Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на свойства титанового сплава с небольшими добавками в-стабилизаторов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на свойства титанового сплава с небольшими добавками в-стабилизаторов

31.10.2020

В последние годы широкое распространение получил метод высокотемпературной термомеханической обработки (BTMO), позволяющий существенно повысить прочностные и пластические свойства сталей и сплавов, в том числе и сплавов на титановой основе. Из сплавов на основе титана BTMO подвергаются, как правило, сплавы с двухфазной структурой, содержащие в сумме от 5 до 17% в-стабилизирующих элементов. Это связано со значительным упрочнением указанных сплавов в результате термической обработки (закалка+старение).

В настоящее время в судостроении находят применение титановые сплавы, легированные p-стабилизирующими элементами в количестве, незначительно превышающем их растворимость в a-фазе, вследствие чего упрочнение таких сплавов в результате термической обработки незначительно и составляет 3—6 кгс/мм2. Полуфабрикаты, изготовляемые из этих сплавов, в большинстве случаев имеют крупнозернистую структуру. Влияние режимов BTMO на механические свойства сплавов этой группы не исследовалось He оценивалось также и влияние исходной структуры на свойства титановых сплавов после ВТМО. Однако известно, что исходная структура предопределяет свойства двухфазных сплавов титана после упрочняющей термической обработки.

В связи с этим целью настоящей работы являлось исследование влияния режимов BTMO в (а+в)-области на механические свойства титанового сплава с небольшими добавками в-стабилизатора с различной исходной структурой, а также изучение некоторых факторов, влияющих на сохранение свойств металла после BTMO.

Материал и методика исследования


Материалом для работы служили пластины производственной поставки толщиной 46 мм из титанового сплава, содержащего 5,2% Al и 2,4% V. Заготовки прокатывались в температурном интервале 950—90°С на толщину 27 мм, после чего часть заготовок отжигалась при 900° в течение 2 часов с охлаждением на воздухе, остальные отжигались по режиму: нагрев до 1100°, выдержка 10 минут, охлаждение с печью до 900°, затем — на воздухе

Для удаления образующегося при прокатке и термической обработке газонасыщенного слоя пластины строгались с 2 плоскостей до толщины 22 мм. Механические свойства определялись на металле образцов, взятом из участков вдоль направления проката. Свойства определялись на разрывных пятикратных образцах с диаметром рабочей части 5 мм и ударных образцах типа Менаже.

Механические свойства исследуемого сплава в мелкозернистом (низкотемпературный отжиг) и крупнозернистом (высокотемпературный отжиг) состояниях приведены в табл. 1, а характерные микроструктуры на рис. 1.
Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на свойства титанового сплава с небольшими добавками в-стабилизаторов

Деформация при BTMO осуществлялась прокаткой на лабораторном стане ДУО-250 в одном направлении; при этом степень деформации 20% достигалась за 2 прохода, 45% — за 4 прохода. После прокатки следовал немедленный перенос пластины в закалочный бак с водой. Время переноса не превышало 2 секунд Изучение микроструктуры сплава после BTMO производилось на оптическом и электронном микроскопах при увеличениях в 300, 600 и 11 000 раз. Искажения кристаллической решетки a-фазы, возникающие в процессе деформации при ВТМО, оценивались по изменению физического уширения линии (010), величина которого определялась на установке УРС 50И в медном а-излучении с использованием никелевого фильтра. Микротвердость зерен a-фазы замерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Влияние ВТМО на механические свойства сплава с мелкозернистой и крупнозернистой структурами


Из табл. 2 следует, что BTMO при температуре 950° обеспечивает получение наилучшего сочетания прочностных и пластических свойств данного сплава. Кроме того, в отношении технологичности эта температура также более благоприятна. Поэтому в дальнейшем все исследования по влиянию BTMO в (а+в)-области на механические свойства и структуру сплава проводились при 950°.

Увеличение степени деформации приводит к росту прочностных и пластических характеристик сплава по сравнению со свойствами после обычной закалки (рис. 2). Так, в результате BTMO со степенью деформации 45% предел текучести сплава увеличился с 78,8 до 82 кгс/мм2, относительное сужение — с 34,2 до 47,2%, относительное удлинение — с 14.8 до 18,1 %, ударная вязкость менялась незначительно.


Из зависимости величины физического уширения линии (010) a-фазы от степени деформации при BTMO (рис. 2) следует, что наряду с ростом прочности увеличивается ширина линии (010) a-фазы, что свидетельствует об увеличении степени искажения кристаллической решетки a-фазы в результате деформации при ВТМО.

На основе данных работы можно считать, что искажения кристаллической решетки в-фазы, образующиеся при деформации, уничтожаются при последующем полиморфном превращении.

Следовательно, увеличение ширины линии (010) a-фазы связано в основном с сохранением наклепа в ее зерне. С этим частично связано, по-видимому, и увеличение прочностных характеристик сплава в результате ВТМО.

Как известно, общую пластичность сплава, получаемую при испытании на растяжение, можно разделить на равномерную и сосредоточенную части, имеющие различный физический смысл.

Как следует из рис. 3, увеличение общей пластичности сплава в результате ВТМО происходит главным образом за счет роста ее сосредоточенной части, величина которой зависит от имеющихся в материале дефектов или от их накопления и развития в процессе пластической деформации. Исследование микроструктуры сплава показало, что деформация перед закалкой способствует значительному измельчению и утонению игл образующейся а'-фазы (рис. 4). Уменьшается также и величина зерна первичной a-фазы. Указанные изменения, способствующие образованию более однородной структуры, очевидно, и являются причиной увеличения сосредоточенной части относительного сужения, а отсюда и общей пластичности сплава после ВТМО.

Старение сплава после ВТМО, в результате которого происходит распад аперв+а—>аперв+авт+в, приводит к дальнейшему повышению прочностных характеристик сплава (рис. 2). Так, в результате ВТМО со степенью деформации 45% предел текучести сплава равный 82 кгс/мм2 после последующего старения повышается до 92,3 кгс/мм2. Относительное удлинение и ударная вязкость сплава в результате старения практически не меняются, несколько снижается относительное сужение (на 1—2,5 абс. %).

Для исследуемого сплава с крупнозернистой структурой в исходном состоянии характерна большая неоднородность протекания пластической деформации, чем у мелкозернистого материала (рис. 1). Вследствие этого значения пластичности и предела текучести крупнозернистого материала значительно ниже, чем у сплава с исходной мелкозернистой структурой (табл. 1). С увеличением степени деформации при ВТМО прочностные характеристики сплава с крупнозернистой структурой существенно повышаются, практически достигая значений прочности сплава в мелкозернистом состоянии. Пластичность крупнозернистого материала после BTMO хотя и увеличивается значительно, но все же остается существенно ниже, чем у сплава с исходной мелкозернистой структурой (табл. 3).

Анализ микроструктуры сплава в крупнозернистом состоянии после BTMO и обычной закалки свидетельствует о том, что изменения структуры в основном аналогичны изменениям, происходящим в сплаве с мелким зерном: раздробляются пластины а'-фазы. Следовательно, улучшение в результате BTMO прочностных и пластических характеристик сплавов с крупнозернистой и мелкозернистой структурой вызвано од ними и теми же причинами.

Влияние некоторых факторов на сохранение эффекта от ВТМО


Как отмечается в работах, большое значение при BTMO приобретает пауза, т. е. время после окончания деформации до закалки

Увеличение перерыва после окончания деформации до закалки приводит к падению прочностных и пластических характеристик, особенно относительного сужения (табл. 4). Уменьшение прочностных характеристик сплава, по видимому, связано с развитием рекристаллизационных процессов, о чем свидетельствует уменьшение микротвердости зерен и фазы и возрастание значений wравн (табл. 4) с увеличением времени выдержки перед закалкой. Наблюдаемое при увеличении паузы уменьшение общей пластичности сплава связано только с уменьшением величины сосредоточенной части пластической деформации (табл. 4).

Как отмечается в работах, величина зерна может существенным образом влиять на сосредоточенную часть пластической деформации; увеличение размеров зерен неизменно приводит к падению wcocp.

Изменение микроструктуры сплава (рис. 5) свидетельствует о том, что увеличение паузы приводит к существенному укрупнению зерен первичной a-фазы, которое происходит как вследствие развития рекристаллизационных процессов, так и вследствие увеличения количества а-фазы в процессе выдержки за счет частичного распада а'-фазы, Кроме того, увеличение паузы перед закалкой вызывает также и укрупнение продуктов распада а'-фазы.


Рост зерен первичной a-фазы и укрупнение продуктов распада а'-фазы, по-видимому, и являются причиной падения пластичности сплава в результате выдержки перед закалкой.

Повторный высокотемпературный нагрев сплава после BTMO и старения полностью снимает эффект термомеханической обработки (табл. 5).

В результате такого нагрева наклепанные зерна a-фазы, по-видимому, рекристаллизуются, о чем свидетельствует также увеличение wравн, одновременно происходит значительное укрупнение продуктов распада а'-фазы (рис. 6), что и приводит к указанному изменению механических свойств сплава.

Выводы


1. Высокотемпературная термомеханическая обработка при 950° с относительно небольшими степенями деформации позволяет значительно улучшить механические характеристики сплава Ti+5,2% Al+2,4% V. Установлено, что возрастание прочностных свойств сплава после BTMO в (а+в)-области объясняется сохранением наклепа зерен первичной a-фазы, а увеличение пластичности (в основном ее сосредоточенной части) — измельчением и утонением пластинок а'-фазы, а также измельчением зерна первичной а фазы.

2. Независимо от исходной структуры BTMO приводит к увеличению прочностных и пластических свойств исследуемого сплава, однако пластичность сплава с исходной мелкозернистой структурой все же остается существенно выше, чем пластичность сплава в крупнозернистом состоянии.

3. Увеличение времени перерыва после окончания деформации до закалки снижает эффект BTMO исследуемого сплава. Уменьшение прочностных характеристик связано, видимо, с развитием рекристаллизационных процессов; уменьшение пластичности обусловлено укрупнением продуктов распада а'-фазы и ростом зерен первичной a-фазы вследствие развития рекристаллизационных процессов, а также увеличением количества а-фазы.

4. Высокотемпературный нагрев сплава после BTMO и старения полностью снимает эффект термомеханической обработки.

5. Учитывая, что титановые сплавы обладают сравнительно низкой прокаливаемостью, необходимо проведение дальнейших работ по изучению влияния BTMO на свойства листов больших толщин из сплавов титана.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: