автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Структура и свойства карбида титана переменного состава

од

На правах рукописи

Петрова Лариса Витальевна

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАРБИДА ТИТАНА ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА

Специальность 05.02.01 - "Материаловедение (по отраслям)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1996

Работа выполнена в Института проблем сверхпластичности металлов РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кайбышев О.А.

Научный консультант: кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Зарипов Н.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Карпов М.И.

кандидат физико-математических наук, Мусин Ф.Ф.

Ведущая организация: Институт струюурной макрокинетики РАН, пос. Черноголовка, Московская область

Защита диссертации состоится июня 1996 г. в 14 часов на засе-

' дании диссертационного совета К.003.98.01 при Институте проблем сверхпластичности металлов РАН.

Отзывы в двух экземплярах (заверенные печатью) просим выслать по адресу: 450001, г.Уфа, ул. Ст. Халтурина 39, ИПСМ РАН, тел.25-37-79.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "2-^иая 1996 г.

Ученый секретарь Совета, кандидат технических наук

иц

М.В.Маркушев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес, проявляемый в настоящее время к тугоплавким соединениям, особенно к фазам внедрения, связан прежде всего с возможностью их широкого применения в качестве материалов для режущего, штам-пового инструмента, для изготовления износостойких покрытий, использования их в качестве компонентов твердых сплавов. Фазы внедрения, к которым относятся карбиды переходных металлов, обладают комплексом уникальных и специфических свойств. Эти соединения характеризуются широкой областью гомогенности. Например, у карбида титана область гомогенности лежит в пределах от ТЮо,« до "ПС1.0. Дефектность по металлоиду, т.е. степень отклонения от стехиометрическо-го состава,-оказывает существенное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства карбидов переходных металлов. Поэтому всестороннее исследование физических и механических свойств соединений типа фаз внедрения (карбидов, нитридов, боридое) в зависимости от степени отклонения от стехиометрии дает возможность конструирования новых материалов с заданным комплексом свойств и структурой.

К настоящему времени исследованию фаз внедрения посвящены ряд монографий, В этих работах рассматриваются особенности кристаллической структуры фаз внедрения, термодинамические аспекты нестехиометрических тугоплавких соединений, вопросы упорядочения и разупорядочения, физико-механические и эксплуатационные свойства таких соединений. Однако в литературе отсутствуют систематические данные о взаимосвязи микроструктуры и механических свойств в этих материалах, особенно при повышенных температурах, весьма ограниченно рассмотрены вопросы, касающиеся хрупко-вязкого перехода (ХВП) и пластической деформации нестехиометрических соединений, а также действующие механизмы пластической деформации. Решение этих вопросов являются весьма важными как с научной точки зрения, так и для практических приложений.

Цель работы. Настоящая работа посвящена проведению систематических исследований деформационного поведения карбида титана переменного состава в широком температурно-скоростном интервале и выявлению закономерностей структурных изменений при деформации, а также установлению действующих механизмов деформации таких соединений.

В работе ставились и решались следующие частные задачи:

1. Изучение влияния структурных факторов и условий деформации на хрупко-вязкий переход в карбиде титана переменного состава.

2. Исследование деформационных характеристик фаз переменного состава в широком тёмпературно-скоростном интервале.

3. Изучение влияния высокотемпературной деформации на структуру таких соединений.

4. Установление действующих механизмов высокотемпературной деформации карбида титана различного состава.

5. Разработка практических рекомендаций для обработки соединений на. основе фаз переменного состава.

Научная новизна. Экспериментально установлено, что изменения размера зерен, химического состава и условий деформации позволяют управлять температурой хрупко-вязкого перехода карбида титана переменного состава. Переход карбида титана из хрупкого в пластическое состояние связан с началом действия внутризеренного дислокационного скольжения в карбидных зернах. Впервые показано, что высокотемпературная деформация, карбида титана переменного состава инициирует изменение химического состава карбидной фазы и морфологии фаз, в то время как отжиг при температурах, соответствующих температурам деформации, не приводит к существенному изменению химического состава и морфологии фаз.

На основе систематических исследований эволюции микроструктуры при высокотемпературной деформации карбида титана установлен новый механизм динамической рекристаллизации, обеспечивающий формирование мелкозернистой

«

микродуплексной микроструктуры и переход в сверхпластическое состояние.

Экспериментально показано, что деформация карбида титана переменного состава возможна лишь при совместной деформации металлической и карбидной фазы. Установлено, что в условиях сверхпластичности деформация карбида титана переменного состава происходит путем внутризеренного дислокационного скольжения и зернограничного проскальзывания по межфазным границам.

Научная и практическая значимость. Полученные результаты важны для более глубокого понимания взаимосвязи между структурой и свойствами фаз переменного состава, а также представляют интерес для дальнейшего развития ' теории пластической деформации и фазовых превращений в керамиках. На основе обобщенных данных по температурам хрупко-вязкого перехода в карбиде тита-

на различного химического состава можно установить температурные границу работы таких материалов в качестве конструкционных. Установленные температур-но-скоростные режимы деформации карбида титана с различным составом могут быть использованы для выбора режимов обработки таких материалов методами пластической деформации. Предложены режимы обработки карбида титана с большим отклонением от стехиометрического состава*для получения материалов с градиентом свойств по сечению материала.

На защиту выносятся'.

1. Результаты анализа влияния структурных параметров и условий деформации на хрупко-вязкий переход карбида титана переменного состава.

2. Данные о деформационном поведении карбида титана переменного состава при температурах выше температуры хрупко-вязкого перехода.

3. Данные о влиянии высокотемпературной деформации на фазовые превращения и морфологию фаз в карбиде титана.

4. Механизм формирования мелкозернистой микроструктуры в условиях горячей деформации карбида титана переменного состава.

5. Температурно-скоростные режимы деформации карбида титана переменного состава и способ получения материала с градиентом свойств.

Апробация результатов работ. Основные положения и результаты работы доложены Vi обсуждены на: 16-ой Всесоюзной конференции "Порошковая металлургия" (Свердловск, 1989), 4-ой Всесоюзной конференции "Сверхпластичность металлов" (Уфа, 1989), 1 -Inter. Symposium "Self-Propagating High-Temperature Synthesis" (Alma-Ata, 1991), 5-ой Всесоюзной конференции "Сверхпластичность неорганических материалов" (Уфа, 1992), 4-ой Европейской конференции-выставке по материалам и технологиям "Восток-Запад" (Санкт-Петербург, Россия, 1993), Inter. Conf. "Superplasticity in Advanced Materials" (Moscow-Ufa, 1994), Inter. Conf. "Advanced Materials and Promising Technologies- AMPT'95" (Dublin, Irelahd, 1995).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях в научных отечественных и зарубежных журналах и получены 1 авторское свидетельство и 4 патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 117 наименований. Общий объем диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, содержит 29 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы. Сформулирована ее цель и основные положения выносимые на защиту.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В начале обзора литературы дана общая характеристика керамик на основе фаз внедрения, рассмотрены их специфические особенности электронного и атомного строения. Представлен обзор работ по изучению структуры и свойств карбида титана. Анализируется равновесная диаграмма состояния Т1-С. Далее рассматриваются деформационные характеристики карбида титана переменного состава, обобщены литературные данные по исследованию хрупко-вязкого перехода в монокристаллическом и поликристаллическом карбиде титана различного химического состава. Показано, что к моменту постановки работы не выявлены влияние структурных факторов, химического состава и морфологии фаз на температуру ХВП, отсутствуют данные по влиянию скоростных режимов деформации на температуру ХВП.

Во втором разделе подробно рассмотрены имеющиеся работы по исследованию высокотемпературной пластичности и сверхпластичности керамических материалов. Показано, что при наличии субмикрокристаллической микроструктуры с размером зерен менее 1 мкм в керамике может наблюдаться переход к сверхпластическому состоянию. Отмечено, что в отдельных случаях переход в сверхпластическое состояние возможен и при размере зерен около 10 мкм. Однако детальные систематизированные исследования по данному вопросу в литературе отсутствуют. В литературе также не рассматривается вопрос о влиянии- отклонения от стехиометрии на условия проявления сверхпластичности керамик.

На основе анализа имеющихся работ сделан вывод о противоречивости сведений о механизмах высокотемпературной деформации керамик. В литературе предлагаются различные гипотезы и модели действующих механизмов деформации в условиях сверхпластичности, однако в большинстве случаев отсутствует экспериментальное подтверждение предложенных гипотез и моделей.

В заключительном разделе первой главы на основе обзора и анализа литературы сформулированы и конкретизированы задачи диссертационной работы. Дано обоснование выбора материалов для экспериментального исследования.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве объекта исследований был выбран типичный представитель карбидов переходных металлов - карбид титана, имеющий широкую область гомогенности по углероду. Исследования проводились для составов в нижней области гомогенности (САП = 0.47) и в области отношений СГП = 0,75. Контроль состава материалов проводили на основе определения параметра решетки карбида титана. Образцы были получены самораспространяющемся высокотемпературным синтезом (СВС) в специализированных реакторах с последующим силовым компактированием в процессе охлаждения. Характеристики полученных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики материалов исследований

Химическое соединение Метод по-! с!, мкм ! Параметр лучения ! | решетки,А 1 1 ■ Отноше ние Си\ Объемное содержание титановой фазы Плотность, %

ТЮо,47 | СВС 10 | 4,2901 5 0,47 ! 12 об.% 198-99 1 1

ТЮо.75 СВС | 2-3 1 4,3240 | 0,75 1 1 30 об.% 99

ТЮ0 75 I СВС I 10 | 4,3240 I ! 0,75 6 об.% 85"- 88

Выбор этих соединений позволил охватить широкую область гомогенности такого класса материалов, что дает возможность использовать полученные закономерности структурных изменений и изменений свойств для подавляющего большинства фаз внедрений, с кристаллической решеткой типа №С1.

Для решения поставленных задач применялись следующие экспериментальные методы исследований: механические испытания на сжатие и растяжение в широкой'температурной области на воздухе и в вакууме, качественный и коли-

чественный металлографический анализ, дифракционная и растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, изучение деформационного рельефа.

Деформацию массивных заготовок для получения мелкозернистого состояния проводили на испытательной машине EU-100 с максимальным усилием 1 МН. Механические испытания на сжатие и растяжение проводили на испытательных машинах фирмы "Instron" модели 1185, фирмы "Schenk" модели RMS-100 и АЛА-ТОО модели И МАШ 2078 в интервале температур 600-1200°С.

Для проведения механических испытаний на растяжение плоские образцы с размерами рабочей части 10 х 5 х 2 мм вырезались таким образом, чтобы исключить наличие областей с повышенной пористостью, которая неизбежно присутствует в карбиде титана после реакции СВС. Каждый образец металлографически аттестовывался и отбраковывались те, в которых обнаруживались поры и структурные неоднородности, что позволило существенно уменьшить разброс механических свойств. Для определения относительного удлинения до разрушения на поверхность образцов алмазной иглой наносили тонкие поперечные риски. Расстояние между ними измеряли до и после испытаний на автоматическом структурном анализаторе "Epiquant". Погрешность такого метода измерения относительного удлинения составляла - 0,5%.

При испытаниях на сжатие использовали образцы с размерами 5x5x7 мм. Перед испытаниями рабочие поверхности образцов шлифовали, на острые кромки образцов наносились фаски с целью устранения возможных концентраторов напряжений. В качестве материала бойков использовали жаропрочный сплав ЖС6У. -

При изучении механических свойств определяли следующие деформацион-: ные характеристики, которые получали из диаграмм растяжения и сжатия: максимальное относительное удлинение до разрушения 8, относительное сжатие е, условный предел прочности ств, истинное напряжение течения - a¡, истинное напряжение течения при степенях деформации 25-50% - czs и а50. На каждую экспериментальную точку испытывали не менее трех образцов. Относительные инструментальные погрешности определения ав, с0,ги 5 составили соответственно: -1,52,5%; -2,5-3%; ~ 0,1-1,5%. Благодаря предварительному отбраковыванию образцов разброс значений ов и сто,2 не превышал 5%, a ñ -10%.

Коэффициент скоростной чувствительности напряжения течения m = d(log a)/ d (log е) определяли по тангенсу угла наклона кривых log ст - log е.

Микроструктурные исследования выполнялись на оптических микроскопах "Metaval", "Neophot - 32" и растровом электронном микроскопе "JSM - 840А".

Исследование тонкой структуры проводили на фольгах в просвечивающем электронном микроскопе JEM 2000ЕХ с ускоряющим напряжением 200 кВ.

Рентгенографические исследования осуществляли на рентгеновском ди-фрактометре ДРОН - 3,0 в фильтрованном Сиа излучении. Съемку дифрактограм-мы вели в прямом и реверсивном режимах с шагом автоматического перемещения счетчика равным 0,02°. Параметр решетки определяли по центру тяжести дифракционных линий. Съемку эталонировали по линиям монокристалла кварца. Расшифровка дифрактограмм проводилась по стандартным каталогам ASTM. Подсчет параметра решетки карбидной фазы проводили с применением мини-ЭВМ "Искра" согласно специальной программе, разработанной в ЛНПО "Буревестник". Точность определения параметра решетки по этой программе составляла +0.0002А. Соотношения C/Ti были найдены с использованием градуировочного графика по параметру решетки.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ КАРБИДА ТИТАНА ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА.

В данной главе рассматривается феноменология хрупко-вязкого перехода и высокотемпературной деформации карбида титана переменного состава. При достижении определенной температуры деформации исследуемые материалы начинают пластически деформироваться - т.е. наблюдается хрупко-вязкий переход. Температурная зависимость напряжения течения сильно зависит от исходной микроструктуры, химического состава и условий деформации. Для соединений TiCo.i? (d0=1Q мкм) при деформации сжатием со скоростью деформации Е = 10'4 с"1 заметная пластичность (за критерий выбран з 5%) наблюдается начиная с температуры 700°С. До этой температуры материал разрушается хрупко, как типичный керамический материал. При увеличении скорости деформации до £ = 10° с1 температура перехода из хрупкого состояния в пластичное повышается до 750°С. Изменение схемы напряженного состояния (с сжатия на растяжение) приводит к смещению температуры хрупко - вязкого перехода в область более высоких

температур. При деформации растяжением карбид титана состава ТЮо,47 начинает пластически деформироваться только выше температуры 850°С. Изменение химического состава карбида титана ближе к стехиометрическому {отношение

от размера зерен и химического состава кар- ру хвп Мелк03ернистый кар-

реходит в пластичное состояние, начиная с температуры деформации 600°С при скорости деформации £ =10"3 с"1. При этом уровень напряжения течения оказывается гораздо ниже напряжения течения крупнозернистого состояния данного состава и даже состава "ПСо.47- Таким образом, хрупко-вязкий переход в карбидной керамике является весьма чувствительным как от параметров микроструктуры (таких как размер зерен, химический состав), так и от условий деформации (скорости деформации и схемы деформации). На основании полученных в работе данных и данных из литературы на

рис.1 представлена зависимость температуры ХВП от структурных факторов в обобщенном виде. Из этой зависимости видно, что управляя структурными параметрами можно управлять температурой хрупко-вязкого перехода.

Проведенные структурные исследования в области хрупко-вязкого перехода показывают, что при этих условиях происходит хрупкое разрушение материала по межфазной поверхности. Изучение дислокационной структуры показывает по-

С/Т( = 0,75) при той же самой крупнозернистой микроструктуре приводит к повышению температуры ХВП. В керамике состава "ПСо,75 пластичность появляется лишь после достижения температуры 800°С при скорости деформации £ =10"

Создание мелкозернистой микродуплексной микроструктуры со средним размером карбидных зерен 1,5-2 мкм резко снижает температу-

бида титана.

бид титана состава "ПС0,75 пе-

вышение плотности дислокаций в приграничных областях зерен Анализ результатов механических испытаний, микроструктурных-изменений и изучения деформационного рельефа позволяет сделать вывод о дислокационном характере пластической деформации вблизи температуры хрупко-вязкого перехода нестехиометри-ческого карбида титана.

Действие только внутризереннога дислокационного скольжения не может обеспечить большую пластичность. Для этого необходимо подключение других механизмов деформации. В работе установлено, что при повышении температуры деформации до 950°С происходит резкая активизация действия зерногранич-ного проскальзывания (ЗГП). Рассмотрение феноменологических параметров деформации при этой температуре показало, что при скоростях деформации 10"3 с'1 - Ю^с"1 коэффициент скоростной чувствительности напряжения течения т достигает 0,32, а при больших степенях деформации его значение возрастает до 0,4, пластичность до разрушения превышает 80%, наблюдается нелинейная зависимость напряжения течения от скорости деформации, характерная для сверхпластической деформации материалов.

При деформации растяжением со скоростью £ =10"3 с'1 максимальное удлинение до 'разрушения слабо зависит от температуры, в интервале температур 850-1000°С оно составляет 7-12%. При уменьшении скорости деформации до Ю^1 с'1 пластичность увеличивается до 40%.

Таким образом, результаты механических испытаний показывают, что при определенных температурно-скоростных условиях деформации карбид титана состава ЛС0А7 с исходной крупнозернистой микроструктурой имеет высокую пластичность. При этом характер зависимостей напряжения течения от скорости и степени деформации позволяют предположить, что при высокотемпературной деформации происходят структурные преобразования и возможен переход в ¿верх-пластическое состояние.

Карбид титана состава Т1С0,75С исходной крупнозернистой микроструктурой (с1о=10-12 мкм) обладает гораздо меньшей деформационной способностью, чем Т:Со,47- Пластичность более 5% наблюдается лишь после достижения температуры 800°С. Максимальная пластичность не превышает 20-30%.

"ПСо.75 с исходной мелкозернистой микроструктурой до температуры 600°С хрупко разрушается в упругой области. При повышении температуры деформэ-

Таблица 2.

Структурные параметры *ПС0,«-керамики после высокотемпературного отжига

Режимы отжига' Параметр решетки карбидной фазы, А Объемная доля титановой фазы, % Размер карбидных зерен, мкм

1000°С, 0,5 часа 4,295 12-13 10-11

1200°С, 0,5 часа 4,297 15 12

1400°С, 0,5 часа 4,305 18 13-15

зить температуру ХВП, уменьшить уровень напряжения сокую пластичность при более низкой температуре.

ции пластичность возрастает до 80-90%. Коэффициент скоростной чувствительности напряжения течения т достигает значений 0,4-0,5 при температуре 850°С.

Таким образом можно заключить, что измельчение зерен в карбиде титана позволяет значительно сни-течения и получить вы-

МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В КАРБИДЕ ТИТАНА ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА ПРИ ОТЖИГЕ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ.

С целью выяснения влияния температуры деформации на изменение химического состава карбидной фазы проводили отжиг недеформированных образцов при температурно-временных режимах деформации. Результаты измерений приведены в таблице 2.

Как видно, в процессе высокотемпературного отжига происходит лишь слабое изменение параметра решетки, что соответствует изменению химического состава карбидной фазы с ТГСо.47 до Т|С0,55. при этом объемная доля избыточной титановой фазы увеличивается с 12 об.% до 18 об.%. Это позволяет сделать вывод, что отжиг даже при значительно более высоких температурах, чем температура деформации, существенно не меняет фазовый и химический состав материала. ■ Микроструктура в процессе высокотемпературной деформации карбида титана переменного состава претерпевает существенные изменения. При сжатии при температуре 950°С в области повышенной скоростной чувствительности напряжения течения в Т|'С0,47 уже при 5-10% деформации в карбидных зернах появляются пластинчатые выделения избыточной титановой фазы, ориентированные

строго по определенным кристаллографическим направлениям. При увеличении степени деформации происходит их рост и коагуляция, они окружают отдельные участки карбидных зерен и за счет этого образуются новые мелкие карбидные зерна. При степенях деформации около 50% структуру материала можно отнести к типу "ожерелье", которая характеризуется наличием крупных карбидных зерен, окруженных цепочками мелких (1-2 мкм) зерен. При деформации е=80% структура трансформируется в структуру типа "микродуплекс" с размером карбидных и титановых зерен 1,5-2 мш.

Структурные превращения при высокотемпературной деформации Т|Со,47 сопровождаются увеличением объемной доли титановой фазы с 12% в исходном состоянии до 30% с ростом степени деформации. При этом карбидная фаза обедняется титаном за счет его диффузии из карбида, что приводит к сильному изменению химического состава карбидной фазы, достигая "ПС0.75 при степени деформации е = 80% (рис.2). Аналогично ведет себя материал при повышении температуры деформации и при деформации растяжением ТЮо,«7 керамики. Однако небольшие степени деформации (с < 40%) не. позволяют в полной мере проследить этапы трансформации микроструктуры.

Из деформационного рельефа, полученного при высоких температурах, видно, что с повышением температуры деформации наряду с внутризеренным дислокационным скольжением происходит, и активизация зернограничного проскальзывания по межфазным поверхностям. Результаты электронномикроскопи-ческих исследований показывают, что на начальной стадии деформации в карбидных зернах наблюдается рост плотности дислокаций преимущественно одной зистемы скольжения и образование дислокационных скоплений и стенок. С уве-тичением степени деформации формируются титановые пластинчатые выделе--1ИЙ по местам скоплений дислокаций и субзерен, которые в дальнейшем разделя-от участки карбидных зерен на мелкие зерна, в результате чего формируется мелкозернистая микроструктура.

Керамика на основе Т1С0.75 с исходной крупнозернистой микроструктурой с)о=10 мкм) обладает гораздо меньшей деформационной способностью, при деформации появляется ярковыраженная металлографическая текстура, наблюда-тся формирование субзеренной структуры, химический состав карбид ) не меня-тся.

В мелкозернистом "ПС0.75 при деформации на 80-90% также количество титановой фазы и химический состав карбидной фазы практически не меняются.

На основе результатов исследований микроструктуры, деформационного рельефа и дислокационной структуры в работе предложена новая схема динамической рекристаллизации в .таких материалах (рис.3). На начальной стадии деформации имеет место внутризеренное дислокационное скольжение по системе скольжения {111} <110> в благоприятно ориентированных к нагрузке крупных зернах. Такое скольжение приводит к формированию участков, ограниченных дислокационными стенками. На участках скопления" дефектов кристаллической решетки из близлежащих областей выделяется металлическая фаза. Е приграничных областях крупных зерен возможен и массоперенос по дислокацион ным границам, из исходных границ зерен; где имеется металлическая фаза. Пс мере увеличения степени деформации и появления металлических выделена этот процесс охватывает все новые зерна. В результате небольшие участки (раз мером 2-3 мкм) со всех сторон разделяются металлической фазой и происходи измельчение микроструктуры. После прохождения процесса динамической рекри сталлизации на последующих этапах горячей деформации формирование мелки зерен 'приводит к переходу в сверхпластическое состояние. При этом происходи активизация зернограничного проскальзывания по межфазным поверхностям. Нг личие межзеренной титановой фазы способствует развитию ЗГП в процесс сверхпластического течения.

Рис.2. Изменение параметра решетки карбида титана при деформации (Т=950°С, с = 10"3с"1)

Направление приложения нагрузки

Внутризеренное дислокационное Исходное состояние скольжение (система {111}<110>}

Выделение Т( по кристаллографи- Формирование высокоугловых ческим плоскостям и начало ЗГП границзерен и развитие ЗГП

Формирование структуры типа "микродуплекс" и переход в СП состояние

Рис, 3. Схема формирования микродуплексной микроструктуры при высоко-(мпературной деформации карбида титана переменного состава.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ КАРБИДА ТИТАНА ПЕРЕМЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Выбор материала с рабочей температурой в области хрупко-вязкого перехода или несколько выше позволяет обеспечить необходимую конструкционную прочность. Номограмма, представленная на рис.1, позволяет выбрать материал для рабочих температур в интервале 600-1000°С с учетом размеров зерен и химического состава

Таблица 3 обработки

Температурно-скоростные режимы. карбида титана переменного состава

карбида титана.

В таблице 3 приведены темпе-ратурно - скоростные режимы деформации и деформационные характеристики исследованных материалов, которые позволяют выбрать режимы их обработки методами пластической

деформации.

Использование карбида титана нестехиометрических составов позволяет получить материалы с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Отжиг ТГСо,47-керамики в среде активированного угля при 1450°С в течение 4 часов показал, что при этом происходит насыщение поверхностных слоев образцов углеродом и изменяется его химический состав. Значение микротвердости на гговерхности образцов составляет 28500 МПа и с удалением от поверхности до 1 мм уменьшается до минимальной величины 15000 МПа. Значение микротвердости на поверхности образцов соответствует микротвердости ТЮ,.о, а минимальное значение - составу ТГСо,47. Изменяя температуру отжига и время выдержки можно управлять толщиной упрочненного слоя.

Состав мкм Тдеф| °С е. С1 Плас- тичн., %

ТЮМ7 (Сжатие) 10-12 750-950 Ю^-Ю'4 > 80

ТЮ0.47 (Растяж.) 10-12 850-1000 ю-'-ю-4 > 40

ТЮо,75 (Сжатие) 10-12 800-1000 10'3-10'4 20-30

ТЮ0.75 (Сжатие) 1-2 600-900 10'3-10ч 80-90

Таким образом, области практического использования карбида титана не-стехиометрических составов может быть существенно расширены при учете структурных факторов и при научно-обоснованном подходе к выбору материалов для конструкционного использования.

ВЫВОДЫ:

Проведены систематические исследования хрупко-вязкого перехода и пластичности карбида титана переменного состава в широком температурно-скоростном интервале с различным набором микроструктур. На основе полученных результатов и их анализа сделаны следующие основные выводы:

1. Показано, что температура хрупко-вязкого перехода фаз переменного состава, имеющих широкую область гомогенности по углероду, зависит от их микроструктуры и химического состава, а также от условий деформации. Уменьшение размера зерен с 10 до 2 мкм снижает Т„в„ на 100°С, а при увеличении отклонения от стехиометрии с Т|Со,?5 до Т1С0|47 при одном и том же размере зерен ТХВп уменьшается на 50-100.°С. Уменьшение скорости деформации также смещает температуру хрупко-вязкого перехода в область низких температур.

2. Установлено, что переход карбида титана из хрупкого в пластическое со- • стояние наблюдается при развитии дислокационного скольжения в карбидных зернах. При уменьшении размеров зерен резкое увеличение протяженности границ оказывает решающее влияние на температуру ХВП. В этом случае переход в пластическое состояние обеспечивается при развитии зернограничного проскальзывания.

3. Карбид титана переменного состава с мелкозернистой микроструктурой

I

1роявляет высокую пластичность, не характерную для керамических материалов, а при определенных температурно-скоростных условиях деформации наблюда-отся признаки сверхпластического течения. Так, для соединения ТЮо.47 с разме-юм зерен 10 мкм при Т=950°С и скоростях деформации Ю^-Ю^с' значение ко->ффициента скоростной чувствительности напряжения течения достигает 0,4, наблюдается установившаяся стадия деформации, деформация до разрушения при >садке составляет более 80%.

4. Размер зерен является важным структурным фактором, определяющим [еформационную способность керамики. Измельчение микроструктуры приводит

к снижению температуры сверхпластической деформации. Для соединения TiC0,?a уменьшение размера зерен с 10 до 2 мкм приводит к переходу в сверхпластическое состояние при температуре 850°С.

5. Установлено, что высокотемпературная пластическая деформация керамики приводит к изменению ее химического и фазового состава. Такое влияние деформации особенно сильно выражено для материалов, состав которых находится в нижней области гомогенности. Например, при деформации TiC0,47-керамики на степень деформации 80% при Т=950°С химический состав карбидной фазы изменяется до ТЮо,75- Механизм изменения фазового состава связан с выделением титана из карбидных зерен по местам скопления дислокаций.

6. Установлено, что при горячей пластической деформации керамики переходу в сверхпластическое состояние предшествует процесс динамической рекристаллизации. Происходит измельчение микроструктуры и изменяется морфология фаз путем развития внутризеренного скольжения, выделения титановой фазы в зернах карбида титана и их коагуляции, начинается развитие ЗГП и структура трансформируется в структуру типа "микродуплекс", .что в свою очередь способствует переходу керамики в сверхпластическое состояние.

7. На основании анализа экспериментальных данных предложена схема нового механизма динамической рекристаллизации фаз переменного состава, учитывающий изменение фазового состава в результате развития пластической деформации.

8. Разработаны способы повышения пластичности керамик на основе карбида титана переменного состава. Предложены температурно-скоростные режимы обработки карбида титана давлением и установлены граничные условия структурных параметров для достижения конструкционной прочности. Показана возможность упрочнения поверхностных слоев за счет карбидизации для получения материалов с градиентом химического состава и свойств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Kaibyshev О. A., Merganov A.G., Zaripov N.G., Pelrova L.V., Efimov O.Yu. High - temperature plasticity of titanium carbide in the low area of homogeneity // Journal of Materials Shaping Technology. 1991. No 9. pp. 77-83.

2. Zaripov N.G., Petrova L.V., Kaibyshev O.A, Superplasticity of the oxygenless and oxygen ceramics produced by means of the SHS // In Abstract Book: SHS, First Inter. Symposium. 1991. p. 179.

3. Zaripov N.G., Petrova L.V., Kaibyshev O.A., Efimov O.Yu., Pityulin A.N. The role of the metallic phase in high temperature deformation of titanium carbide - based ceramics //Journal of Materials Science Letters. 1993. v. 12. No 7. pp. 502-504.

4. Кайбышев O.A., Зарипов Н.Г., Петрова Л.В., Ефимов О.Ю. Сверхпластичность оксидных и бескислородных керамик// Инж.-физ. журнал. 1993. № 5. с. 617-622.

5. Гордополов Ю.А., Зарипов Н.Г., Петрова Л.В,, Шихвердиев P.M., Кудашев P.P. Структурные характеристики карбида титана после ударно-волновой обработки во время СВС-процесса // Химическая физика. 1993. т. 12. № 11. с. 1497-1499.

6. Petrova L.V., Zaripov N.G. Superplasticity of ceramics produced by means of SHS // Proc. of EMRS 1993 Fall Meet. 4-th European East-West Conference and Exibition. 1993. p.58.

7. Zaripov N.G., Kolnogorov O.M., Petrova L.V. The phenomenon of structural superplasticity in oxygen ceramics II Proc. of Inter. Conf. Superplasticity in Advanced Mater. lCSAM-94. Mater. Sci. Forum. 1994. v.170-172. pp. 397-402.

8. Petrova L.V., Zaripov N.G. Superplasticity of the Substoichiometric Titanium Carbide // Proc. of Inter. Conf. Advanced Mater, and Prom. Techn. AMPT-95, Dublin . 1995. pp. 1-6.

9. A. c. № 1656781. МКИ4 С 22 С 29/10. Способ изготовления изделий из твердых сплавов./ Кайбышев О.А., Зарипов Н.Г., Петрова Л.В., Ефимов О.Ю.

10. Патент № 2030254. МКИ4 В 22 F 3/24. Способ изготовления изделий из твердых сплавов на основе карбидов переходных металлов. / Зарипов Н.Г., Кайбышев О.А., Петрова Л.В., Ефимов О.Ю., Боровинская И.П., Мержанов А.Г.

11. Патент № 2022711. МКИ? В 22 F 3/24. Способ получения изделий из карбидов переходных металлов./ Петрова Л.В., Зарипов Н.Г., Ефимов О.Ю., Соколов Ю.Н., Питюлин А.Н. Способ получения изделий из карбидов переходных металлов.

12. Патент № 2027549. МКИ4 В 22 F 3/24. Способ обработки заготовок из туго-члавких соединений и твердых сплавов на основе карбидов переходных метал-тов./ Петрова Л.В., Ефимов О.Ю., Зарипов Н.Г.

13. Патент № 2027550. МКИ4 В 22 F 3/24. Деформирующий инструмент, способ ;го изготовления и способ его восстановления. I Зарипов Н.Г., Петрова Л.В., Ефимов О.Ю., Богатов Ю.В. '^^JJii С/Ь^/У^