования водородом, оценки вклада различных механизмов упрочнения в общее упрочнение сплава и разработке ЗО модели его структурного строения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить закономерности влияния температурно-скоростных условий деформации и фазового состава на сопротивление деформации водородосодержащего сплава ВТ6.

2. Оценить влияние начальной концентрации водорода и режимов вакуумного отжига листовых заготовок сплава ВТ6 на фазовый состав и средний диаметр а-зерна.

3. Исследовать с использованием в качестве физической модели соотношение Холла-Петча закономерности влияния фазового состава и среднего диаметра а-зерна на механизмы упрочнения листовых заготовок сплава ВТ6.

4. На основе термодинамических и стереометрических условий пространственного формирования металлических гетерофазных систем разработать 30 модель структурного строения а+р-титанового сплава ВТ6. Научная новизна работы

1. Показана взаимосвязь упрочняющего и разупрочняющего влияния легирования водородом сплава ВТ6 с образованием и изменением объемной доли (3-, а2- и 5-фаз при испытаниях на сжатие в интервале температур 500-900°С .

2. Установлена закономерность влияния исходного и конечного фазового состава водородосодержащего сплава ВТ6 на средний размер а-зерна при одно- и двухступенчатом вакуумном отжиге.

3. Установлена закономерность влияния фазового состава и среднего диаметра зерна на механические свойства листовых заготовок сплава ВТ6, проведена оценка вклада различных механизмов упрочнения в общее упрочнение с использованием соотношения Холла-Петча.

4. Расширены научные представления о принципах формирования объемного структурного строения и обозначены основные стереологические и стереометрические параметры двухфазных структур в равновесном состоянии на примере пластически деформированного в а+р-области и рекристаллизованного сплава ВТ6.

5. Установлено соотношение между объемным диаметром зерна и его плоскостным отображением для однофазной 0=1,5350 и двухфазной а+Р-структур 0=1,45с!а.

Теоретическая и практическая значимость

Разработаны режимы наводороживающего отжига и пластической деформации, обеспечивающие как максимальный эффект снижения деформирующих усилий, так и формирование гетерофазной а+Р+а2+5-структуры сплава ВТ6 с глобулярной а -фазой.

Разработана ЗО модель структурного строения а+р-сплава ВТ6 с объемной долей Р-фазы 10 и 15% в равновесном состоянии в виде «сборного тетракайдекаэдра», состоящего из изолированного многогранника кристаллита а-фазы в форме усеченного по вершинам и ребрам тетракайдекаэдра и непрерывного армирующего оболочкового каркаса р-фазы, дополняющего объем «усеченного тетракайдекаэдра» кристаллита а-фазы до объема тетракайдекаэдра.

Доказана справедливость соотношения Холла-Петча для геторофазной а+Р- и а+р+а2-структуры листовых заготовок сплава ВТ6 с межграничными аа, рр и межфазными ар поверхностями для объемного диаметра а-зерна.

Количественно описано пространственное строение однофазной а полиэдрической структуры в форме тетракайдекаэдра и двухфазной a+ß в форме «сборного тетракайдекаэдра» стереологическими параметрами удельных межграничных и межфазных поверхностей с различным диаметром зерна в микро, субмикро и наноструктурном масштабных уровнях.

Теоретические и экспериментальные положения, разработанные в кандидатской диссертации используются при освоении производства новых деформированных полуфабрикатов ОАО «Ступинской металлургической компанией», и в учебном процессе для подготовки бакалавров по направлению 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов» и специалистов по специальности 150601.65 «Материаловедение и технология новых материалов».

Основные положения, выносимые на защиту

Систематические исследования влияния фазового состава, объемного соотношения и химического состава фаз на сопротивление деформации сплава ВТ6 легированного водородом; величины a-зерна на механические свойства его листовых заготовок и разработка 3D модели структурного строения позволили сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности, отражающие влияние фазового состава, объемного соотношения фаз и прочностных свойств каждой из фаз на сопротивление деформации широкой гаммы модельных сплавов с a+ß-, a+ß+a2- и a+ß+a2+5- сплавов, полученных при легировании сплава ВТ6 водородом.

2. Описание с использованием соотношения Холла-Петча комбинированного упрочнения сплава ВТ6 от межграничной прослойки ß-фазы, твердорастворного и дисперсионного a-фазы, количественную оценку вклада каждого из механизмов.

3. 3D модель структурного строения титана, a-твердых растворов и a+ß-сплава ВТ6 в равновесном состоянии с 10 и 15% объемной доли ß-фазы.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на 5 научных конференциях: Международная конференция «Ti-2009 в СНГ», 2009, Одесса, Украина; Научно-техническая конференция «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники, посвященная 100-летию со дня рождения С.З. Бокштейна, ФГУП ВИАМ, 2011, РФ, Москва; Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» - НМТ-2012, НМТ-2013, Москва, MATH; III международная научно-практическая конференция «Научные перспективы XXI века, 6

Достижения и перспективы нового столетия», Россия, г. Новосибирск, 2014.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 92 наименований. Материал диссертации изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 48 рисунков и 11 таблиц.

Основное содержание работы

В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрены принципы легирования и фазовый состав титановых сплавов, дана характеристика сплава ВТ6. Рассмотрены механизмы упрочнения, потенциально реализуемые в титановых сплавах и сплаве ВТ6. В качестве базовой модели, количественно отражающей вклад различных механизмов упрочнения в общее упрочнение сплава, принято эмпирическое соотношение Холла-Петча от=а^-куА'т. Рассмотрены влияние величины зерна на прочностные и пластические характеристики титановых сплавов, методы измельчения зерна в титановых сплавах.

Приведены данные по эффективности применения водорода в качестве временного легирующего элемента при пластической деформации различного класса титановых сплавов. Приведена информация о температурно-концентрационных диаграммах фазового состава водородосодержащего сплава ВТ6, о механизмах благоприятного влияния легирования водородом на повышение пластичности и сопротивление деформации. Проанализированы имеющиеся литературные данные об упрочнении и разупрочнении растворенным водородом а- и (3- фаз титановых сплавов в процессе пластической деформации. Обобщены результаты работ по термоводородной обработке (ТВО) титановых сплавов, сочетающей в различной последовательности обратимое легирование титановых сплавов с термической обработкой и пластической деформацией. Показано, что рациональный выбор схемы ТВО и режимов обработки позволяет получать в титановых сплавах субмикрокристаллическую структуру с регламентированной структурой и заданным уровнем технологических и эксплуатационных свойств. Сделан вывод о целесообразности применения обратимого легирования водородом в сочетании с пластической деформации для повышения технологичности и эксплуатационных свойств титановых сплавов.

Проведен анализ известных данных по пространственному структурному строению одно- и гетерофазных сплавов, а так же последовательность заполнения и роста фаз на дефектах кристаллического строения. Рассмотрены критерии термодинамической устойчивости полиэдрической структуры. Приведены стереологические параметры определяющие свойства сплава, зависящие от дисперсности его строения, характеризующие относительный уровень свободной энергии и термодинамическую устойчивость отдельных фаз сплава.

На основе проведенного литературного обзора сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования. Исследования проводили на образцах из сплава ВТ6 с содержанием 6,1% алюминия, 4,3% ванадия и 0,006% водорода по массе, вырезанных из прутков и листовых полуфабрикатов.

Образцы для испытаний на сжатие 010x13мм изготавливали из катаного прутка 014мм сплава ВТ6 с глобулярной структурой, средним размером а-зерна da=ll мкм. Легирование водородом до заданных концентраций С„ = 0,1; 0,3; 0,5; 0,7 и 0,9% осуществлялось на установке Сивертса термодиффузионным способом в среде высокочистого водорода, полученного разложением гидрида титана. Количество поглощенного образцом водорода определяли по изменению давления водорода в замкнутой системе с известным объемом и контролировали по изменению массы образца после наводороживания на аналитических весах BJIA-200M с точностью до ±0,0001 г. Прокатку листовых заготовок осуществляли на лабораторном прокатном стане ДУО 250 без подогрева валков до толщины 2мм с суммарным обжатием >80%. Вакуумный отжиг катаных листовых заготовок осуществляли в вакуумной печи Вега-7 с глубиной вакуума 1-10"4 Па. Контроль остаточного содержания водорода после вакуумного отжига проводили спектральным методом. Содержание водорода после в/о не превышало 0,004%. Термическую обработку в воздушной атмосфере проводили в электропечах СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4 (до 900°С) с воздушной атмосферой.

Испытания на сжатие проводили в изотермических условиях без смазки на испытательной машине FP-100 при температурах 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900°С и начальными скоростями деформации ¿0 =5-10"2с"', ¿0 =5-10"3с"' и ¿0 =510"V. Сопротивление деформации оценивали удельным усилием сжатия qi=Pi/Fi.

Испытания на растяжение листовых образцов осуществляли на универсальной испытательной машине FP-100 при нормальной температуре. Механические свойства: 8

временное сопротивление разрыву (ав), условный предел текучести (а0,2), верхний (атв) и нижний (<гтн) пределы текучести, относительное удлинение (8) и относительное сужение (v|i) определяли согласно ГОСТ 1497-84.

Микроструктурный анализ проводили на оптических микроскопах Neophot-21 и Neophot-ЗО при увеличении до 1000 крат. Объекты для микрострукурнях исследования готовили по известным методикам с применением цифровой фототехники. Оценку размеров а-зерна выполняли методом подсчета пересечений границ зерен в автоматизированной системе векторной графики. Ошибку измерения среднего диаметра зерен расчитывали при доверительной вероятности 90%. Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-4 в фильтрованном СиК0-излучении.

Компьютерное 3D моделирование, визуализацию построения пространственной модели, необходимые измерения и расчеты выполнены в программном комплексе твердотельного моделирования SolidWorks Education Edition.

Разработка трехмерной модели структурного строения сплава базируется на стереометрическом и термодинамическом положениях. При 3D моделировании в качестве кристаллита принят изолированный полуправильный четырнадцатигранник в форме тетракайдекаэдра Кельвина. Размеры всех кристаллитов принимали равными, а их форму независящей от кристаллографической ориентировки.

На первом нижнем уровне 3D моделирования структурное строение однофазной однородной структуры включает: кристаллит (а-зерно) в форме усечённого октаэдра (тетракайдекаэдра) Кельвина (рисунок 1а) и межкристаллитные зоны (границы зёрен) с кристаллографической толщиной кратной межатомному расстоянию титана 8а=паа, где оа=2,9х10"4мкм межатомное расстояние, п коэффициент кратности. Из равных тетракайдекаэдров формировали заполняющую пространство упаковку (ЗПУ) (рисунок 16) произвольными сечениями которой

а)

б)

Рисунок 1. - Кристаллит однофазной равновесной структуры в форме тетракайдекаэдра (а), заполняющая пространство упаковка (ЗПУ) (б).

иллюстрировали разнообразие форм и размеров многоугольников - полигонов, получаемых обычно на плоскости металлографического шлифа.

Третья глава посвящена исследованию влияния водорода на фазовый состав и микроструктуру сплава ВТ6, зависимостей удельного усилия сжатия от степени деформации сплава ВТ6, легированного водородом.

Микроструктура прутка 014мм с исходным содержанием водорода С„=0,006%Н представлена первичной а'-фазой со средним диаметром зерна с!а=11 мкм, р-фазой и дисперсной вторичной а"-фазой в объеме Р-фазы. В микроструктуре прутка с Сн=0,3%Н заметно увеличивается объемная доля водородосодержащей Р-фазы.

Изменение объемной доли каждой из фаз, их химического состава с повышением концентрации водорода неоднозначно влияют на сопротивление деформации. Общая закономерность влияния температуры и концентрации водорода на Я; в различных фазовых областях отражена в «зависимости удельного усилия сжатия сплава ВТ6 при степени деформации е = 10% и скорости деформации ¿0 = 5 10"4с"' от концентрации водорода» в интервале температур 500-900 °С (рисунок 2).

С изменением скорости деформации существенных изменений в характере зависимостей удельного усилия сжатия сплава ВТ6 от концентрации водорода не происходит.

Температура наводороживающего отжига, прокатки и гетерогенизирующего отжига при 1=700°С соответствуют на диаграмме «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводороживаю-щего отжига» а+р- области сплава с 0,006-0,3%Н, а+р+а2- области сплава с 0,5-0,9%Н и превышает температуру начала статической рекристаллизации а-фазы в а- и псевдо а-

титановых сплавах (■£" = 600°С). По данным

рентгеноструктурного анализа при комнатной температуре в интервале Сн=0,006-0,3%

Рисунок 2. - Зависимость удельного усилия сжатия сплава ВТ6 при степени деформации е = 10% и скорости деформации е0= 5■ 10"4с"' от концентрации водорода: 500°С (1); 550°С (2); 600°С (3); 650°С (4); 700°С (5); 800°С (6); 900°С (7).

количество р-фазы возрастает с 9 до 31%, а фазовый состав представлен двухфазной а+Р-структурой. Дальнейшее повышение концентрации водорода до 0,5 и 0,7%Н сопровождается снижением количества Р-фазы до 25 и 14 % соответственно, и формированием гетерофазной (а+а2)+(аэ+8)+Р-структуры. У сплава с 0,9%Н на дифрактограммах отражений от ОЦК-решетки Р-фазы не обнаружено. Уменьшение количества р-фазы, т.е. снижение р-стабилизируещего действия водорода с повышением его содержания, равносильное снижению его концентрации в сплаве, обусловлено перераспределением водорода в другую фазу с более высокой его растворимостью. Такой фазой является а2-фаза. Растворимость водорода в ней даже при комнатной температуре достигает 0,6 %Н против 0,3 %Н в Р-фазе. Образование в сплаве с Сн>0,3 %Н а2-фазы, преимущественное в ней растворение водорода, уменьшение объемной доли р-фазы , в совокупности с упрочнением растворенным водородом а- и р-фаз приводят к общему росту удельных усилий сжатия (рисунок 2). Снижение интенсивности упрочнения сплава при повышении содержания водорода от 0,7 до 0,9 %Н не только при температуре 700 °С, но и при температурах 650 и 800 °С и усиление развития динамических процессов деформационного разупрочнения связано с обеднением а-твердого раствора алюминием, при образовании а2-фазы, и, как следствие, с более полным протеканием процессов динамической рекристаллизации.

Температура испытаний 500°С соответствует а+р-области сплава с С„=0,006-0,2%Н, а+а2+Р-области сплава с С„=0,3-0,5%Н и а+а2+Р+8-области сплава с С„=0,7-0,9%Н, лежит ниже температуры начала статической рекристаллизации а-фазы (600°С) и температуры равнопрочное™ а- и Р-фаз. Деформация при этой температуре контролируется более прочной и более пластичной Р-фазой, а увеличение ее объемной доли определяет рост с повышением С„. Дальнейшее повышение содержания водорода в сплаве сопровождается образованием а2-фазы, а при С„>0,3% 8-гидрида, что в совокупности и определяет монотонный рост удельных усилий сжатия с повышением содержания водорода в сплаве (рисунок 2).

В интервале температур 550-900°С и интервале содержаний водорода в сплаве 0,0060,9 % минимальные значения удельного усилия сжатия у сплава с 0,3 % Н и сохраняются при всех степенях деформации. Максимальные значения qi у сплава с 0,9 %. В условиях теплой деформации при 700°С в целях максимального снижения усилий деформирования наиболее целесообразно легирование 0,3%Н. Эта концентрация водорода стабилизирует

11

максимальное количество Р-фазы в сплаве и в наибольшей степени снижает удельные усилия сжатия по сравнению со сплавом с исходным содержанием водорода 0,006%Н с 209 до 99,6 МПа при £=10% и с 183,5 до 91 МПа при е=40%. Для получения гетерофазной а+а2+р-структуры с целью измельчения а-зерна до субмикрокристаллических размеров и повышения прочностных свойств в процессах пластической деформации и последующего вакуумного отжига предпочтительнее интервал Сн=0,5-0,9%Н. При этих концентрациях водорода, несмотря на некоторый рост удельных усилий сжатия с повышением Сн, их значения при всех степенях деформации и в условиях теплой деформации (600-700°С) не превышают удельных усилий сжатия сплава с Сн=0,006%Н.

Анализ зависимостей Яг£0 свидетельствует, что с уменьшением начальной скорости деформации сопротивление деформации снижается. Максимальные значения коэффициента скоростного упрочнения у сплава с 0,006 и 0,3 %Н

соответствуют ¿о=5 10"4с"1 и имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры. Сплав с 0,5 и 0,7% водорода и а+а2+Р-фазовым составом в интервале температур 750-850 °С характеризуется меньшим, чем сплав с 0,3 % водорода скоростным упрочнением. Максимальное значение т=0,39 у сплава с 0,5 % водорода при температуре 900°С с однофазной р-структурой.

Четвертая глава посвящена использованию обратимого легирования водородом в сочетании с теплой прокаткой для измельчения размера структурных составляющих, формирования гетерофазной структуры в сплаве ВТ6, а также возможности использования для сплава с а+Р-структурой соотношения Холла-Петча с оценкой вклада зернограничного упрочнения р-фазой и внутризеренного а2-фазой для количественной оценки внутри- и межзеренного упрочнения сплава ВТ6.

Микроструктура листовых заготовок сплава ВТ6 с начальной концентрацией водорода Г,7=0,006% после прокатки с температуры нагрева 900°С и вакуумного отжига при 600°С представлена глобулярной первичной а'-фазой со средним размером 5,9мкм, мелкодисперсной вторичной а"-фазой. Легирование сплава водородом, прокатка с температуры нагрева 700°С и последующий вакуумный отжиг при 600°С формируют в заготовках структуру с максимальным размером отдельных частиц первичной а'-фазы 2,1; 1,3 и менее 1 мкм для начальных концентраций водорода 0,3; 0,5 и 0,7% соответственно. При достижении температуры начала дегазации в течение достаточно длительного цикла дегазации снижение содержания водорода в сплаве уменьшает

термодинамическую стабильность Р-фазы и она претерпевает неполное р—>а превращение при непрерывно снижающемся в ней содержании водорода. Выделяющуюся из водородосодержащей Р-фазы вторичную дисперсную а-фазу, обедненную по сравнению с первичной а'-фазой алюминием и обогащенную ванадием, обозначают как адег, т.е. образовавшуюся при распаде водородосодержащей Р-фазы в процессе дегазации. Различие химического состава первичной а1- и дегазированной адег-фазы у водородосодержащих заготовок сплава ВТ6 после прокатки и вакуумного отжига при 600°С в течение 7ч. с С£ч=0,3; 0,5% выражается вначале в асимметрии дифракционных максимумов, отвечающих а-фазе, а затем их раздвоении при С/,"''=0,7%. Образование упорядоченной а2-фазы у сплава с С^ч=0,7% подтверждается наличием сверхструктурных рефлексов (10.1) с дифракционным максимумом в медном излучении при 0=13°8'.

На следующем этапе исследовали термическую стабильность структур, полученных после в/о при 600°С в течение 7ч. Для этого проведен двойной в/о по трем режимам. Первая ступень для всех четырех режимов включала в/о при 600°С в течение 7ч. с последующим охлаждением с печью. Вторая ступень включала в/о при 650°С в течение 5ч. для первого режима, в/о при 750°С в течение 5 ч. для второго, вакуумный отжиг при 850°С в течение 5ч. - для третьего.

Зависимость среднего диаметра зерна первичной а1-фазы листовых заготовок сплава ВТ6 от начальной концентрации водорода и режима вакуумного отжига иллюстрирует графическим представлением закономерности уменьшения размера а-зерна при исследованных режимах в/о (рисунок 3).

с1а< мкм

Рисунок 3. - Зависимость среднего диаметра зерна первичной а'-фазы листовых заготовок сплава ВТ6 от начальной концентрации водорода и режима вакуумного отжига:

1) 600°С, 7 ч.; 2) 600°С, 7 ч. + 650°С, 5 ч.;

3) 600°С, 7 ч. + 750°С, 5 ч.;

4) 600°С, 7 ч. + 850°С, 5 ч.

Усиление диффузии легирующих элементов замещения сплава (алюминия и ванадия) при повышении температуры в/о до 750°С в уже дегазированных заготовках на первой ступени в/о формирует в заготовках со всеми исследованными начальными концентрациями водорода двухфазную а+р+адег-структуру с нескоагулированной вторичной дегазированной адег-фазой размером не более 1мкм. В совокупности эти факторы приводят к укрупнению первичной а'-фазы с сохранением тенденции ее уменьшения с повышением СцЧ и растворению интерметаллидной а2-фазы с сохранением химической неоднородности а'-фазы по содержанию алюминия. Толщина прерывистой прослойки Р-фазы не превышает 1 мкм. Повышение температуры второй ступени двойного в/о до 850°С приводит к дальнейшему росту первичной а'-фазы. Размеры первичной а'-фазы у заготовок с Сд ч=0,7% после двойного в/о отжига 600°С,7ч.+850°С,5ч. соизмеримы с размерами ее частиц после одинарного в/о - 600°С, 7ч. у заготовок с С„ 4=0,006%.

Сочетание различных начальных концентраций водорода Сцч и режимов вакуумного отжига с теплой прокаткой позволяет получать в листовых заготовках сплава ВТ6 гетерофазную структуру с размером зерна первичной а'-фазы от 14 до 1 мкм с межграничной более прочной субмикрокристаллической прослойкой Р-фазы, с субмикрокристаллическими выделениями вторичной а"-фазы, а при низких 600-650 °С температурах в/о и с образованием упорядоченной а2-фазы.

Зависимость предела текучести от среднего размера зерна первичной а'-фазы (рисунок 4) иллюстрирует решающее влияние <3„ и фазового состава на прочностные свойства сплава ВТ6. У сплавов с С/Г = 0,006 и 0,3 % зависимости стт - <1а"'/2 накладываются и описываются соотношением Холла-Петча, характеризуя совместное влияние ст-гр - твердорастворного упрочнения однородного а-твердого раствора алюминием и ванадием, а также сг3 - упрочнение, вносимое границами а-зерен и граничными прослойками р-фазы.

Сравнение внутризеренного упрочнения а-твердого раствора сплава Т1-6А1 и сплава ВТ6 свидетельствует, что дополнительное твердорастворное упрочнение от легирования а-фазы ванадием невелико Аа,=32МПа и равнозначно легированию а-твердого раствора 1% мае ванадия. Наличие межграничной прослойки Р-фазы в 2,5 раза усиливает интенсивность зернограничного упрочнения, характеризуемого коэффициентом ку, сплава ВТ6 с Сцч 0,006 и 0,3 % по сравнению со сплавом Т1-

6А1. Максимальное упрочнение от совместного действия внутризеренного упрочнения однородного а-твердого раствора и зернограничного упрочнения у сплава с С"^ч=0,3 % достигается при 0а=2,1мкм после вакуумного отжига при 600°С и составляет ат" =1102 МПа.

Повышение Cjf4 до 0,5 и 0,7% формирует при температурах в/о 600 °С, 7 ч. и 600 °С, 7 Ч.+650 °С, 5 ч. гетерофазную (а'+а2)+р+адег-структуру с образованием в первичной а'-фазе упорядоченной сь-фазы и увеличивающимся с повышением С'н' объемом дисперсной адег-фазы. При температурах второй ступени в/о 750 и 850°С происходит неполное разупорядочение сс2-фазы, а'-фазы и адег-фазы характеризуются различным содержанием алюминия. Наличие в структуре после второй ступени в/о 750 и 850 °С двух а-фаз разного химического состава: первичной а'-фазы и дегазированной адег-фазы; приводит к общему повышению предела текучести с повышением Сдо 0,5 и 0,7 % при равновеликой величине зерна da < 2,5 мкм. Одновременно возрастает а, до 860МПа у сплава с С™4 = 0,5 % и до 911 МПа у сплава с С™4=0,7 % и снижается интенсивность зернограничного упрочнения до значений характерных сплаву Ti-6A1 C'/f''=0,006 % (рисунок 4), у которого эффективность зернограничного упрочнения определяется только протяженностью aa- границ.

От,МПа

500 100 50

10

2,5

1,5

1200

5

Рисунок 4. - Зависимость предела текучести сплава Т1-6А1 (1) и сплава ВТ6 (2-5) от среднего размера а-зерна и начальной концентрации водорода:

1.Ti-6Al,

2. Cg" = 0,006%;

3. Снач= 0,3%;

4. С{?4 = 0,5%;

5. Снач = 0,7%.

о

10

15

20

25

30 do1'2, ш-

У двухфазного а+Р-сплава ВТ6 с С^34 0,006 и 0,3% использование соотношения Холла-Петча позволяет выделить два основных механизма упрочнения: твердорастворное от легирования алюминием и ванадием и зернограничное, включающее суммарный вклад от межзеренных а/а-границ и межграничной прослойки Р-фазы. Твердорастворное упрочнение а-фазы сплава ВТ6 по отношению к техническому титану Асттр=694-400=294МПа, а зернограничное - сплава ВТ6 с С£ач=0,3 % при с!а=5мкм До3=930-685=245МПа, т.е. соизмеримо с твердорастворным упрочнением от легирования а-твердого раствора сплава алюминием и ванадием, а при с!а=2,1мкм существенно его превышает Дс3=1057-694=363МПа. В условиях настоящего эксперимента у сплава с С™ч=0,3%, когда выполняется соотношение Холла-Петча с параметрами С| и ку близкими сплаву с Снач=0,006%, минимальная величина первичного а'-зерна За=2,1мкм достигается после одинарного в/о 600 °С,7 ч. и двойного в/о 600 °С, 7 ч. + 650 °С, 5 ч. Дальнейшее уменьшение с незавершенным процессом рекристаллизации у сплава с С^ач=0,5 и 0,7 %, после тех же режимов в/о не приводит к заметному росту <зт.

Пятая глава посвящена разработке трехмерной модели структурного

строения а+Р~ титанового сплава ВТ6. На основе термодинамического условия достижения

монокристаллом равновесной формы с минимумом свободной поверхностной энергии и

16

б) в)

Рисунок 5. - Изолированный неправильный многогранник а-фазы в форме «усеченного тетракайдекаэдра» (а),непрерывный каркас [3-фазы (б), произвольное сечение ЗПУ на основе «сборного тетракайдекаэдра» двухфазного сплава ВТ6 с объемной долей р-фазы Ур=0,1 в трехмерном пространстве и условными РР-границами.

стереометрического - полного заполнения пространства предлагается трехмерная модель структурного строения а+р-титанового сплава ВТ6 с объемной долей Р-фазы 10 и 15%. Полиэдрическая пространственно ориентированная модель представлена в форме «сборного тетракайдекаэдра», включающего кристаллит а-фазы в форме усеченного по вершинам и ребрам тетракайдекаэдра (рисунок 5а) и непрерывный армирующий оболочковый каркас Р-фазы, дополняющий объем «усеченного тетракайдекаэдра» кристаллита а-фазы до объема тетракайдекаэдра (рисунок 56). При этом на первом нижнем уровне моделирования полагается, что «усеченный тетракайдекаэдр» и «каркас Р-фазы» представляют собой сплошную, однородную, изотропную, деформируемую среду.

Простая регулярная упаковка поликристаллической пространственно-ориентированной равновесной а+р-структуры сплава ВТ6 с основной компонентой в форме «сборного тетракайдекаэдра» предполагает наличие рр-границ в местах их стыка. Однако в случае отсутствия РР-границ каркас р-фазы может быть представлен как монокристаллический пространственно-ориентированный в поликристаллической равновесной а+Р-структуре сплава ВТ6.

Трехмерная модель позволяет отобразить при заданном плоском ее сечении замкнутого объема полиэдрической равновесной двухфазной а+р-структуры с изолированным многогранником в форме «сборного тетракайдекаэдра» такие частные элементы в ЗПУ как вершины, ребра «усеченного тетракайдекаэдра» а-зерна и «каркаса Р-фазы», а также многообразие в плоскостном отображении форм и размеров а-зерна, оболочкового «каркаса р-фазы», ар-, аа- и рр- граничных поверхностей (рисунок 5в). При этом следует различать внутренние и внешние по отношению к «сборному тетракайдекаэдру» граничные поверхности.

Понятно, что нарушение непрерывности объемного каркаса р-фазы при рассечении ЗПУ произвольными плоскостями общего положения в совокупности с разнообразием ее форм и размеров в плоскостном отображении не допускает какого-либо аналитического соотношения объемной доли, форм и размеров р-фазы между трехмерным ее строением и двухмерным отображением. Полигоны а-зерна в произвольных сечениях ЗПУ, как результат плоскостного сечения трехмерной полиэдрической структуры с изолированным многогранником а-фазы в форме «усеченного тетракайдекаэдра», представляют собой различные многоугольники. Соответствие средних размеров а-зерна в трехмерной Оа и двухмерной с1а моделях оценивали по произвольным сечениям для

трех размеров а-зерна Оа = 2.5, 5, 10, 20 мкм. Соотношение между средним размером а-зерна в трехмерной модели и в произвольных её сечениях общего положения составило 0„ = 1,45с1а. Данное соотношение справедливо для всех заданных величин среднего размера а-зерна трехмерной модели.

Результаты расчетов стереологических параметров пространственной структуры однофазной полиэдрической структуры в форме тетракайдекаэдра и двухфазной в объеме «сборного тетракайдекаэдра» с различным И в микро-, субмикро- и наноструктурном

Рисунок 6. - Зависимость удельных межграничных поверхностей 8/У и объемов Угр/У от диаметра вписанной сферы тетракайдекаэдра для равновесной однофазной полиэдрической структуры титана и а-титановых сплавов (а), и зависимость объемной доли межфазных Уар и межграничных Уаа , Урр составляющих сплава ВТ6 от величины зерна с Ур=0,1 и 0,15, при толщине межграничных аа, )3р и межфазных ар прослоек равных двум межатомным

расстояниям (б).

Из проведённых расчётов следует, что удельные межграничные поверхности Б/У и объёмы Угр/У гомогенной равновесной полиэдрической а-структуры возрастают с уменьшением размера действительного зерна О и характеризуются в координатах ^ 8/У ~ ^ О и ^ Угр/У - ^ О линейной зависимостью (рисунок 6а). Удельная поверхность Б/У изолированного многогранника тетракайдекаэдра резко возрастает с уменьшением Б и, если в ультрамелкозернистом материале при 0=Юмкм, отвечающего условиям реализации сверхпластической деформации, это отношение 0,67, то при нанометрическом размере зерна 0=100нм и 0=1 Онм увеличивается соответственно до 67 и 670. Результаты расчётов свидетельствуют, что аналогично изменяются и удельные

межграничные объёмы Угр/У. Так при толщине межграничной прослойки, оцениваемой в два межатомных расстояния п=2 и значениях 0=10; 0,1 и 0,01 мкм, Угр/У составляет 3,88-10"4; 3,88-10"3 и 38,8-10"' мкм"'. Это означает, что при 0=10нм и толщине межграничной прослойки 5а=0,58нм объёмная доля межграничной прослойки составляет 38,8%, а при том же 0=10нм и и=5 (5а=1,45нм) - 97,1% (рисунок 6а).

Аналогичные результаты получены нами при 30 моделировании структурного строения а+р - титанового сплава ВТ6 с 10% объёмной долей Р - фазы, у которого даже при условной расчётной толщине межкристаллитной аа(РР) и межфазной ар прослойке, равной одному межатомному расстоянию а- и р — фаз, суммарная удельная объёмная доля межфазных Уар/У и межграничных Уаа/У и Урр/У составляет 28,7%. При толщине межкристаллитных и межфазных прослоек равных двум межатомным расстояниям их суммарная удельная объёмная доля у сплава ВТ6 с Ур =0,1 возрастает до 76,5%, а у сплава с Ур=0,15 до 81,5% (рисунок 66).

Предложенная модель структурного строения а+р-титанового сплава ВТ6, как полиэдрической пространственно ориентированной гетерофазной системы, включающей кристаллит а-фазы в форме «усеченного тетракайдекаэдра» и непрерывный армирующий оболочковый «каркас Р-фазы», дополняющий объем усеченного тетракайдекаэдра а-фазы до полуправильного многогранника - тетракайдекаэдра содержит ряд допущений, свойственных классическому термодинамическому методу Гиббса - Вульфа достижения условий равновесной формы с наименьшей свободной поверхностной энергией. Это, безусловно, накладывает определенные ограничения на теоретически рассчитанные равновесные формы. Однако, на сегодняшний день только термодинамические законы позволяют приблизить системы к состоянию равновесия и судить о направлении и изменении процессов, определяющих микроструктурное состояние однофазных и гетерофазных сплавов.

Представление зависимости от - Оа с установленными в настоящей работе соотношениями размера а-зерна в двух- и трехмерной модели свидетельствует, что соотношение Холла-Петча выполняется с некоторыми отличительными особенностями. Коэффициент 0[ характеризующий внутризеренное упрочнение а-фазы вследствие ее твердорастворного упрочнения алюминием и ванадием при С"" =0,006 и 0,3 %Н, комбинированное упрочнение вследствие твердорастворного ее упрочнения и дисперсионного от образования интерметаллидной а2-фазы при С""4 =0,5 и 0,7 %Н, остается неизменным как для объемного размера а-зерна Оа в трехмерной модели, так и

19

для полученного методом секущих на плоском металлографическом шлифе (1а. У коэффициента ку, характеризующего эффективность зернограничного упрочнения, с переходом от плоскостного к объемному размеру а-зерна создается видимость усиления при тех же значениях предела текучести вследствие повышения численных значений объемного размера а-зерна по отношению к плоскостному и соответствующего изменения масштаба Эа по оси ординат.

Основные выводы по работе

1. Экспериментально по результатам испытаний на сжатие водородосодержащего сплава ВТ6 с глобулярной структурой в а+р-, а+а2+р- и а+а2+р+5- фазовых областях расширены представления о конкурирующем влиянии фазового состава, количественного соотношения фаз, их морфологии и прочности на сопротивление деформации. Максимальный эффект снижения сопротивления деформации достигается в температурно-концентрационных (Т-Сн) условиях наибольшего содержания менее прочной и более пластичной р-фазы. В температурно-концентрационных условиях образования интерметаллидной а2-фазы протекают два конкурирующих процесса. Первый - это повышение сопротивления деформации сплава вследствие ее образования, упрочнения Р-твердого раствора растворенным водородом, сопровождающегося снижением количества р-фазы с повышением содержания водорода в сплаве. Второй - это снижение сопротивления деформации сплава, обусловленное обеднением а-твердого раствора алюминием при образовании а2-фазы.

2. Установлены основные закономерности влияния обратимого легирования водородом, режимов теплой прокатки и режимов вакуумного отжига на формирование гетерофазной а+Р- и а+а2+Р-структуры и средний диаметр а -зерна в листовых заготовках сплава ВТ6.

3. Показана возможность использования соотношения Холла-Петча для сплава ВТ6 с а+Р- и а+а2+р-структурой. Установлена зависимость предела текучести сплава от среднего диаметра а-зерна и проведена количественная оценка раздельного вклада зернограничного упрочнения прослойкой р-фазы и внутризеренного упрочнения от образования интерметаллидной а2-фазы в общее упрочнение сплава. У сплава с а+Р-структурой выделены два механизма упрочнения: твердорастворный от

легирования алюминием и ванадием и зернограничный, включающий суммарный вклад от межзеренных а/а-границ и межграничной прослойки р-фазы. Внутризеренная а2-фаза при общем упрочнении сплава в интервале среднего диаметра а-зерна 10-2,5 мкм снижает эффективность зернограничного упрочнения.

4. На основе термодинамического условия достижения монокристаллом равновесной формы с минимумом поверхностной энергии и стереометрического - полного заполнения пространства предложена трехмерная модель структурного строения а+Р-титанового сплава ВТ6 с объемной долей Р-фазы 10 и 15%. Полиэдрическая пространственно ориентированная модель представлена в форме «сборного тетракайдекаэдра», включающего кристаллит а-фазы в форме усеченного по вершинам и ребрам тетракайдекаэдра и непрерывный армирующий оболочковый каркас Р-фазы, дополняющий объем «усеченного тетракайдекаэдра» кристаллита а-фазы до объема тетракайдекаэдра. Нарушение непрерывности объемного каркаса Р-фазы при рассечении ЗПУ произвольными плоскостями общего положения в совокупности с приведенным разнообразием ее форм и размеров в плоскостном отображении не позволило установить какого-либо аналитического соотношения объемной доли, форм и размеров р-фазы между трехмерным ее строением и двухмерным отображением.

5. Обозначены и рассчитаны стереологические параметры, характеризующие соотношения внутренних и внешних по отношению к «сборному тетракайдекаэдру» кристаллита а-фазы межграничных аа, РР и межфазных аР поверхностей и объемов. Установлена зависимость объемного диаметра а-зерна с его плоскостным отображением и показана выполнимость соотношения Холла-Петча у сплава ВТ6 с объемным диаметром а-зерна.

6. Представление в качестве основной компоненты, образующей полиэдрическую структуру сплава ВТ6 «сборный тетракайдекаэдр», состоящего из кристаллита менее прочной и менее пластичной а-фазы в форме «усеченного тетракайдекаэдра» и объемного непрерывного армирующего каркаса из более пластичной и более прочной р-фазы, заполняющего локально ребра вершины и кристаллита а-фазы, объясняет более высокую прочность и пластичность сплава ВТ6 по от ношению к сплаву И6А1.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Носов, В.К. Влияние начальной концентрации водорода и режимов вакуумного отжига на структуру, фазовый состав и механические свойства листовых заготовок сплава ВТ6. Часть 1. Влияние начальной концентрации водорода и режимов вакуумного отжига на фазовый состав и средний диаметр а-зерна сплава ВТ6. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, O.A. Поляков, Ю.Ю. Щугорев, H.A. Грачев. // Известия высших учебных заведений «Цветная металлургия». № 4. Москва. 2012. С. 58-63.

2. Носов, В.К. Влияние начальной концентрации водорода и режимов вакуумного отжига на структуру, фазовый состав и механические свойства листовых заготовок сплава ВТ6. Часть II. Влияние фазового состава и величины зерна на механические свойства листовых заготовок сплава ВТ6. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, O.A. Поляков, Ю.Ю. Щугорев, H.A. Грачев. // Известия высших учебных заведений «Цветная металлургия». № 6. Москва. 2012. С. 42-47.

3. Носов, В.К. Трехмерная модель микроструктурного строения a+ß - титанового сплава ВТ6. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, O.A. Поляков. // «Материаловедение». №4. 2014. С. 21-27.

4. Носов, В.К. Влияние фазового состава и температурно-скоростных условий деформации на напряжение течения водородсодержащего сплава ВТ6. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, Ю.Ю. Щугорев. // «Деформация и разрушение материалов». № 12. 2014. с. 38-43.

Статьи, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень ВАК РФ и материалы научных конференций.

5. Нестеров, П.А. Влияние обратимого легирования водородом и с теплой листовой прокатки на структуру, фазовый состав и механические свойства сплава ВТ6. / П.А. Нестеров, O.A. Поляков, Ю.Ю. Щугорев, E.H. Рыбанцова. // М.: Новые материалы и технологии НМТ-2012. МАТИ. 2012. С.74-75.

6. Носов, В.К. Комбинированное упрочнение листовых заготовок сплава ВТ6 при обратимом легировании водородом. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, O.A. Поляков. // Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, Вып. 19(91). М.:. ИЦ «МАТИ». 2012. С. 29-31.

7. Щугорев, Ю.Ю. Сопротивление деформации сплава ВТ6 легированного водородом. / Ю.Ю. Щугорев, П.А. Нестеров, A.B. Шалин. // Научные труды (Вестник МАТИ). 2013. № 20 (92). С. 40-45.

8. Носов, B.K. 3D модель структурного строения титановых сплавов. / В.К. Носов, П.А. Нестеров, Е.И. Ермаков. // Международный Научный Институт "Educatio". № 3. Новосибирск. 2014. С. 101-106.