Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Сентября 2013 в 00:31, диссертация
Целью настоящей работы является изучение закономерностей формирования структуры титана на примере сплава ВТ1-0, полученной в результате температурного воздействия в диапазоне 550 – 1100оС, 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 550-1100оС.
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 550-1100оС.
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.
Результаты электронно-микроскопических исследований
На рисунке 14 представлены типичные наблюдаемые элементы микроструктуры титана ВТ1-0, полученные с помощью электронного микроскопа «JEM-2100». Полученные результаты просвечивающей электронной микроскопии показали зависимую плотность дислокаций от температуры отжига, составляющую 2.4·108 см-2, 7.2·107 см-2, 2.8·108 см-2 при температуре отжига 550оС, 1050оС и 1100оС соответственно.
При движении обычной полной дислокации атомы последовательно переходят из одного равновесного положения в другое. Известно, что расщепление полной дислокации осуществляется на две или три состовляющие, из которых одни открываются на поверхности с образованием дефекта упаковки, а остальная часть дислокации не открывается, поскольку не меняется состояние вектора Бюргерса в ней и поэтому она продолжает давать дифракционный контраст в кристаллической структуре титана.
Следовательно, наличие дефектов упаковки свидетельствует о диссоциации дислокаций с образованием частичной дислокации, что способствует понижению энергии кристалла. Однако, если энергия дефекта упаковки в исследуемом металле велика, расщепление дислокаций на частичные энергетически не выгодно и полная дислокация сохраняется в структуре кристалла. Наличие или отсутствие частичных дислокаций и образование в процессе диссоциации дефектов упаковки позволяет утверждать о различных величинах внутренней энергии титана в зависимости от температуры отжига. Было обнаружено, что частичные дислокации отличаются не только плотностью образованных дефектов упаковки, но и их размерами, величина которых растет с повышением температуры отжига (рисунок 14).
Рисунок 14 – Микроструктура титана после отжига
при
550°С (а), 1050°С (б) и 1100°С (в)
Неравномерное изменение плотности и размеров дефектов упаковки с изменением температуры отжига позволяет предположить о сложных процессах, протекающих в кристаллическом строении в результате температурного воздействия. Прежде всего, изменяется энергия внутренних напряжений не только на границах кристалла, но и в объеме кристалла. Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Поскольку на границах зёрен атомы смещены из равновесного положения, то величина собственной энергии границ зёрен повышена. Такое состояние характерно при температуре отжига 550оС (рисунок 14, а) и при температуре 1100оС (рисунок 14, в). Однако величина внутренних напряжений каждого состояния при этом будет существенно отличной, что подтверждается не только плотностью дефектов упаковки, но и их размерами. В отожженном при 550оС титане на границе кристаллов наблюдаются дислокационные петли, образованные в основном за счет междоузельных атомов, размеры которых после отжига при 1100оС заметно уменьшаются (рисунок 14, в). Температура отжига пластически деформированного титана 550оС характеризуется развитием первичной рекристаллизации с образованием границ, куда перемещаются образованные в процессе деформации дефекты. Перемещение дефектов к границе кристалла ведет к образованию концентраторов упругих напряжений, и создаются условия для формирования дислокационных петель и полупетель в параллельных базису плоскостях. При этой температуре отжига титан имеет повышенную концентрацию точечных дефектов и имеющихся в его структуре дислокаций, дефекты упаковки находятся в условиях пресыщения. Под действием растягивающего напряжения или напряжения, создаваемого температурой, дефекты будут перемещаться к границе кристалла с образованием ступенек на дислокациях и других дефектах, таких как дислокационные петли, окантованные частичными дислокациями (рисунок 14, а). С уменьшением пресыщения точечных дефектов размеры петли уменьшаются (рисунок 14, в), полоски дефектов упаковки поглощают точечные дефекты вдоль своего края, что приводит к уменьшению ширины полосы петель вдоль границы.
В отличие от рассмотренных структур, образованных при отжиге от 550оС и 1100оС, после отжига от 1050оС плотность дефектов упаковки и других дефектов существенно снижается (рис. 14, б). Снижение плотности дефектов упаковки приводит к уменьшению внутренней энергии кристаллического строения.
В диапазоне температуры отжига 1050оС наблюдается отклонение поведения механических и электрических параметров от линейной зависимости, характерной для области температур отжига 850 - 1000оС и выше 1100оС. По величинам физико-механические характеристики титана, прошедшего отжиг 1050оС, соответствуют значениям, полученным после отжига при 550оС. Также при этой температуре отжига наблюдается аномальное поведение релаксационных параметров.
Фазовый переход – переход вещества из одной фазы в другую, сопровождающийся скачкообразным изменением каких-либо физических характеристик вещества при непрерывном изменении внешних параметров. В проведенных исследованиях обнаружены скачкообразные изменения таких характеристик вещества, как микротвердость, предел текучести, остаточного значения удельного электрического сопротивления, активности и амплитуды сигналов акустической эмиссии, релаксации напряжений, что позволяет утверждать, что наблюдаемое аномальное явление в диапазоне температуры отжига 1050оС относится к фазовому наклепу первого рода.
Очевидно, отжиг при температуре в диапазоне 1050оС способствует созданию условий, благодаря которым в объеме кристаллической структуры происходит возникновение фазового наклепа.
Наличие фазового наклепа за счет дефектов решетки способствует развитию аномального поведения электрофизических свойств титана в диапазоне 1000оС – 1100оС.
Выводы
1. По результатам исследования влияния температур отжига на структуру и связанные с ней физико-механические свойства титанового сплава ВТ1-0 определено, что отжиг выше температуры полиморфного (в области 1050оС) превращения приводит к проявлению аномального поведения зависимости механических и физических свойств (акустико-эмиссионных характеристик и удельного электрического сопротивления).
2. Отжиг титана при температуре выше температуры полиморфного превращения (1050оС) приводит к снижению степени неоднородности внутренних напряжений, о чем свидетельствует релаксационные процессы в этой области температур отжига и снижение удельного электрического сопротивления.
3. Определен режим термообработки (включающий нагрев в области 1050оС и быстрое охлаждение с последующим старением под нагрузкой), обеспечивающий повышение механических свойств изделий из титанового сплава ВТ1-0.
4. 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 ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Камышанченко,
Н.В. Исследование влияния скорости охлаждения
на структуру, физико-механические свойства
и процесс двойникования в закаленном
титане ВТ1-0 / Н. В. Камышанченко, И. М. Неклюдов,
И. С. Никулин, М. С. Кунгурцев, Е. С. Кунгурцев
//Перспективные материалы. –
2012. – №1 – C. 52-57.
2. Влияние отжига при медленном охлаждении на структуру и механические свойства технического титана ВТ1-00 / Н. В. Камышанченко, М. С. Кунгурцев, Д. П. Кузнецов, И. С. Никулин, О. А. Печерина, И. М. Неклюдов// Перспективные материалы. – 2012. - № 3 – С. 24 – 30.
3. Камышанченко, Н.В. Температурная зависимость механических свойств титана марки ВТ1-0 / Н.В. Камышанченко, И.Н. Кузьменко, И.С. Никулин, М.С. Кунгурцев, И.М. Неклюдов, О.И. Волчок // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №7 – С. 3-7.
4. Камышанченко, Н.В. Закономерности изменения микротвердости технически чистого титана, подверженного различному механико-термическому воздействию/ Н.В. Камышанченко, И. С. Никулин, Д. П. Кузнецов, М. С. Кунгурцев, И.М. Неклюдов, О.И. Волчок// Научные ведомости БелГУ. Сер. Математика, физика. – 2010. – №11(82) – вып. 19. – С. 78-87.
5. Камышанченко, Н.В. Исследование динамики двойникования в титане ВТ1-0 методом акустической эмиссии / Н.В. Камышанченко, И.С. Никулин, М.С. Кунгурцев, И.М. Неклюдов, О.И. Волчок // Перспективные материалы. – 2010. - № 5 – С. 93 – 98.
6. Камышанченко Н. В. Свидетельство №55 о регистрации в качестве ноу-хау результата интеллектуальной деятельности “Универсальная закалочная установка”/ Камышанченко Н. В., Кунгурцев М. С., Кунгурцев Е.С., Никулин И. С., 2011.
7. Камышанченко Н. В.
8. Камышанченко Н.В. Заявки на изобретение №2012119105 Способ повышения механических свойств титана марки ВТ1-0/ Камышанченко Н.В., Кунгурцев М. С., Неклюдов И.М., Кунгурцев Е.С., Никулин И. С., Дурыхин М. И.