Закономерности формирования физико-механических свойств циркония и титана при отжиге в интервале температур 150°C - 1100°C тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

(

Кунгурцев Егор Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЦИРКОНИЯ И ТИТАНА ПРИ ОТЖИГЕ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 150°С -1100°С

Специальность 01.04.07 — Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005541893

Белгород — 2013

005541893

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Камышанченко Николай Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор

Хусаинов Михаил Андреевич, доктор технических наук, профессор, Новгородский государственный университет им. Я.Мудрого

Иванов Владимир Михайлович, кандидат физико-

математических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет

ФГБОУ ВПО "Юго-Западный государственный университет", г. Курск

Защита состоится «19» декабря 2013 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 «/£» ноября 2013 г.

Ученый секретарь /¡^ диссертационного совета

Беленко В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Изо всех кристаллических металлов особое место занимают металлы с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурой. Эти металлы нашли широкое применение в производстве изделий и конструкций, отличаются специфичными свойствами, позволяющими им занять нишу в работе сложных высокотехнологических отраслях таких, как атомная энергетика, авиация, космос. Востребованность в медицине, биологии и других жизненно важных отраслях делает их незаменимыми элементами. Практически невозможно найти отрасль в жизнедеятельности человека, где бы тот или иной элемент из металлов с ГПУ-структурой не играл существенную роль. Металлы этой группы с момента своего открытия были подвергнуты всестороннему научному исследованию, что способствовало быстрому их внедрению во многих отраслях производства.

В некоторых металлах часто встречается процесс преобразования из ГПУ структуры в другие типы. В качестве примера можно привести следующие металлы с исходной ГПУ структурой при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении: бериллий, скандий, титан, иттрий, цирконий, некоторые лантаноиды и актиноиды. Особенность строения электронных оболочек атомов этих металлов обуславливает сходство их физических свойств. В частности, обращают на себя внимание высокие температуры полиморфных превращений в этих металлах. Например, температуры полиморфного превращения из а — фазы в Р- фазу равны: в бериллии — 1527 К, в иттрии - 1758 К. в скандии 1607 К, в цирконии 1135 К, в титане 1155,7 К.

Кроме того, титан и цирконий имеют такую собственную матрицу, которая легко подвергается легирующим воздействиям другими металлами и сами могут быть легирующим компонентом. Благодаря этому и цирконий, и титан относятся к наиболее перспективным конструкционным материалам в различных отраслях промышленного производства. Поэтому объем исследования этих материалов отличается разнообразием по многим физико-механическим и химическим аспектам. В основе этих исследований лежит, в основном, технологическая направленность. Что же касается физических исследований, то они требуют более тщательного и систематического исследования, что является весьма актуальным, так как позволит эффективнее использовать заложенные природой специфические свойства этих металлов.

Данная работа, как раз и посвящена исследованию физико-механических свойств циркония и титана при отжигах в широком интервале температур.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления НИУ БелГУ «Создание упроченного состояния металлов путем программного физико-механического воздействия». Работа выполнена при финансовой поддержке научно-исследовательской работы "Релаксационные процессы и модификация физико-механических свойств материалов с ГПУ-структурой в результате термомеханического и ультразвукового воздействий", выполняемой в рамках государственного задания 2.2786.2011 за 2012 год.

з

Целью настоящей работы является: изучение закономерностей формирования структуры циркония и титана ВТ 1-0, полученной в результате температурного воздействия в диапазоне 150 — 1100°С, и влияния её 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 цирконии и титане ВТ1-0 при отжиге в диапазоне 150-1100°С.

2. Исследование характеристик электропроводности циркония и титана ВТ1-0, подвергнутых температурному воздействию в диапазоне 1501100°С.

3. Исследование акустической эмиссии циркония и титана ВТ 1-0, подвергнутых температурному воздействию в диапазоне 150-1100°С.

4. Изучение образования и развития двойникования в титане и цирконии в результате концентрированного нагружения образцов в плоскости (0001), прошедших температурное воздействие.

Научная новизна полученных результатов:

1. Установлено, что дорекристаллизационный отжиг титана (150-500°С) и циркония (150-350°С) не приводит к заметному изменению макроструктуры, что позволяет утверждать о термостабильности данных материалов в данном диапазоне температур.

2. Обнаружено, что в температурном диапазоне 100-1100°С происходит изменение электросопротивления и параметров акустической эмиссии, что предположительно связано с процессом зарождения ш-фазы при полиморфном превращении из р в а фазу.

3. На основе результатов исследований в интервале температур 1501100°С при низкой скорости охлаждения (1,8°С/мин) были выявлены характерные особенности изменения структуры, отличающиеся плотностью двойникования до полиморфного превращения в этих металлах.

4. Предположено, что размеры клиновидных двойников находятся в прямой зависимости от атомного строения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные о влиянии температурного воздействия в диапазоне 150 - 1100°С на структуру технически чистого циркония и титана ВТ 1-0.

2. Результаты исследования влияния температуры отжига на электропроводность технически чистого циркония и титана марки ВТ1-0.

3. Экспериментальные результаты поведения механических свойств исследуемых металлов в результате температурного воздействия.

4. Результаты исследования влияния температуры отжига на акустическую эмиссию технически чистого циркония и титана марки ВТ1-0.

5. Влияние температурного воздействия и концентрированного механического воздействия на процесс образования, динамику развития и геометрические параметры двойников в технически чистом цирконии и титане марки ВТ1-0.

Научная значимость: Экспериментальные результаты по исследованию эволюции структуры в ходе температурных воздействий и ее влияния на физико-механические свойства циркония и титана ВТ1-0 способствуют расширению представлений о процессах, протекающих в материале во время эксплуатации.

Практическая значимость:

1. Полученные результаты и высказанные предположения являются основой для объяснения природы процессов, протекающих в цирконии и технически чистом титане в результате эксплуатации.

2. Исследованные процессы и полученные результаты дают возможность выработать предложения режимов эксплуатации механизмов, изготовленных из технически чистых циркония и титана.

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 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.); 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 материа-

5

лов» (г. Белгород, 2009 г.); У-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2010(Москва, 2010 г.); Ш Всероссийская школа семинар для студентов, аспирантов и молодых ученных «Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы» (Белгород, 2010 г.); V Международная школа «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2011 г.); XX Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2012 г.); Ы1 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); 53 Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2012 г.); VII Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений". (Тамбов, 2013 г.); 54 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Екатеринбург, 2013).

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 24 печатных работе, в том числе 9 в изданиях рекомендованных ВАК, 2 ноу-хау.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка использованной литературы из 136 наименований. Содержание работы изложено на 137 страницах, в 53 рисунках и 9 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 циркония и титана ВТ1-0, 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 технически чистые цирконий (табл. 1,4) и титан марки ВТ1-0 (табл. 2). На образцах в состоянии поставки экспериментально были определены основные механические параметры, микротвёрдость и удельное электрическое сопротивление (табл. 3).

Таблица 1. Химический состав циркония

Химический состав, %

Материал & А1 Ж Сг Си Ре № 02 N с Ті В

Цирконий 99,89 СОО'О 0,034 0,0031 ЮО'О 0,0032 0,0079 0,04 0,001 0,004 0,004 0,003 0,004

Таблица 2. Химический состав титана ВТ 1-0

Материал Химический состав, %

Т і AI V Cr Си Fe Mn Mo Nb Sn Si Zr Pb Ru О N H

Титан ВТ1-0 99,750 0,0050 0,0305 0,0050 0,0100 0,0232 0,0050 0,0100 0,0050 0,0168 0,0100 0,0135 0,0287 0,0100 0,0600 0,01230 0,0050

Таблица 3. Свойства исходных материалов

Материал Os, МПа ав, МПа Hvioo Средний размер зерна, мкм Удельное электрическое сопротивление, мкОм-см

Цирконий 90 263 124 93,2 126

Титан BT1-0 173 318 150 85,72 110

Таблица 4. Справочные данные металлов

Металлы Атомная масса, г/моль Радиус атома, нм Электронная конфигурация Решетка Структурный тип,Федоровская группа Параметры решетки а-фазы Параметры решетки ß-фазы Отношение с/а Т.полиморфного превращения, "С

Титан 47,88 0,1466 3d 4s а-ГПУ р-оцк а=0,29512 с=0,46826 а=0,33065 1,564 882,7

Цирконий 91,22 0,158 4d'5s2 а-ГПУ р-оцк A3 ;Vtk а=0,32317 с=0,51476 а=0,3620 1,6 862

Для исследования были подготовлены несколько партий образцов, отличающиеся температурой отжига. Для получения материала с мелкозернистой структурой заготовки из циркония и титана подвергались прокатке на электромеханических вальцах "ВЭМ-3 СМ" при температуре 500°С методом пластической деформации за 8 проходов с обжатием за проход 15-20%. После прокатки заготовки имели форму полос толщиной 1,5 мм. Величина накопленной деформации при прокатке достигала 75%. Степень деформации оценивалась по следующей формуле:

"о

где: do — толщина заготовки до прокатки; d — толщина заготовки после прокатки.

Подготовленный материал подвергался 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°С в течение 60 минут с последующим медленным (1,8°С/мин) охлаждением с печью.

После вышеописанных видов механико-термической обработки (МТО)

7

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 четырех-зондовым 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 34420А», 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.

Универсальная испытательная

Компьютер для регистрации и

Рисунок 1 - Блок - схема установки для исследования механических параметров, АЭ и удельного электрического сопротивления

Морфология поверхности образцов исследовалась с помощью микроскопа «OLYMPUSG71». Определение средних размеров зерен было выполнено методом "случайных секущих" по шлифам ГОСТ 5639-82.

Измерение микротвердости образцов выполняли согласно ГОСТ 945076 на микротвердомере «DM-8B» с использованием пирамидки Виккерса с нагрузкой на индентор 50 грамм. Исследование макроструктуры и измерение микротвердости образцов проводили вдоль поперечного сечения образцов.

Микроструктура изучалась при помощи просвечивающего электронного микроскопа "JEM-2100" оснащенного 200 kV электронной пушкой с полевой эмиссией и энергетическим фильтром.

Третья глава посвящена выявлению связи между прочностными свойствами исследуемых материалов и их структурным состоянием, созданным в результате механико-термической обработки (МТО).

Эволюция структуры изучалась по результатам термического отжига циркония и титана ВТ 1-0, прошедших предварительную пластическую деформацию до 75%. Отжиг титановых образцов при температурах 150, 250, 350, и 500°С не приводит к существенному изменению характера макроструктуры. Однако наблюдается незначительный рост размера структурных элементов, что говорит о процессе возврата на границах зерен и о начале процессов рекристаллизации.

Для циркония отжиг при температурах150, 250 и 350°С также не приводит к заметному изменению характера макроструктуры, но при 500°С заметно формирование границ зерен болыпеуглового типа.

Таким образом, дорекристаллизационный отжиг титана и циркония не приводит к заметному изменению структуры, что позволяет утверждать о термостабильности данных материалов, по крайней мере, в указанном диапазоне температур. Созданная интенсивной пластической деформацией прокаткой макроструктура обеспечивает также высокие прочностные характеристики.

а б

Рисунок 2 - Макроструктура титана, прошедшего отжиг при:

а б

Рисунок 3 - Макроструктура циркония, прошедшего отжиг при: 150°С (а), 500°С (б) У циркония при температурах отжига в диапазоне 150-350°С и у титана при 150-500°С механические свойства слабо зависят от температурного воз-

действия и характеризуются довольно высоким уровнем прочности, пластичности и микротвердости (рисунок 4, 5).

Рисунок 4 - Зависимость механических параметров от температуры отжига: 1 — предел прочности и 2 - предел текучести титана ВТ 1-0; 3 - предел прочности и 4 - предел текучести циркония

-т-гг

Рисунок 5 — Зависимость микротвердости от температуры отжига Отжиг в диапазоне температур 700°С - 800°С для титана и 600°С -700°С для циркония сопровождается дальнейшим ростом зерен и совершенствованием зеренных границ. Границы зерен становятся более четкими и различимыми.

ШМ 200 ит К.у уі# ____200 ит |.

Ті 700°С, а Ті 800°С, б

Рисунок 6 - Макроструктура титана, прошедшего отжиг при: 700°С, 800°С

I С^д^н I

7л 600°С, а ¿г 700°С,

Рисунок 7 - Макроструктура циркония, прошедшего отжиг при:

600°С, 700°С

Наличие дислокаций с дефектами упаковки и образование двойников при 700°С свидетельствует о том, что в цирконии процесс коллективизации валентных электронов происходит при более низких температурах. Взаимодействие ионов циркония с коллективизированными электронами определяют основную металлическую компоненту связи, а взаимодействие ионов друг с другом - дополнительную ковалентную связь, что приводит к повышению электрического сопротивления уже при температуре 600°С

Одновременно с образованием неоднородной зеренной структуры в диапазонах 450-850°С у циркония и 500-900°С у титана температур происходит резкое уменьшение механических характеристик исследуемых металлов.

Дальнейшее повышение температуры отжига до температуры близкой к температуре полиморфного превращения приводит к существенному изменению микроструктуры циркония, в отличие от изменений в титане, где наблюдается незначительное увеличение размеров зерна. Размеры зерна в цирконии при приближении к температуре полиморфного превращения увеличиваются в несколько раз в сравнении с размером зерна при температуре отжига 700°С.

В отличие от титана в процессе отжига циркония в диапазоне температур 800°С-850°С происходит не только рост зерна, но и наблюдается активный процесс двойникования, плотность которых увеличивается с приближением температуры отжига к температуре полиморфного превращения.

Ъх 800°С, а гт 850°С, 6

Рисунок 8 — Макроструктура циркония, прошедшего отжиг при:

800°С,850°С

"Л 800°С, а Т| 850°С, б

Рисунок 9 - Макроструктура титана, прошедшего отжиг при: 800°С,850°С

Выбранная скорость охлаждения образцов не способна произвести подавление диффузионных процессов, роль которых увеличивается с повышением температуры отжига. Особенно эти процессы играют заметное влияние при бета-альфа превращении, приводящие к неупорядоченному росту альфа-фазы. Однако в сплошных полях вновь образованной структуры циркония после полиморфного превращения выделение параллельных полос все больше проявляется с повышением температуры от 1000°С, свидетельствующие о том, что рост этих полей в альфа - цирконии шел хаотически с последовательным образованием небольших по объему рейкообразных кристаллов с не четким разграничением границ.

В титане эти процессы протекают с более выраженным образованием рейкообразных кристаллов, но тоже с нечеткими разграничениями границ. Однако эту структуру все же можно охарактеризовать как структуру "корзиночного типа" (рисунок 10).

Рисунок 10 - Макроструктура титана, прошедшего отжиг при: 1000°С, 1050°С,1100°С 12

Рисунок 11 - Макроструктура циркония, прошедшего отжиг при: 1000°С, 1050°С,1100°С

Полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа ГЕМ-2100 результаты (отжиг 700°С) (рисунок 12), позволили установить плотность и тип дефектов в исследуемых металлах.

Наличие или отсутствие частичных дислокаций и образование в процессе диссоциации дислокаций с дефектами упаковки позволяют провести анализ о влиянии температуры отжига на структурное состояние исследуемых металлов.

В кристалле титана присутствует осциллирующий контраст, обусловленный наличием дислокаций в объеме кристалла, постепенно приближающийся к поверхности кристалла на участках свободных от внутренних дислокаций. Вышедшие на поверхность фольги дислокации в виде дислокационных петель характеризуются наличием в них дефекта упаковки. Наличие дислокаций с дефектами упаковки свидетельствует о диссоциации дислокаций с образованием частичных дислокаций, что способствует понижению энергии кристалла.

В цирконии при аналогичных условиях температурного воздействия плотность дефектов в объеме кристалла на порядок меньше (2,4*108см~2 в Тл против 5,3*107см~2 в Zr). Однако в цирконии происходит интенсивное образование двойников, а дислокации с дефектами упаковки отличаются увеличенными размерами. При низких температурах у циркония начинается коллективизация валентных электронов. В результате этого процесса решетку а-фазы будут образовывать ионы циркония, у которых внешней оболочкой является в-оболочка, сферичность которой приводит к образованию плотной упаковки шаров, какими являются ионы Хгъ+. Взаимодействие ионов с коллективизированными электронами, кроме выше сказанного, определяют зарождение в результате взаимодействия ионов друг с другом - дополнительной ковалентной связи. Аналогичные процессы в титане осуществляются при более высоких температурах - с приближением к температуре полиморфного превращения. Образование зародышей р-фазы в а-фазе можно определить по изменению величины электрического сопротивления (рис. 14).

При температурах отжига, превышающих температуру полиморфного превращения, у атомов Ъх и "П дополнительно коллективизируется второй — электрон и внешней оболочкой ионов Ъхх 1 становится р6 - оболочка в цирконии.

В результате взаимодействия ионов с коллективизированными электронами происходит спиновое расщепление р6 оболочек, и обменное взаимодействие р - орбиталей приводит к появлению ортогональных связей, которые формируют ОЦК - структуру.

При сравнительно низких скоростях охлаждения процесс (3 -» а превращения осуществляется по механизму зародышеобразования и его роста, получивший название со-фазы. При атмосферном давлении ю-фаза является метастабильной, что характеризуется быстротечностью процесса. Образовавшаяся со - фаза отличается плотностью дислокаций с дефектами упаковки неравномерно распределенными в объеме кристалла. Образование дислокаций с дефектами упаковки говорит о диффузионных механизмах их образования. Аналогичным образом протекает описанный процесс и в титане, но только дополнительно коллективизируется второй 4$-электрон. Протекание процесса коллективизации за счет электрона орбитали влияет на скоротечность протекания ео-превращения в сравнении бе- электрона в цирконии.

Механизм /? -> о) - превращения включает образование линейных дефектов смещения и их последующее упорядочение. Появление укрупненных дефектов двойниковой ориентации является результатом роста "зародышевых" плоскостей (пакетов) в кристалле Р-фазы и связано с понижением упругой энергии (3 -* а превращения. При этом упругая энергия, возникающая в процессе /? -* а превращения, уменьшается двумя способами: образованием малоугловых границ и появлением в "зародышевых" плоскостях (пакетах) дефектов двойниковой ориентации. Начало процесса зарождения и роста со-фазы фиксируется спадом электрического сопротивления в температурном диапазоне 1000°С - 1100°С (рис. 14). Однако величина электрического сопротивления в области температур 1050°С и в Хг и "П равны величине электриче-

Рисунок 12 - Дислокационная структура И (а) и 7л (б) после отжига при температуре 700°С

Рисунок 13 - Дислокационная структура Ті (а) и 2х (б) после отжига при температуре 1000°С Измерения остаточного значения электрического сопротивления показали, что в температурном диапазоне 150-600°С у циркония и 150°С-850°С у титана характер изменения электрического сопротивления остается подобным — оно уменьшается, что связывается с состоянием дефектной структуры в объеме зерна.

Рисунок 14 Зависимость удельного электрического сопротивления циркония и титана от температуры отжига Однако с достижением температуры отжига 600°С электросопротивление циркония резко возрастает, что, по-видимому, связано с развитием вторичной рекристаллизации, упорядочением зеренной структуры поверхности и образованием двойников отжига. В титане такое изменение наблюдается только с приближением к температуре полиморфного превращения. При этом снижение микротвердости с приближением к температуре полиморфного превращения может быть связано с уменьшением внутренней упругой энергии кристалла, что способствует активизации процесса протекания скольжения и созданию условий для развития процессов двойникования.

В температурном диапазоне 1000°С -1100°С наблюдается аномальное поведение удельного электрического сопротивления и повышение предела прочности, предела текучести и микротвердости как в цирконии, так и в титане, что свидетельствует об образовании и развитии промежуточной фазы в процессе преобразования О ЦК - структуры в ГПУ - структуру.

Повышение предела прочности и текучести объясняется образованием структуры корзинчатого типа.

Температурные зависимости удельного электрического сопротивления и микротвердости хорошо согласуются с активностью и энергетическими параметрами сигналов АЭ, а также с процессом формирования зеренной структуры прокатанных металлов.

oi.nl 7;-. -кфории-н» еТЖИГ

Рисунок 15 - Зависимость изменения значений удельного электрического сопротивления и сигналов АЭ в процессе деформации растяжением титана Преобладание в АЭ низкоамплитудных сигналов в образцах пластически деформированного титана позволяет предположить, что АЭ в процессе деформации генерируется низкоэнергетическими дислокационными источниками и основным механизмом деформирования является дислокационное скольжение. В пластически деформированных растяжением отожженных в диапазоне температур 150°С-600°С образцах циркония и титана, отмечена слабая активность сигналов АЭ.

Однако в области температур отжига от 700°С до температуры полиморфного превращения в цирконии наблюдается повышение удельного электрического сопротивления и резкое повышение активности сигналов АЭ с преобладанием высокоамплитудных сигналов.

Электронно-микроскопические исследования микроструктуры после отжига 700°С подтверждает предположение о высокой плотности дислокаций и особенно двойниковых дислокаций. Превалирование в структуре сигналов АЭ высокоамплитудных сигналов позволяет предположить о преобладании механизма двойникования в процессе деформации.

Рисунок 16 - Зависимость изменения значений удельного электрического сопротивления и сигналов АЭ в процессе деформации растяжением циркония

ш ¡"1 75% .кортики, етжиг К5(1СС

Четвертая глава посвящена определению закономерностей зарождения, развития и морфологии механических двойников, образованных под действием концентрированного напряжения, в титане и цирконии.

В таблице приведено количество и размеры образованных двойников в Ъх и Л в результате индентирования пирамидкой в зерно по плоскости (0001).

Как следует из полученных экспериментальных результатов, при одинаковых режимах обработки и последующих механико-термических воздействиях макроструктура, геометрические параметры клиновидных двойников и значение параметров АЭ 7л и Тл существенно отличаются.

Как следует из полученных данных, время проникновения пирамидки Викерса в тело до полной остановки, глубина проникновения и размеры отпечатка практически одинаковые (рисунок 17). Количество обнаруженных двойников одинаковое, но линейные размеры в титане в 1.5-2 раза длиннее в сравнении с линейными размерами двойников в цирконии (табл. 4). Процесс вхождения индентора в зерно в результате воздействия внешней нагрузки связан с преодолением упругих напряжений и развитием релаксационных явлений. При этом наблюдаемое снижение микротвердости с приближением к температуре полиморфного превращения может быть связано с уменьшением внутренней упругой энергии кристалла, что способствует ак-

тивизации процесса протекания скольжения и созданию условий для разви-

тия процессов двойникования. Таблица 5. Характеристика двойников в Ъг и Ті различного структурного состояния.

Материал Температура отжига Нагрузка, г Размер зерна, мкм Кол-во двойников Линейные размеры двойника, мкм

1 2 3 4 5 6

Zr 700°С 50 22,8 6 10.3 6.8 5.1 7.2 6.5 6.1

950°С 50 186 4 7.3 7.5 6.9 1.2

1000°С 50 195 3 6.8 6.9 7.3

1050°С 50 205 4 13.4 8.1 5.9 6.1

1100°С 50 215 4 9,1 6.8 5.9 5.5

Ті 700°С 50 47,8 6 23.1 21.2 18.4 13 8.3 6.5

950°С 50 65.4 3 25.2 23.2 15.5

1000°С 50 119.3 3 19.1 18.5 3.1

1050°С 50 130 4 19.5 18.9 4,6 4,1

1100°С 50 136 3 19.9 20.2 14.3

Рисунок 17 - Состояние двойников, величина импульсов и энергии, выделенной протекающими процессами при индентировании нагрузкой 50 грамм в титане при температуре отжига 700°С(а), 950°С(в) и в цирконии при 700°С(б), 950°С(г). Символ х - величина энергии сигналов АЭ

С приближением к температуре полиморфного превращения энергетические параметры сигналов АЭ возрастают (рисунок 18) с одновременным повышением активности низко-, средне- и высокоамплитудных сигналов АЭ

при растяжении (рис. 15, 16). Особенно такая закономерность характерна для циркония.

700 800 900 1000 <100

т "С

Рисунок 18 — Изменение средней энергии и амплитуды сигналов АЭ в зависимости от температуры отжига в результате воздействия на индентор нагрузкой величиной в 50 грамм

Наблюдаемое разнообразие сигналов АЭ, очевидно, вызвано большим количеством и разновидностью дефектов. Наличие многообразия сигналов АЭ, отличающихся величиной амплитуды после термической обработки в исследуемой температурной области может быть связано с изменением механизма деформации образцов. Основную роль, очевидно, начинают играть источники высокоамплитудных сигналов, какими прежде всего могут быть двойники. Металлографические результаты исследований подтверждают наличие большого количества двойников в цирконии после отжига от температуры 700°С.

По мере приближения температуры отжига к температуре полиморфного превращения роль процесса двойникования усиливается в структурном состоянии энергетических параметров сигналов АЭ, а с переходом в Р-фазу их роль становится главной в общем потоке сигналов, образованных дефектной структурой по мере проникновения индентора в глубь исследуемых металлов. Кроме того с переходом в Р-фазу наличие такого многообразия сигналов АЭ может быть связано со специфичной структурой, образованной в результате охлаждения и изменением концентрации примесей на границах блоков и в межреечном пространстве.

Распространение двойниковой прослойки в исследуемых металлах сопровождается скольжением как в материковой части кристалла, так и в теле двойника. Линии базисного скольжения, предшествующие двойникованию в титане выделяются на большем расстоянии друг от друга в сравнении с прохождением их в цирконии и проходят по всему полю кристалла, пересекая двойниковую прослойку, меняя свою ориентацию.

Рисунок 19 - Общий вид двойников (сканирующая зондовая микроскопия), полученных под действием индентирования при нагрузке 50 г. Здесь а - клиновидный двойник Ъх, б - "П Дислокации, осуществляющие это скольжение, останавливаются у границ двойниковой прослойки, изменяя рельеф, образуя выпуклость с заметной впадиной перед границей двойниковой прослойки в Ъх и "П. За гребнем двойниковой прослойки тоже образуется вспученность и поверхность кристалла в области аккомодации в 7л наклонена по отношению к поверхности материнского кристалла под большим углом в сравнении с углом наклона в Ть

Исследования профилограмм, построенных по данным, полученных с помощью сканирующего зондового микроскопа, позволили оценить размеры и строение двойника и аккомодационных зон.

С обеих сторон двойниковой прослойки находятся зоны аккомодации, имеющие существенно большие размеры, чем сам двойник с углами наклона к материнскому кристаллу около 2° у циркония и около 1° у титана. Высота зоны аккомодации перед двойниковой прослойкой -10 нм и ~25 нм за двойниковой прослойкой у циркония и ~50 нм перед двойниковой прослойкой и

Рисунок 20 — Профиль сечения двойниковой прослойки в устье двойника Ъх (а) и Тл (б) (по оси х - мкм, по у - нм) Из табличных данных (табл. 4) видно, что цирконий и титан существенно отличаются параметрами решетки в ГПУ-состоянии. Очевидно это и является одной из причин, влияющих на геометрическую конструкцию образованных двойников.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Дорекристаллизационный отжиг титана (150-500°С) и циркония (150350°С) не приводит к заметному изменению макроструктуры, что позволяет утверждать о термостабильности данных материалов в данном диапазоне температур.

2. При низкой скорости охлаждения и атмосферном давлении в цирконии и титане в температурном диапазоне 150-1100°С процесс изменения физико-механических свойств хорошо согласуется с характером изменения электрического сопротивления. При ß—>а -превращении в диапазоне температур 1000-1100°С отмечается аномальным поведением электрического сопротивления, что, очевидно, связано с атомной структурой веществ.

3. Механически характеристики в результате температурного воздействия имеют различные параметры, но характер их поведения отличается синхронностью и хорошо согласуется со структурными изменениями.

4. Установлены особенности зависимости значений параметров АЭ от температуры отжига при деформировании как индентированием, так и пластической деформацией растяжением.

5. Установлено, что размеры клиновидных двойников характеризуются структурным состоянием металлов, но находятся в прямой зависимости от атомного строения, влияющего на геометрические размеры решетки ГПУ - структурного состояния исследуемых металлов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Камышанченко, Н.В. Сравнение состояний структуры и физико-механических свойств циркония и титана ВТ 1-0 после нагрева и медленного охлаждения / Н.В. Камышанченко, Е.С. Кунгурцев, М.С. Кун-гурцев, И.С. Никулин // Научные ведомости Белгородского государственного университета. - Серия: Математика. Физика. - 2011. - Т. 25. -№23.-С. 229-234.

2. 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, Е.С. Кунгурцев, М.С Кунгурцев // Перспективные материалы. - 2012. - № 1. - С. 52-57.

3. Камышанченко, Н.В. Экспериментальное определение преимущест венных механизмов релаксации напряжений при деформации металлов с ГПУ-решеткой / Н.В. Камышанченко, И.С. Никулин, Е.С. Кунгурцев, М.С. Кунгурцев // ПЖТФ. - 2013. - т. 39. - в. 10. - с. 44-48.

4. Камышанченко, Н.В. Особенности двойникующих процессов в титане и цирконии, подверженных термическому воздействию до температуры полиморфного превращения / Н.В. Камышанченко, Е.С. Кунгурцев, М.И. Дурыхин, В.А. Беленко // Вестник Тамбовского университета -Серия: Естественные и технические науки. - 2013г. - Т. 18 - В. 4 - 2ч.

21

5. Камышанченко Н. В. Свидетельство №55 о регистрации в качестве ноу-хау результата интеллектуальной деятельности "Универсальная закалочная установка"/ Камышанченко Н. В., Кунгурцев М. С., Кун-гурцев Е.С., Никулин И. С., 2011.

6. Камышанченко Н. В. Свидетельство №56 о регистрации в качестве ноу-хау результата интеллектуальной деятельности "Датчик для измерения удельного электрического сопротивления"/ Камышанченко Н. В., Кунгурцев С. А., Кунгурцев М. С., Кунгурцев Е.С., Никулин И. С., 2011.

7. Bakai, S. A. Effect of the Ultrasound Action on the Acoustic Emission

and Mechanical Properties of Zirconium-Based Bulk Metallic Glasses / S. A. Bakai, О. I. Volchok, P. I. Stoev, N. V. Kamyshanchenko, E. S. Kungurtsev //Acoustical Physics. - 2012. - Vol. 58. - No. 3. - pp. 277-280.

8. Иванов, М.Б. Механические свойства наноструктурного титана се рийного производства / М.Б. Иванов, Ю.Р. Колобов, Е.В. Голосов, И.Н. Кузьменко, В.П. Вейнов, Д.А. Нечаенко, Е.С. Кунгурцев // Российские нанотехнологии. - 2011. - Т. 6. - № 5-6. - С. 108-114.

Подписано в печать 14.11.2013. Гарнитура Times New Roman Формат 60x84/16.Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 179. Оригинал-макет подготовлен и тиражирован в ИД «Белгород» НИУ «БелГУ» 308015, г. Белгород, ул. Победы, д. 85