Закономерности формирования структуры и физико-механических свойств титана при температурном воздействии

На правах рукописи

Кунгурцев Максим Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ  ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ  
И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТИТАНА  
ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

 

 

Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Белгород – 2012

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

 

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:	доктор физико-математических наук, профессор  Камышанченко  Николай Васильевич
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:	Павленко  Вячеслав Иванович доктор  технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова, директор ИСМиТБ   Лопатин Николай Валерьевич  кандидат технических наук,   Белгородский государственный национальный исследовательский университет научный сотрудник  лаборатории объемных нано-структурных материалов
	Тамбовский Государственный   Университет им. Г.Р. Державина

 

Защита состоится « 13 » сентября 2012 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.015.04 при ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет». Адрес: 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85.

С диссертацией можно  ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет».

 

Автореферат разослан  «    » _______ 2012 г.

 

 

Ученый секретарь 

диссертационного совета                                  Беленко В.А.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность темы: Одной из задач материаловедения является изучение зависимостей между составом, строением и свойствами материалов, а также закономерностей их изменения под воздействием внешних факторов.  Решение этого вопроса, кроме чисто научного интереса, представляет собой еще и важное практическое значение, так как понимание закономерностей физических процессов, протекающих в материалах, позволяет достичь значительного прогресса в области разработки новых материалов с улучшенными потребительскими свойствами.

Представленные в последние  годы в научной литературе материалы  исследования свойств титана и его  сплавов, полученные в процессе механического, термического и других способов воздействия, говорит о том, что интерес к данному металлу и его свойствам актуален, а проведенное интенсивное изучение физико-механических возможностей далеко не достаточно. Востребованность титана  в различных отраслях промышленности требует достоверных знаний о поведении его физических,  механических, химических свойств в требуемом диапазоне температур.  Большое влияние на свойства материала оказывают его макро- и микроструктура. Именно поэтому исследование закономерностей формирования структуры титана марки ВТ1-0 в результате воздействия температуры в широком диапазоне и влияния её на электрические и механические свойства представляет собой как научный, так и практический интерес.

 

 

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления НИУ БелГУ «Создание упроченного состояния металлов путем программного физико-механического воздействия».

 

 

Целью настоящей  работы является изучение закономерностей формирования структуры титана на примере сплава ВТ1-0, полученной в результате температурного воздействия в диапазоне 550 – 1100^оС, и её влияния на физико-механические свойства.

 

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Изучение закономерностей формирования структуры и особенностей структурно-фазовых превращений в титановом сплаве ВТ1-0 при отжиге в диапазоне 550-1100^оС.

2. Изучение влияния структуры, полученной в процессе отжига, на механические свойства титана ВТ1-0.

3. Исследование характеристик электропроводности титана ВТ1-0, прошедшего термическую обработку в диапазоне 550-1100^оС.

4. Проведение комплексного анализа влияния температуры нагрева при отжиге на структуру, механические свойства, электросопротивление, акустическую эмиссию и релаксацию напряжений с целью определения оптимального режима термообработки титана ВТ1-0, способствующего восстановлению физико-механических свойств при β→α превращении.

 

 

Научная новизна  полученных результатов:

1. Впервые на примере титана ВТ1-0 обнаружено, что структура, сформированная в процессе отжига выше температуры полиморфного превращения, приводит к проявлению аномального поведения зависимости механических и физических свойств (акустико-эмиссионных характеристик и удельного электрического сопротивления).

2. Установлено, что отжиг титана при температуре выше температуры полиморфного превращения приводит к снижению степени неоднородности внутренних напряжений, о чем свидетельствует релаксационная зависимость в этой области температур отжига.

3. На основе результатов исследований влияния структуры, полученной в процессе отжига при температуре ниже и выше температуры полиморфного превращения, на физико-механические свойства, определен оптимальный режим обработки, способствующий восстановлению механических свойств изделий из титанового сплава ВТ1-0.

4. По данным комплексного исследования структуры (электронной просвечивающей микроскопии, акустической эмиссии и удельного электрического сопротивления) определена температура отжига выше температуры полиморфного превращения, способствующая образованию дислокационной структуры и связанных с ней физико-механических свойств, аналогичных полученным при отжиге ниже температуры полиморфного превращения.

 

 

Основные положения  диссертации, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные о влиянии температурного воздействия в диапазоне 550-1100^оС на структуру титана ВТ1-0.

2. Результаты исследования влияния температуры отжига на релаксационные свойства титана ВТ1-0.

3. Результаты исследования влияния структуры титана, полученной в процессе отжига в широком диапазоне температур, на механические свойства, удельное электрическое сопротивление и релаксацию напряжений.

4. Способ температурного воздействия на структуру, способствующий восстановлению физико-механических свойств при β→α превращении.

 

Теоретическая значимость:

Экспериментальные результаты по исследованию эволюции структуры в процессе отжига  и ее влияния на физико-механические свойства титана ВТ1-0 способствуют расширению представлений о процессах, протекающих в материале в процессе эксплуатации.

 

 

Практическая  значимость:

1. Результаты исследований дают возможность выработать предложения для установления режимов эксплуатации и восстановления механизмов, изготовленных из технически чистого титана.

2. На основе полученных в работе результатов по исследованию влияния температуры нагрева на структуру и физико-механические свойства титана предложен способ  возвращения физико-механических характеристик к исходному значению после термомеханического воздействия в процессе изготовления или восстановительных работ.

 

 

Степень достоверности результатов

Достоверность экспериментальной  части работы основана на получении результатов с помощью современных и апробированных методов исследований, включающих методики просвечивающей электронной микроскопии, стандартные методы механических испытаний. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием взаимодополняющих, комплексных методов исследований, статистической обработкой результатов экспериментов и сравнением экспериментальных результатов с имеющимися данными, известными на сегодняшний день в научной литературе.

 

 

Личный вклад  автора

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема экспериментальных и теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе, включающих: подготовку объектов исследования, проведение экспериментов, обработку результатов исследований, участие в разработке методик проведения экспериментов и обсуждение полученных результатов, подготовку материалов для статей и докладов.

 

Апробация результатов  работы:

Основные результаты проведенных исследований докладывались  и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях: XVII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2009 г.); Физическое материаловедение  IV Международная школа (г. Тольятти, 2009 г.);  III международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»   
(г. Москва, 2009 г.); Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (г. Белгород,  2009 г.); XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н. Н. Давиденкова (г. Санкт- Петербург, 2010 г.); 50-й Международный симпозиум «Актуальные проблемы прочности» (Беларусь,  
г. Витебск, 2010 г.); VI Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2010 г.); XX Международное совещание «Радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, 2010 г.);  LI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Украина, г. Харьков, 2011 г.); V Международная школа «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи (г. Тольятти, 2011 г.).

 

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в том числе 5 в изданиях рекомендованных ВАК, 2 ноу-хау, 1 заявка на изобретение.

 

Объем  и  структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка использованной литературы из 112 наименований. Содержание работы изложено на 116 страницах, в 36 рисунках и 6 таблицах.

 

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность  диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна полученных результатов и практическая ценность работы.

В первой главе приведен обзор литературы, в котором рассмотрены результаты исследований ученых - металлофизиков, изучавших особенности структурных превращений титана, давших надежно обоснованные предпосылки для понимания протекающих в материале процессов.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования, методики подготовки образцов и проведения эксперимента.

В качестве материала  исследования был выбран титановый сплав технической чистоты марки ВТ1-0. На образцах в состоянии поставки экспериментально были определены основные механические параметры, микротвёрдость и удельное электрическое сопротивление (табл. 1).

Таблица 1. Свойства исходного материала

σs, МПа	σB, МПа	HV 100	Удельное электрическое  сопротивление, мкОм·см
173	318	150	126

 

Титановые прутки диаметром 6 мм были подвергнуты следующим видам механико-термической обработки. Для получения материала в мелкозернистом состоянии титановые заготовки подвергались прокатке на электромеханических вальцах “ВЭМ-3 СМ” при температуре 500^оС методом пластической деформации за 8 проходов с обжатием за проход 15%.  После прокатки заготовки титана имели форму полос толщиной 1,5 мм. Величина накопленной деформации при прокатке достигала 75%. Степень деформации оценивалась по формуле:

,                                           (1)

где:  d₀ – толщина заготовки до прокатки;

d  – толщина заготовки после  прокатки.

Прокатанные по вышеописанной методике, полосы титана подвергались отжигу в вакуумной печи “СНВЭ 131/14” с остаточным давлением не ниже 10^-5 Па при температурах 550, 600, 650, 700, 850, 900, 1000, 1050 и 1100^оС в течение 60 минут с последующим медленным (1,8^оС/мин) охлаждением с печью.

После вышеописанных  видов механико-термической обработки (МТО) из полученных полосовых заготовок электроэрозионным способом на установке AQ300L вырезались образцы.

Для определения механических характеристик исследуемого титана, проводили испытание образцов на одноосное растяжение  с постоянной скоростью деформации 1,5 мм/мин на установке «Instron 3369» при комнатной температуре. Одновременно с записью диаграммы нагружения проводилась регистрация сигналов акустической эмиссии (АЭ) и измерение удельного электрического сопротивления в процессе нагружения. В эксперименте все данные снимались синхронизировано (рисунок 1).

Измерение удельного электрического сопротивления проводилось четырехзондовым  методом.  Измерительная 4-х зондовая головка прижималась пружинным механизмом к плоской полированной поверхности образца. Данные о падении напряжения на измерительных зондах поступали на цифровой нановольтметр «Agilent 34420A», который в свою очередь передавал эти данные на компьютер.

Для регистрации акустической эмиссии пьезоэлектрический датчик поджимали к торцу образца. Акустический контакт обеспечивался за счет акустической смазки. Электрический сигнал датчика АЭ, усиленный основным усилителем, регистрировался компьютером с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) L-783 с частотой дискретизации 1 МГц на каждый канал и записывался программой PowerGraph в файл.