Экспериментальное исследование упругих свойств и фазовых переходов в металлах и сплавах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

УДК 53.08.4 + 534.424+539.32 На правах рукописи

ЧЕБАНОВ

Анатолий Федорович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ И ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1991

> , ; /

!'• / > -; /

Работа выполнена в Московском областном педагогическом институте им. Н. К. Крупской.

Научный руководитель — член-корреспондент АН СССР, профессор И. И. Новиков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор М. С. Блантер

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник М. А. Покрасин

Высшая организация — ЦНИИ черной металлургии им. И. П. Бардина.

Защита состоится « » _1991 г. на

заседании специализированного совета К 063.93.02 в Московском институте приборостроения по адресу: 107076 Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИП.

Автореферат разослан « » __1991 г

Ученый секретарь специализированного совета —

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник В. А. БАЛАНДИН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени. Современная наука и техника предъявляют высокие требования к разрабатывеемым конструкционным материалам, к создании материалов с такими физико-механическими свойствами, • какими не обладают стали.

Поэтому большое внимание в настоящее время уделяется созданию конструкционных материалов на основе вольфрама, молибдена, титана, циркония и других металлов. Эти металлы и их сплавы обладает ценными физико-механическими и специальными свойствами, а в некоторых случаях по сочетанию этих свойств превосходят стали.

Объектами исследования данной работы были чистый титан и его сплавы с молибденом и цирконием. Во-первых, титан и его сплавы (а среди образцов исследовался промышленный сплав АТ-2 - образец 3) имеют уникальные прочностные, коррозийные, технологические свойства и это ставит их в ряд весьма перспективных конструкционных материалов новой.техники. Это стимулирует поиск новых сплавов на основе титана. Зо-вторих, титан имеет две аллотропические модификации: d. - Ti и J3 - 7Y • Добавление легирующих элементов может снижать или повышать температуру аллотропического превращения, являясь стабилизатором с(илиJ5 фазы. К таким элементам относится молибден и цирконий, причем молибден понижает, а цирконий повышает температуру превращения. Действия- отдельных элементов изучено достаточно хорошо, а их совместное влияние на температуру превращения исследовано слабо.

Цель работы. Целью работы является:

1. Выбор и опробование метода одновременного измерения скорости продольных и поперечных волн и создание на его основе экспери -ментальной установки, позволяющей проводить исследования до темпе-ретур порядка 1300 К.

2. Проведение исследований поведения скорости распространения продольных и поперечных звуковых голн в области температур 2С0 -1300 К.

3. По полученным результатам измерения скорости продольных и поперечных волн в указанном интервале температур рассчитать модули упругости чистого титана и его сплавов с цирконием и молибденом, которые является важнейаими физическими постоянными металлов, ыиро-ко используемыми при расчетах на прочность. Модули упругости имеет также большое теоретическое значение, поскольку они тесно связана

с силами межатомного взаимодействия.

4.Изучение влияния легирующих элементов,молибдена к циркония, на поведение скорости распространения звука в интервале температур 300-1300 К и на модули упругости исследуемых титановых сплавов.

5.Попытаться обнаружить с помощью акустических методов фазовые превращения в чистом титане и его сплавах и определить температуры соответствующих фазовых переходов для построения диаграммы состояния сплавов.

Нлучная новизна.В данной работе для исследования поведения скорости звука в исследуемых материалах применен импульсный метод, позволяющий одновременно проводить измерения скорости продольных и поперечных волн.

Без сомнения.этот метод имеет большое преимущество перед раздельными метода«! измерения скорости звука,поскольку при раздельном измерении скорости продольных и поперечннх волн на одном и том же образце,подвергавшемся воздействию высоких температур,могут бить получены искаженные результаты,или необходимо иметь два образца для измерения скорости продольной и поперечной волн,а это не всегда возможно.Раздельное измерение скорости продольных и поперечных волн имеет чисто технические трудности.

Исследовашк скорости распространения звука позволили по резким снижениям скорости в узких температурных интервалах,которые интерпретируются как фазовые превращения,определить температуры этих превращений и использовать эти данные для построения диаграммы состояния титановых сплавов К ¿?г : (3:1) .поскольку в литературе нет диаграммы данного разреза.

Исследования поведения скорости распространения звука в интервале температур 300-1300 К показали,что с помощью акустического метода могло обнаружить фазовые превращения в титане и его сплавах с цирконием а молибденом,подтвердив тем самым,что акустические методы являются структурно-чувствительными методами исследования вещества.

. Полученные данные по скорости распространения продольных и поперечных волн в исследуемом интервале температур позволили рассчитать модули упругости и оценить влияние молибдена и циркония на величину упругих модулей титановых сплавов,указанного вьше разреза.

Практкчес кпя ценность Лиг ан. обладающий рядом ценных' специфических свойств:высокая удельная прочность,малая плотность,высо-

кая коррозийная стойкость и т.д., наряду со сплавам; на его основе стоит в ряду наиболее перспективных конструкционна материалов, необходимых для современного развития техники. Одним из наиболее вачсных для практического применения качества титана к ;го сплавов являются хорошие физико-мехачические свойства, в частности,упругие модули при высоких температурах. Поэтому г.сслодоег-чия упругих модулей титана и его сплавов +Х2.г.:/У<? ( о : I) в области высоких температур являются очень важными и имеют большое практическое значение.

Проведение исследования скорости распространения звука в чистом титане и его сплавах, указанного выше разреза, в интервале температур 300-1000 К позволило вывести формулы для расчета модуля упругости Е и модуля сдвига О в зависимости от температуры и концентрации легирующих элементов, пригодные для ннг.екершч расчетов.Точность вычисления Е -2 6- - Ъ% в сравнении со значениями, полученными из эксперимента.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав и содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе о2 рисунка,21 таблицу и список литкрятуры . 134 наименования.

Результаты выполненных исследований опубликованы в 3 работах. Материалы диссертации обсуждались на научкьх ио.;ференциях преподавателей.

СЦЬЩКАШЕ РАБОТЫ

Бо введении к диссертации дается краткая :-{>::«>•„-•«.»* .<к,ол-

нвнной работы с позиций актуальности темы, новизны работа и ее практической ценности. Сформулирована цель и задачи исследования, показана их актуальность.

•Первая глава посвящена структуре, электронному строению и полиморфным превращениям титана.

Проводится обзор различных моделей электронного строения переходных металлов. Показано, что общей теории электронного строения переходных металлов не создано, а рассмотренные модели описыесят лишь те или иные свойства.

Рассмотрено взаимодействие элементов при образовании твердых растворов. Показано, что такое взаимодействие на основе переходных металлов является сложным при образовании двойни растворов, не говоря о тройных, исследуемых в дачной работе. Это стимулирует исследования механизма взаимодействия компонентов при. образе зелии растворов на основе титана.

Проведен сбзор основных* положений тесряи .фазоагс г.реЕре:пс:г.:й.

Показано, что стабильность кристаллических структур обусловлена особенностями электронного строения. Рассмотрена роль электронной энтропии в стабилизации структур при высоких температурах, т.е. вклад электронов в энергию кристаллической решетки в точке фазового превращения.

Ео второй главе рассматриваются современные ультразвуковые методы исследования скорости распространения упругих волн в твердых телах, а также приводится обоснование выбора метода,пригодного для создания установки, позволяющей проводить акустические исследования структуры и свойств металлов и сплавов при высоких температурах.

Из рассмотренных методов исследования скорости распространения упругих волн в твердых телах при высоких температурах в основном используются импульсные методы. Это можно объяснить тем, что импульсные методы являются наиболее удобными и точными методами исследования в различны* средах.

' Проведение измерений скорости распространения ультразвуковых волн при высоких температурах имеет ряд особенностей. Еысокая температура полностью исключает непосредственный контакт пьезопреобрр-зователя с исследуемым образцом, так как температура пьезопреобра-зователя не должна превышать температуру Кюри, Это обстоятельство предполагает наличие промежуточной среды, исключающей непосредственный контакт пьезообразователя с исследуемым'образцом.в зоне высокой температуры. На практике это требование выполняется применением длинных образцов (~2Ь*10 из исследуемого материала.

При высоких температурах предъявляются более строгие, требования к качеству и надежности склейки пьезопреобразователя и образца. Склейка должна функционировать при любой температуре. В связи с этим возникает необходимость охлаждения участка образца с пьезопре-аб1 азователем.

Отработка технологии получения новых материалов вынуждает ис- ■ пользовать для проведения экспериментов малые образцы, поэтому при проведении исследований скорости распространения упругих волн при иысоких температурах необходимо использовать нойолытой образец из исследуемого материала и длинный промежуточный стержень-звукопровод.

Ео второй главе диссертации проводится описание экспериментальной установки и импульсного метода, выбранного с учетом изложенных пыьо особкч.-смтг-й проведения исследования скорости звука и упругих модулей исследуемых материалов при высоких температурах. В этом методе для измерения интервалов времени используется высокопрецизионная аппаратура. Это дает возможность пр/ е..)местной длине акустического пути проводить измерения скорости звука с высок. ; степенью точности.

%

Использование в данном методе системы звукопровод-образец позволяет осуществить преобразование на поверхности образца продольной волны в поперечную и использовать "отстающие" продольные волны для измерения скорости поп'еречных волн.

Образцы имели длину 50-10"^ м и диаметр 15-10"^ м, длина зву-копровода 270-10"^ м и диаметр 15Л0 м. Звукопровод изготовлен из нержавеющей стали марки 1Х16Н9Т. Непараллельность торцов образцов и звукопровода составляет 26-10~^ рад.

Акустический контакт между образцом и зпукопроводом создавался за счет соприкосновения их торцов с помощью муфты, изготовленной из молибдена.

Количество ультразвуковой энергии, передаваемой через механическое соединение, как показали исследования, лиаь немного меньше количества энергии, передаваемой из звукопровода в образец с по-мощыз связующих материалов.

Используемый в данной работе метод позволяет проводить измерения скорости распространения продольных волн с абсолютной точностью 0,2/о и скорости поперечных волн г;'.

Экспериментальная установка для исследования поведения скорости распространения ультразвуковых волн в интервале температур 300-1300 К состоит кз следующих частей:

1. Измерительной камеры и вакуумной печи.

2. Вакуумного блока.

3. Электронно-измерительного блока.

4. Блока измерения температуры.

Измерительная камера представляет собой молибденовый стакан высотой 200*10"^ м и внутренним диаметром 30-10"^ м. Толщина стенок камеры 5-10"^ м. Измерительную камеру окружает нагреватель вакуумной печи. В измерительной камере образец опирается на фигурную молибденовую опору, назначение которой также как и камеры улучшить условия нагревания образца и создать вдоль него равномерное температурное поле. В измерительной камере и печи создавался вакуум 133-10~^ н/м^, необходимый для предохранения нагревания печи, образца и контакта мевду звукопроводом и образцом от окисления.

Приборы, входящие в электронно-измерительный блок экспериментальной установки, позволяют проводить возбуждение, прием и измерение временных интервалов ультразвуковых волн в исследуемых образцах.

Линейные размеры образцов при комнатной температуре определялись с точностыэ 0,005*10"^ м. Определение размеров образцов при высоких температурах проводилось расчетным путей по известным значениям коэффициента линейного расширения для титана.

Измерение временных интервалов проводилось с точностью 0,0125-Ю-6 сек.

Температура образца в горячей зоне печи измерялась платиновой термопарой ПЛ-1. Горячий спай термопары располагался вблизи от исследуемого образца, холодные концы термопары находились при 273 К. Температура образца определялась с точностью ±1. Измерения скорости проводятся с интервалом по температуре 10°. Скорость нагрева образца равняется в среднем 1° в минуту. При проведении исследований скорости звука температура исследуемых образцов поддерживалась неизменной в течение отрезка времени, необходимого для проведения измерений, путем регулирования тока нагрева.

В третьей главе рассмотрены вопроси технологии приготовления образцов. В этой же главе результаты проведенных исследований поведения скорости распространения продольных и поперечных волн в интервале температур 300-1300 К и рассчитанные на основе отих исследо-' ваний модули упругости и коэффициент Пуассона приведены в таблицах и в виде графиков.

Б четвертой главе проводится обсуждение экспериментальных результатов.

Проведенные исследования скорости упругих волн показывают, что по характеру поведения скорости весь исследуемый температурный интервал можно разделить на два интервала: первый - от 300 К до температур ~ПОО К, второй - от 1100 до 1300 К. В первом интервале скорость упругих волн с ростом температуры уменьшается по закону близкому к линейному. Никаких особенностей в поведении .скорости упругих волн в указанном температурном интервале не обнаружено.

Во втором температурном интервале в поведении скорости продольных волн наблюдается ряд особенностей. Во-первых, необходимо отметить наличие значительных ешмпний скорости продольных волн в узких температурных интервалах во всех исследуемых образцах. Во-вторых,-в чистом титане обнаружено одно резкое снижение скорости продольных велн при температуре 1155,5 К. В-третьих, в сплавах титана, легированных цирконием и молибденом, наблюдается два снижения скорости продольных волн. Величина первого снижения у всех сплавоЕ (0,52%), а второго - (5-9$).

Для выяснения вопроса о природе резкого снижения скорости звука (о скачке скорости и упругих модулей) рассмотрена природа поли морфных превращений в металлах. Показано, что направление любых процессов определяется вторим законом термодинамики, который однозначно определяет и последовательность фазовых переходов при изменении внешних условий (температуры, давления).

В простегаем случае, когда не изменяется тип межатомной связи, - 6

степень ионизации атомов и электронное состояние, рост энтропии определяется только приращением конфигурационной энтропии. Это означает, что с повышением температуры возможны только переходы от более плотных упаковок к мене плотным, т.е. переходы с понижением координационного числа.

Показано, таким образом, что последовательность фазовых превращений при изменении внеаних условий определяется вторым законом термодинамики, а физической причиной переходов является изменение электронного состояния и энергии межатомной связи.

Показано, что изменение энтальпии, энтропии и объема при фазовом переходе перзого рода происходит скачком. Скачкообразное изменение энтальпии, энтропии и объема соответствует скачкообразному изменению твердости, прочности и упругих модулей, а также и скорости звука.

Из диаграмм состояния сплавов двойных систем ТЧ-Мо и Т|'-2г следует, что температура полиморфного превращения в чистом

титане равна 1155,5 К. По результатам акустических исследований резкое снижение скорости продольных волн в чистом титане наблюдается при 1155,5 К. Следовательно, с позиции изложенных вг.пге представлений термодинамики и физики твердого тела, обнаруженное в данном исследовании, резкое снижение скорости продольных воля в чистом титане при 1155,5 К является следствием полиморфного превращения. Температуры, при которых наблюдаются резкие снижения скорости продольных волн можно попытаться интерпретировать как температуры фазовых превращений, т.е. резкие снижения скорости объяснить наличием в исследуемых сплавах фазовых превращений.

Проведенные сравнения указанных температур показывают, что разности температур, при которых наблюдается первое снижение скорости упругих волн в исследуемых сплагах, и температур фазовых превращений типа в сплавах 7|'-2г составляют в интервале концентрации циркония 0-9 вег.%. Температура фазового превращения о'ч-о^^Д в сплаве Т(-Мо с 0,5 вес.% молибдена отличается от температуры первого резкого снижения скорости звука в исследуемом сплаве, содержащем такое же количество молибдена, на 10 К.

При концентрации молибдена 0,85 зес.£ -3 вес.%, как следует из диаграммы Т/ -МО , в двойных сплавах при температуре 300 К образуется небольшое количество р>-фази, поэтому фазовые превращения при 300 К в указанном интервале концентрации молибдена не наблюдаются, йровеети поэтому сравнение температур первого резкого снижения скорости а -исследуемых сплавах, содертэгглх 0,85-3 вес.% молибдена с температурами фазовых првврэщзниЯ

двойных сплавов с той же концентрацией молибдена не удается. Удовлетворительное совпадение температур первого резкого снижения скорости звука в исследуемых сплавах, содержащих до 9 вес.% циркония, с температурами фазовых превращений р двойных сплавов с

таким же количеством циркония позволяет сделать вывод, что указанное снижение скорости звука в исследуемых сплавах происходит вследствие фазового превращения Ы-^-оС-г^ . Сравнение температур, при которых наблюдается второе резкое снижение скорости звука в исследуемых сплавах с температурами фазовых превращений/.^'; -*-у> сплавов и Т(-Мо показывает, что разности указанных температур исследуемых сплавов и сплавов 77-Д/о в интервале концентрации молибдена 0-3 вес.? составляют 10-20 К. Указанные разности температур исследуемых сплавов и сплавов Т¡-2г во всем интервале концен трации циркония составляв!1 5-30 К. Хорошее совпадение температур второго резкого снижения скорости звука с температурами фазовых превращений сплавов двойных систем (77-2?г , 77- Мо ) позволяет считать второе снижение скорости звука в исследуемых сплавах результатом фазового превращения с^+уЗ-^/З • Следовательно, проведение сравнения температур позволяет температуры резкого снижения скорости упругих волн интерпретировать как температуры фазовых превращений. Температуры фазовых превращений в сплавах двойных и тройных систем отличаются в среднем при фазовых превращениях сС-^Ыу?, на 5/5, а при фазовых превращениях о^/Зн^/а на 1,5?.

Отсюда следует, что температуры фазовых превращений, определенные из акустических исследований, являются достаточно надежными и могут быть .использованы при построении диаграммы состояния сплавов 77 -Иг-Мо, поскольку в литературе нет описания диаграммы состояния сплавов данного разреза.

По полученным значениям температур фазовых превращений с использованием значений концентрации легирующих элементов построена-диаграмма состояния исследуемых титановых сплавов.

Акустические исследования позволили рассчитать упругие модули и коэффициент Пуассона исследуемых сплавов в интервале температур 300-1000 К. Установлено, что увеличение температуры способствует снижению упругих модулей исследуемых сплавов. Проведенные количественные оценки позволили установить, что отклонение значений модулей упругости в зависимости от температуры от линейного закона составляет для модуля нормальной упругости 2?, для модуля сдвига 3%. Таким образом, использование высокопрецизионной аппаратуры в данной работе позволило обнаружить в исследуемых сплавах структурные превращения. Это свидетельствует о том, что скорость звука и

тесно связанные с нею модули упругости являются структурно-чувствительными характеристиками металлов и могут успешно применяться для обнаружения структурных эффектов и других особенностей взаимодействия элементов при образовании твердых растворов.

С помощью акустического метода с достаточной степенью точности определены температуры фазовых превращений. Это означает, что акустические методы могут успешно применяться для исследования фазовых переходов I рода и построения диаграмм состояния в дополнение к традиционным методам.

Проведенные исследования поведения скорости распространения упругих волн показывают, что скорость при увеличении концентрации легирующих элементов з интервале температур 300-1000 К снижается практически линейно. Наблюдаемое, снижение скорости продольных волн при увеличении концентрации легирующих элементов в указанной интервале температур вызвано частичным появлением /3-фазы. В интервале температур 1000—1300 К наблюдается значительное снижение скорости продольных волн при увеличении концентрации легирующих элементов. Максимальное снижение скорости в зависимости от концентрации легирующих элементов наблюдается при температуре I150 К. При указанной температуре величина скорости продольных волн уменьшается на 2$ при концентрации легирующих элементов равной 2 вес.$ и на 18$ при 12 вес.$ по сравнению со значением скорости в чистом титане. Для сравнения можно показать, что при температуре 1100 1С указанное снижение скорости продольных волн составляет соответственно 0,7% и 5,5%.

Установленное поведение скорости распространения продольных волн в зависимости от концентрации легирующих элементов в интервале температур I100-1200 К объясняется появлением значительного количества уЗ -фазы, возникающей при фазовых превращениях.

Упругие модули исследуемых сплавов при увеличении концентрации легирующих элементов уменьшаются практически линейно. Такая зависимость сохраняется до температур 800 К. Вьае указанной температуры преимущественно в интервале концентрации легирующих элементов 2-6 вес.$ линейная зависимость модулей упругости от концентрации нарушается. Из сравнения модулей упругости сплавов и чистого титана следует, что увеличение концентрации легирующих элементов приводит к снижению указанных величин. При концентрации легирующих элементов равной 2 вес.$ модуль упругости £ снижается на 1,3$, 3,4 вес.$ - на 5$, б вес.$ - на 7,6$, 12 вес.Я - 1456. Модуль сдвига при тех же концентрациях снижается соответственно на 2,5$, 5,5$, 8,3$, 16$. Указанные значения получены при 300 К. При высоких температурах величина снижения модулей упругости в зависимости

от концентрации имеет примерно такие же значения. Это означает, что величина снижения модулей упругости в зависимости от концентрации легирующих элементов до температур начала фазовых превращен'/, не зазисит от температур исследуемьк сплавов, а зависит от количества ^ -фазы, образующейся при легировании титана.

Показано, что оценку влияния циркония и молибдена на величину упругих модулей исследуемых сплавов можно провести путем сравнения упругих модулей сплавов двойных систем 71 и 7/ - Мо с упр;

гими модулями сплавов тройной системы Тг - - . Малое отличи« упругих модулей исследуемьк сплавов и двойных сплавов 7»* - с одинаковой концентрацией циркония, достигающее Ь $ при 9 вес. % ци] конмя позволяет считать, что основное влияние на снижение упругих модулей исследуемых сплавов оказыв; цирконий.

Влияние молибдена на модули упругости исследуемьк сплавов в зависимости от концентрации различно. При концентрации 0-0,85 вес. %, т.е. ниже или равной пределу растворимости в ¿¿-титане, молибден оказывает на модули упругости исследуемьк сплавов существенное влияние, заметно их понижая. Это подтверждается тем, что модули упругости двойных сплавов с 0,5 и 0,85 вес. % молибдена совладеют с модуля;.™ упругости исследуемых сплавов, имеющих такое же содержание молибдена, с точностью 2 и 4 % соответственно. При увеличении концентрации молибдена выше предела растворимости в сС - титане его . влияние на модули упругости исследуемьк сплавов снижается. Это следует из. того, что отличие модулей упругости сплавов 77 - По от модулей исследуемых сплавов при увеличении концентрации молибдена до 3 вес. % достигает 13 %.

На основании проведенных акустических исследований скорости упругих волн и упругих модулей исследуемых сплавов выведены формулы для расчета модуля упругости £ и модуля сдвига 6- в интервале температур 300-1000 К пригодные для проведения инженерных рас-счетов.

£ =11,47 Ю10 (1-0,012Х)-7 64 10 7 (1-0.014Х) (Т - Т0 )

£ =4,33 Ю10 (1-0,0133Х)-3,06 Ю7 (1-0.0158Х) (Т - Т0)

где X - концентрация легирующих элементов в вес. % :(до 12 вес. %);

Т - температура до 1000 К; Т0 - 300 К.

Погрешности расчета по указанным формулам составляют для модуля упругости Е ~ 2 %, для модуля сдвига & 3 % в сравнении с данными, полученными из экспериментальных измерений.

В пятой главе проведены теоретические исследования стабильности кристаллических структур титана. В теории фазовых превращений стабильность кристаллических структур определяется энергией связи

кристаллов и, в конечном счете, свободной энергией Гиббса. Вычисления свободных энергий обеих кодификаций титана проводились методом "псе)1до!:|)Г(Г.1'.(кги:а". В качество модельного псевдопотенциала выбран пеог!Доиот.'!!1циал Ашкрофт а.

Энергия аонной структуры и собственные значения силовой матрицы определялись с яопользогоггл'-ч CVj.ee сотни векторов обратной ре-летки.

Расчеты энергии связи обеих модификаций титана проводились при комнатной температуре, вблизи точки фазового превращения при температуре 1150 К и после точки фазового превращения при температуре 1173 К.

Полученные результаты показывают, что при 293 К абсолютное значение энергии связи низкотемпературной аС -модификации 6oj:M¡e чем высокотемпературной -модификации, поэтому при комнатной температуре устойчива c¿ - модификация.

При температуре 1150 К указанное соотношение энергий сохраняется. Следовательно, JÍ -модификация титана стабильна от 293 до 1150 К, т.е. практически до температуры полиморфного превращения (1155 К).

При 1173 К стабильной становится J, -модификация титана, хотя ее абсолютное значение энергиии сеязи меньше. Это свидетельствует в полном соответствии с теорией фазовых превращений о том, что J, -модификация всегда обладает большой энергией. Как показывают расчеты в интервале температур II50-II73 К энергия связи _/3 - модификации увеличивается по сравнении с энергией cL -модификации на величину скрытой теплоты полиморфного превращения. Это означает, что в интервале 1150—11*73 К в чистом титаче происходит полиморфное превращение

Акустические исследования дают значение температуры скачка скорости звука в чистом титане xopoi::o укладывающиеся в указанный интервал температур. Поэтому молно считать скачок скорости звука обуслов-лешпм полиморфным превращением.

Теоретические исследования стабильности кристаллических структур подтвердили правильность выводов сделанных на основе экспериментальных данных и анализа диаграмм состояния двойных сплавов, относительно природы скачков скорости звука, обнаруженных акустическим мэтодсм. Это означает, что при исследовании фазовых превращений полно ycncrato применять акустические методы.

В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы:

I. Для проведения исследований поведения скорости распростра-

нения звука в титане и его сплавах, легированных цирконием и молибденом ; в интервале температур 300-1300 К выбран и опробован импульсный ультразвуковой метод, позволяющий проводить одновременно измерения скорости распространения продольных и поперечных волн в исследуемых сплавах.

Используемая методика позволяет проводить измерения скорости продольных волн с точностью - 0,2% и поперечных -I %.

2. Для проведения экспериментальных исследований разработана система звукопровод-образец, позволяющая проводить исследования поведения скорости распространения звука и упругих постоянных сплавов в интервале температур 300-1300 К на малых образцах с использованием промежуточных стеркней-звукопроводов между пьезопреобразо-вателем и исследуемым образцом.

3. Проведенные исследования поведения скорости звука в исследуемых сплавах показывают, что по характеру поведения скорости весь интервал исследуемых температур делится на две области, включающие температуры от 300 до 1100 К и от 1100 до 1300 К.

В области температур 300-1100 К Скорость распространения звука уменьшается в зависимости от температуры по закону, близкому к линейному; никаких особенностей в поведении скорости в этой температурной области не обнаружено. В области температур 1100-1300 К обнаружено наличие резких снижений скорости упругих волн в сравнительно узких температурных интервалах.

В чистом титане обнаружено одно резкое снижение скорости продольных волн.

В титановых сплавах, легированных цирконием и молибденом, обнаружены два снижения скорости. Эти резкие снижения скорости продольных волн в сравнительно узких температурных интервалах после длительного рассмотрения интерпретированы как результат фазовых превращений. Резкое снижение скорости в чистом титане связано с полиморфным превращением, т.е. переходом . Первое сниже-

ние скорости звука в исследуемых титановых сплавах есть результат фазового превращения , т.е. связано с частичным появ-

лением р -модификации. Второе снижение скорости, происходящее при более высокой температуре, является результатом фазового превращения &+/3 -*уЗ , т.е. связано с полным переходом от об

4. Акустические исследования скорости распространения упругих волн в области температур фазовых превращений позволили определить температуры фазовых превращений в чистом титане и сплавах на его

к

модификации.

лг

основе с цирконием и молибденом и на их основе построить диаграмму состояния исследуемых сплавов.

5. По результатам измерений скорости звука определены упругие модули чистого титана и сплавов на его основе с цирконием и молибденом по разрезу: Т|+£2г.'Мо (3:1).

Для интервала температур ЗОО-ПОО К установлено, что с повышением температуры упругие модули исследуемых сплавов снижаются по закону близкому к линейному.

6. На основании проведенных исследований упругих модулей показано, что легирующие элементы - цирконий и молибден, вводимые в титан, оказывают влияние на величину упругих модулей исследуемых сплавов. С увеличением концентрации легирующих элементов в титане до 12 вес.55 в суммарной легирующей добавке упругие модули снижаются, в пределах сделанных оценок, практически по линейному закону, показано, что молибден и цирконий по-разному влияют на упругие модули исследуемых сплавов. Молибден в пределах растворимости в оС -титане (до I вес.%) оказывает значительное влияние на величину упругих модулей исследуемых сплавов, интенсивно их понижая.

С увеличением концентрации молибдена в исследуемых сплавах его влияние на величину упругих модулей снижается.

Влияние циркония на упругие модули исследуемых сплавов неоднозначно. Так, в интервале концентрации циркония 1,5-2,55 вес.% его влияние на упругие модули существенно ниже, чем в остальных концентрационных интервалах. В указанном интервале концентрации суммарной добавки на снижение упругих модулей исследуемых сплавов основное влияние оказывает молибден. В остальных концентрационных интервалах суммарной добавки цирконий оказывает основное рлияние на упругие модули исследуемых сплавов.

7. В результате исследований установлено, что упругие модули исследуемых сплавов с концентрацие: легирующих элементов 2-6 вес.% практически мало отличаются от упругих модулей чистого титана. Увеличение концентрации легирующих элементов выше 6 вес.5? существенно понижает упругие модули. Так, сплав с 12 вес.% легирующей добавки имеет упругие модули более низкие, чем у чистого титана.

8. На основе проведенных исследований приведены формулы для расчета упругого модуля Е и модуля сдвига (г в интервале температур 300-1000 К в зависимости от температуры и концентрации (до 12 вес.%). Погрешности расчета Е и (3- соответственно 2 и 3% в сравнении с данными эксперимента.

9. Проведенные исследования скорости звука и упругих модулей

позволили рассчитать температуру Дебая, разность теплоемкостей Cp-C-v и теплоемкость при постоянном объеме Cv чистого титана и его сплавов с цирконием и молибденом. Показано, что температура Дебая при увеличении концентрации легирующих элементов снижается по закону, близкому к линейному.

Разность теплоемкостей Cf -Cv исследуемых сплавов слабо зависит от концентрации легирующих элементов в интервале 0-12 тес.%. Увеличение концентрации легирующих элементов в исследуемых сплавах приводит к уменьшению теплоемкости Cv до значения соответствующего б всс. % легирующей добавки.В интервале 6-12 вес. % теплоемкость Cv слабо зависит от концентрации легирующих элементов.

10. Теоретические расчеты экер; и связи позволили определить области стабильности кристаллических структур. Установлено, что oL - кодификация титана, обладая большим абсолютным значением энергии, является стабильной от комнатной температуры до 1150 К.

При температуре 1173 К стабильной становится ^ß - модификация титана.

Расчоты показывают, что энергия связи в указанном интервале температур возрастает на величину скрытой теплоты полиморфного превращения. Это означает, что в интервале II50-II73 К в титане происходит полиморфное превращение.

Температура скачка скорости звука, обнаруженного экспернмзн-тально, попадает в указанный интервал температур. Поэтому можно сказать, что интерпретация температуры скачка скорости звука, как температуры полиморфного превращения, является вполне обоснованной.

Основное содержание диссертации опубликовано:

1. U.U. Новиков, Е.Б. Проскурин, A.Ö. Чебанов "Экспериментальная установка для одновременного измерения скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн при высоких температурах", Заводскся лаборатория, 1977. К>, с. 561-564.

2. И.й. Новиков, В.Б. Проскурин, А.Ф. Чебанов "Исследование скорости звука в титане и некоторых его сплавах вблизи oL ß перехода", сб. "Сизико- механические и тепло-физические свойства металлов", 1976, с. II5-II7.

3.И.И. Новиков, В.Б. Проскурин, А.S. Чебанов "Исследование динамических модулей упругости титана и его сплавов с fit и flo при температурах до IOGO К", сб. "Применение ультраакустики к исследованию вещества", изд. E3i.il, М., 1977.