65496

Закономірності фазових і структурних перетворень в сплавах на основі системи ti-si при гартуванні та відпуску

Автореферат

Физика

Розробка новітніх сплавів передусім ґрунтується на досягненнях фізичного матеріалознавства в основному на даних досліджень фазових і структурних перетворень та фізики міцності. Водночас можливості таких методів структурної інженерії як легування в області твердих розчинів пластична деформація і термічна...

Украинкский

2014-07-30

11.77 MB

1 чел.

PAGE 1

Національна академія наук україни

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І. М. Францевича

Ткаченко Сергій Васильович

УДК 669.017.3:669.017.3:620.18

Закономірності фазових і структурних перетворень в сплавах на основі системи ti-si при гартуванні та відпуску

Спеціальність 01.04.13 – фізика металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України.

Науковий керівник:

академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Фірстов Сергій Олексійович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, заступник директора.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук

Подрезов Юрій Миколайович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу;

доктор технічних наук Ахонін Сергій Володимирович, Інститут електрозварювання ім. О. Є. Патона НАН України, завідувач відділу.

Захист відбудеться “17” листопада 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: 03680, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: 03680, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розіслано 14жовтня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01  

кандидат технічних наук                                                                 Н.П. Коржова    

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиліття все більше зростають вимоги до конструкційних матеріалів на основі титану, які широко використовуються в авіації, енергетиці, медицині, космічній техніці і хімічній промисловості. Необхідні матеріали з підвищеними характеристиками міцності, жароміцності, жаростійкості, зносостійкості, високим модулем Юнга, але в той же час досить пластичні та в’язкі в широкому інтервалі температур. Розробка новітніх сплавів передусім ґрунтується на досягненнях фізичного матеріалознавства, в основному, на даних досліджень фазових і структурних перетворень, та фізики міцності. Водночас можливості таких методів структурної інженерії, як легування в області твердих розчинів, пластична деформація і термічна обробка, які використовуються для покращення властивостей традиційних титанових сплавів, на даний момент є вичерпаними. Тому особливий інтерес становить підвищення експлуатаційних характеристик титану за рахунок введення в його структуру жароміцних сполук (наприклад, силіцидів, боридів, інтерметалідів) та застосування комплексу методів термічної і деформаційної обробки.

Зокрема,  сплави на основі системи Ti–Si завдяки особливостям своєї структури, яка складається з легованої титанової матриці та зміцнюючоï силіцидноï фази, відкривають широкі можливості для створення природних (in situ) композитів. В літературі дослідження фазових рівноваг в системі Ti–Si представлені, в основному, роботами М. Хансена, Д. Саткліфа,  І.І. Корнілова, В.М. Свєчнікова, М.В. Буланової, вивчення впливу легування і модифікування на структуру і властивості сплавів – роботами  Р.Л. Саха, І.Д. Горної. Дослідження структурних перетворень в цих сплавах та їх впливу на механічні властивості проведені С.Г. Глазуновим, А.О. Поповим, В.І. Мазуром. Для підвищення механічних властивостей С.Г. Глазунов, Х. Флауер застосовували загартування з метою одержання мартенситної структури,  Ф. Кросман і Г. Фроммайєр використовували направлену кристалізацію.

Дослідження попередників показали, що використання загартування для створення метастабільних структур мартенситного типу може бути використане для підвищення механічних властивостей сплавів системи Ti–Si, передусім, міцності і твердості. В той же час, комплексні дослідження фізичних закономірностей фазо- і структуроутворення в сплавах системи Ti–Si при їх загартуванні, а також при легуванні такими елементами як Al, Zr, Hf, Nb і Mo проведені в неповному обсязі або не проведені взагалі. Крім того, такі унікальні фізичні характеристики титану, як невисока теплопровідність і висока теплоємність, обумовлюють необхідність дослідження особливостей структуроутворення цих сплавів при їх загартуванні з різною швидкістю, а також вивчення впливу швидкості загартування на основні механічні характеристики, а саме, на твердість, міцність, модуль пружності та зносостійкість. Використання гартування як методу впливу на структуру і фазовий склад сплавів системи Ti–Si, а також змінна розчинність кремнію в титані, робить можливим використання дисперсійного твердіння для підвищення їх механічних характеристик, тому ще одним актуальним напрямком досліджень є вивчення  впливу відпуску на структурно-фазовий стан цих сплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких приведені в дисертаційній роботі, виконувалися в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича в рамках бюджетних науково-дослідних робіт:

  •  0102U001260 «Структурні та фізико-механічні підґрунтя оптимізації властивостей перспективних жароміцних сплавів на основі титану», 2001-2006 р.р.;
  •  0105U003546 «Структурні та фазові перетворення в сплавах систем Ti-Si-X та TiBX та їх вплив на фізико-механічні властивості матеріалів на їх основі», 2005-2008 р.р.;
  •  0109U002362 «Структурні основи створення комплекснолегованих матеріалів на базі титану, цирконію, хрому з підвищеною жорсткістю та оптимальним сполученням міцності і пластичності», 2009-2011 р.р

 Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи було встановлення основних закономірностей фазових і структурних перетворень та їх впливу на механічні властивості в сплавах на основі системи Ti–Si при їх комплексному легуванні такими елементами як Al, Zr, Hf, Nb і Mo, а також при їх загартуванні і наступному відпуску в широкому інтервалі температур.

Досягнення поставленої мети визначало вирішення наступних задач:

  •  Визначити закономірності зміни структури, фазового стану та механічних властивостей  сплавів системи Ti–Si–Х (де Х – Al, Zr, Hf, Nb, Mo) при їх гартуванні з різних фазових областей, а саме з однофазної β-області і двофазної (β+силіцид)-області;
  •  Експериментально встановити закономірності формування структури в сплавах системи Ti–Si при різних швидкостях гартування і додатковому легуванні Zr, а також виявити зв'язок структурно-фазового стану та механічних властивостей;
  •  Дослідити вплив відпуску при різній температурі на закономірності зміни структурно-фазового стану сплавів Ti–Si–Х, а саме, на характер розпаду твердого розчину, процеси формування і коагуляції силіцидної фази, а також визначити зв'язок структури і механічних властивостей.

Об'єкт дослідження: фізичні закономірності структурно-фазових перетворень і зміни механічних властивостей сплавів системи Ti–Si–Х при їх гартуванні і відпуску.

Предмет дослідження: структура, фазовий склад механічні властивості сплавів системи Ti–Si–Х.

Методи дослідження: оптична, трансмісійна та скануюча електронна мікроскопія, рентгенівська дифракція, вимірювання твердості, механічні випробування на розтягнення, стиснення та вигин, випробування на зносостійкість.

Наукова новизна отриманих результатів. Дана робота є однією з перших спроб встановлення закономірностей структурно-фазових перетворень в сплавах на основі системи Ti–Si при їх комплексному легуванні та зміцнюючій термічній обробці. До найбільш важливих результатів, які відповідають критерію наукової новизни, можна віднести наступні:

  •  Вперше вивчено закономірності фазових і структурних перетворень у новому класі об’єктів – титанових „сталях” (сплави системи TiSi з вмістом кремнію до 4,7 ат.%) при термічній обробці. Встановлена подібність та відмінність фазових перетворень титан-кремнієвих та залізо-вуглецевих сплавів. Подібність полягає у можливості реалізації практично всіх видів фазових перетворень (мартенситне, евтектичне, евтектоїдне, розпад пересичених твердих розчинів), а відмінність у тому, що на відміну від вуглецю (домішка втілення) кремній є домішкою заміщення, що суттєво впливає на кінетику фазових і структурних перетворень.
  •  Вперше досліджено вплив додаткового легування Al, Zr, Hf, Nb, Mo на закономірності зміни морфології, субструктури мартенситу і параметри гратки сплавів системи Ti–Si–Х при їх гартуванні з однофазної β-області. Вперше встановлено, що в сплавах, легованих Zr і Hf, утворюється α''-мартенсит з орторомбічною граткою, причому ромбічне спотворення кристалічної гратки спричиняється впорядкуванням у високотемпературному β-твердому розчині з утворенням доменів упорядкування у вигляді антифазних доменних границь (АФГ), що потім наслідуються низькотемпературною фазою при мартенситному перетворенні. Запропоновано кластерну модель впорядкування, яка пояснює утворення антифазних доменних границь.
  •   Вперше досліджено вплив різної швидкості охолодження й легування Zr на структуроутворення, фазовий склад й механічні властивості сплавів системи Ti–Si. Показано, що поверхневе гартування сприяє формуванню градієнтних структур з різною морфологією і дисперсністю мартенситу в залежності від швидкості охолодження, яка змінюється в інтервалі 1,5–500 °С/с. Встановлено, що додаткове легування цирконієм сприяє підвищенню дисперсності та твердості мартенситу загартування. З’ясовано, що при швидкостях охолодження, менших за 410 °С/с, відбувається розпад мартенситної структури і виділення з пересиченого твердого розчину силіцидів різної морфології і дисперсності. Виявлено, що легування цирконієм сприяє інтенсифікації виділення силіцидів і зміні їх типу з Ti5Si3 на Ti2Si. Знайдено корелятивний зв'язок між зносостійкістю загартованих з різною швидкістю сплавів системи Ti–Si і величиною H3/E2 (критерієм Джонсона), що визначалася за допомогою методу автоматичного індентування.
  •  Вперше проведено оцінку енергії активації розпаду пересичених твердих розчинів  сплавів Ti–Si–X, яка складає близько 100 кДж/моль і є значно вищою за енергію активації залізовуглецевих сплавів (близько 40–60 кДж/моль). Визначено інтервал зміцнюючого відпуску, який становить близько 520–540 °С  і є значно вужчим у порівнянні  з вуглецевими сталями, в яких відпуск проходить в інтервалі температур 150–450 °С. Нижня температурна межа відпуску у сплавів Ti–Si–X становить приблизно 500 °С, нижче якої процесі відпуску проходять дуже повільно. Верхня межа обмежена температурою 600 °С, вище якої відбувається інтенсивне протікання процесів роззміцнення і розпаду мартенситу гартування.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі дані про закономірності структурно-фазових перетворень та механічні властивості сплавів системи Ti-Si при їх комплексному легуванні, гартуванні і наступному відпуску суттєво розширюють наукові основи створення новітніх титанових сплавів. Дослідження різних швидкостей гартування дозволило розробити основи поверхневого гартування сплавів системи Ti–Si–Х, завдяки чому вдалось сформувати градієнтні структури з механічними властивостями, що змінюються по об'єму зразка, а саме високою твердістю, міцністю і зносостійкістю поверхневих шарів матеріалу і пластичною й в’язкою серцевиною.

Отримані результати дозволяють розраховувати на можливе промислове застосування новітніх титанових сплавів  на основі системи  Ti–Si  з підвищеними зносостійкістю, міцністю, високотемпературними властивостями, зокрема, в медицині, автомобільній, нафтопереробній та хімічній промисловості.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є  узагальненням результатів досліджень, які були виконані автором в Інституті проблем матеріалознавства НАН України під керівництвом академіка, д.ф.-м.н., професора Фірстова С.О. Автором самостійно проведено аналіз літературних джерел, термічну обробку зразків сплавів, дослідження методом оптичної мікроскопії, аналіз рентгенографічних і електронно-мікроскопічних даних, комп’ютерну обробку результатів, вимірювання методом автоматичного індентування. Постановка завдань і розробка проблематики досліджень виконувалася разом з Фірстовим С.О. і н.с. Дацкевичем О.В., електронно-мікроскопічні дослідження були проведені разом з к.ф.-м.н. Котком А.В., рентгенографічні дослідження виконувалися разом з к.ф.-м.н. Бегою М.Д., механічні випробування були проведені разом з м.н.с. Бродніковським Д.М., н.с. Варченком В.Т. і м.н.с. Закієвим В.І. (Національний авіаційний університет України). Опрацювання та трактування отриманих експериментальних даних проводилися разом з Фірстовим С.О. і Дацкевичем О.В.

Апробація результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних наукових конференціях:

  •  VI Міжнародна науково-практична конференція молодих вчених і студентів "Політ", 11–12 квітня 2006 р., м. Київ, Україна;
  •  VII Міжнародна науково-практична конференція молодих вчених і студентів "Політ", 1213 квітня 2007 р., м. Київ, Україна;
  •  Київська конференція молодих вчених «Новітні матеріали та технології» 16–17 листопада 2006 р., м. Київ, Україна;
  •  Всеукраїнська конференція молодих вчених «Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології» 12–14 листопада 2008 р., м. Київ, Україна;
  •  Міжнародна конференція "Ti-2007 в СНГ", 15–18 квітня 2007 р., м. Ялта, Україна;
  •  Міжнародна конференція "Ti-2010 в СНГ", 16-19 травня 2010 р., м. Єкатеринбург, Росія;
  •  Міжнародна конференція «Сучасні проблеми фізики металів», 7-9 жовтня 2008 р., м. Київ, Україна;
  •  IV Міжнародна конференція «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій», 23-27 червня 2009 р., м. Львів, Україна;
  •  49 Міжнародна конференція «Актуальные проблемы прочности» 14–18 червня 2010 р., м. Київ, Україна.

Публікації. Матеріали дисертації викладено у 8 друкованих роботах, з них 6 статей у наукових журналах і  2 у матеріалах наукових конференцій.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків і списку літератури (154 найменування). Дисертація складається з 132 сторінок, включаючи 6 таблиць і 66 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

 У вступі наведене обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі досліджень, відображені наукова новизна й практична цінність результатів і позначений особистий внесок автора, наведена структура роботи.

 У першому розділі викладено аналіз сучасних матеріалів на основі титану, їхні властивості, галузі застосування, а також особливості їх структури й механічних властивостей, на основі чого визначені необхідні вимоги до нових матеріалів на основі титану.  

Представлено основні дані про структурні особливості чистого титану та його кристалічну будову.  Проведено аналіз особливостей фазового α↔β перетворення в чистому титані, а саме характер кооперативного зсуву атомів при поліморфному перетворенні, а також вплив на нього різних легуючих елементів. Головна особливість зміни структурно-фазового стану титанових сплавів при метастабільних перетвореннях полягає, головним чином, у тому, що при швидкому охолодженні з β-області можливе утворення α΄- або α˝-мартенситу з ГЩУ або орторомбічною граткою, відповідно, або атермічний розпад β-фази на ω-фазу. Легуючі елементи суттєво впливають на структуру, фазовий склад й механічні властивості титанових сплавів при цих перетвореннях. Відповідно, метастабільні перетворення в комплекснолегованих титанових сплавах,  які протікають при швидкому охолодженні з β-області, можуть бути використані для підвищення їх механічних властивостей.

Наведено огляд літературних джерел, присвячених дослідженню фазових і структурних рівноваг у сплавах системи Ti-Si. На підставі подібності особливостей структуро- і фазоутворення в системах Ti–Si і Fe–C запропоновано поділ сплавів на основі системи Ti-Si, за аналогією зі сталями й чавунами, на титанові «сталі» і «чавуни». До титанових «сталей» слід віднести сплави зі вмістом кремнію до межі розчинності в β-титані (0.8-4.7 ат. %), які можуть бути загартовані на однорідний твердий розчин, а до титанових «чавунів» - сплави із вмістом кремнію (4.7-13.6 ат. %), у яких зміцнююча фаза формується в процесі евтектичноï кристалізації. З цієї причини до сплавів системи Ti–Si можливе застосування термічної та термомеханічної обробок, що зазвичай застосовуються для залізовуглецевих сплавів, наприклад, загартування з однофазної чи двофазної області з наступним відпуском. Дослідження еволюції структури і механічних властивостей сплавів даної системи при гартуванні і відпусках проведені, в деякій мірі, С.Г. Глазуновим і Х. Флауером. Зроблено висновок про необхідність визначення фізичних закономірностей зміни фазового складу, структури та властивостей сплавів системи Ti-Si при їх загартуванні з різною швидкістю і з різних температур, наступному відпуску в широкому температурному інтервалі, а також дослідження впливу легування на характер структурно-фазових перетворень і механічні властивості цих сплавів.

 У другому розділі представлене обґрунтування вибору об'єктів досліджень, опис лабораторних приладів, які були використані для одержання й дослідження зразків, наведені схеми термічної й деформаційної обробки сплавів.

Як об'єкт дослідження було обрано сплави на основі системи Ti–Si, леговані Al, Zr, Hf, Mo, Nb, із вмістом кремнію 4 ат. % (склад сплавів всюди приведено в ат.%), близьким до межі його граничної розчинності у α-титані, для досягнення максимального ефекту зміцнення при загартуванні (табл. 1). В якості легуючих елементів було взято α-стабілізуючий елемент Al, β-стабілізатори Nb і Mo та Zr і Hf як елементи, які мають велику спорідненість до кремнію і дозволяють впливати на формування силіцидної фази.

Всі сплави виплавлялися на основі високочистих компонентів методом аргонно-дугової плавки з вольфрамовим електродом, окрім  сплаву №12, який виплавлявся методом електронно-променевої плавки.

Литі сплави №1-7 піддавалися деформації осадженням при температурі 900 °С зі ступенем ε=50 %, після чого були відпалені при температурі 800 °С протягом 2 годин. Сплави №8-12 піддавалися лише гомогенізуючому відпалу при температурі 800 °С протягом 2 годин.

Гартування зразків сплавів №1-7 проводилося від температур 900–1300 °С, для чого зразки нагрівалися в печі електроопору в атмосфері аргону, витримувались при цій температурі 30 хв і охолоджувалися в 10 %-ний водяний розчин повареної солі. Відпуск загартованих сплавів №1-7, 12 був проведений при температурах 500–800 °С на повітрі в печі електроопору.

Таблиця 1

Хімічний склад сплавів.

Сплав

Хімічний склад (ат. % )

Si

Al

Zr

Hf

Mo

Nb

1

Ti-4Si

4,02

-

-

-

-

-

2

Ti-4Si-4Zr

4,00

-

4,02

-

-

-

3

Ti-4Si-4Al

4,10

5,12

-

-

-

-

4

Ti-4Si-4Hf

4,11

-

-

4,11

-

-

5

Ti-4Si-4Nb

4,01

-

-

-

-

4,00

6

Ti-4Si-4Mo

4,02

-

-

-

4,09

-

7

Ti-3,9Si-5,3Al-2,7Zr

3,90

5,30

2,70

-

-

-

8

Ti-4,2Si

4,19

-

-

-

-

-

9

Ti-4,2Si-0,5Zr

4,21

-

0,52

-

-

-

10

Ti-4,3Si-1,6Zr

4,25

-

1,57

-

-

-

11

Ti-4,3Si-2,6Zr

4,29

-

2,64

-

-

-

12

Ti-3,4Si-4,2Al-2,8Zr

3,40

4,20

2,80

-

-

-

Дослідження впливу швидкості охолодження на структурно-фазовий стан  і механічні властивості сплавів системи Ti–Si,  легованих цирконієм, проводили на сплавах №8–11 з використанням методики поверхневого гартування. Гартування проводили з температури 1300 °С, витримка для гомогенізації при температурі гартування становила 30 хв. Загартування проводилось струменем води, спрямованим в торець зразка, закріпленого в приладі.

Структурні дослідження проводили методами оптичної, скануючоï і електронної мікроскопії на приладах Jenaphot-2000, JEOL Superprobe-733 і JEM-100CX, відповідно. Аналіз мікрофотографій проводився за допомогою програми Image-Pro Plus 3.0, яка дозволяє проводити визначення кількісних характеристик структури матеріалів та їх статистичний аналіз.

Фазовий склад і кристалічну будову сплавів у даній роботі досліджували рентгенографічним методом на дифрактометрі ДРОН-3М, удосконаленому під керування персональним комп’ютером. Зйомку проводили в інтервалі кутів 20-120º 2Θ у Cu Кα-випромінюванні. Крок сканування складав 0.05º 2Θ, витримка на кожну точку складала 20 секунд. Обробку рентгенограм проводили за методом Рітвельда в програмі Powder Cell версії 2.3. Ця програма дозволяє шляхом співставлення розрахункової і експериментальної дифрактограм проводити аналіз фазового складу та уточнення кристалічної структури присутніх фаз, визначати їх структурні параметри.

Дослідження механічних властивостей проводили методами виміру твердості по Вікерсу, вимірами твердості з автоматичним записом кривих індентування на приладі «Мікрон-Гамма», випробуваннями на одноосьове розтягнення, стиснення та вигин.

Випробування зносостійкості в парах «метал-метал» проводили по схемах «вал-циліндр» і «вал-площина» на машині тертя МТ-68. У процесі експерименту  фіксували силу тертя й лінійний знос пари тертя, по  яких розраховувалися коефіцієнт тертя (ƒ) і зносостійкість (Імкм).

Третій розділ присвячено дослідженню впливу загартування та комплексного легування Al, Zr, Nb, Mo на структурно-фазовий стан і механічні властивості сплавів системи Ti-Si. Описані особливості структури,  фазового складу і будови кристалічної гратки сплавів Ti-Si-X в стані після лиття, деформації та відпалу. Наведено оптичні та електронно-мікроскопічні дослідження загартованих з однофазної β-області сплавів, а також представлений аналіз зв’язку параметрів структури та механічних властивостей.

Структура сплавів Ti-Si-X у стані після деформації та відпалу у випадку легування Al, Zr та Hf складалася з зерен α-фази розміром 100–200 мкм із включенням силіцидів, а у випадку легування Nb або Mo – з (α+β)-матриці із включеннями силіцидів (Рис. 1).

Аналіз параметрів елементарних граток сплавів показав, що зміна об’єму елементарних граток при легуванні титану Si, Al та Zr підпорядковується залежності типу:

V=V0+KSi·CSi+ KAl·CAl+ KZr·CZr,                                  (1)

де V0 – об’єм елементарної гратки чистого титану; Ki – коефіцієнт, який характеризує зміну об’єму елементарної гратки чистого титану при додаванні 1 ат.% і-го легуючого елементу; Сі – концентрація і-го легуючого елементу в твердому розчині.

Коефіцієнти Ki були розраховані за літературними даними про вплив легування Si, Al та Zr на параметри кристалічної гратки в бінарних сплавах титану і становили, відповідно, -0,0037, -0,00012 та 0,0072 нм3.

а

б

Рис. 1. Мікроструктура сплавів Ti–4Si–4Al (а) і Ti–4Si–4Nb (б) після деформації при 900 °С та відпалу при 800 °С, 2 год (СЕМ).

Електронно-мікроскопічні дослідження загартованого сплаву Ti–4Si показали, що він набув структури α΄-мартенситу із ГЩУ граткою. Наявність в структурі виділень дисперсних силіцидів розмірами 0,05-0,1 мкм по границях мартенситних пластин і на дислокаціях свідчить про розпад мартенситу і вказує на те, що при загартуванні цього сплаву неможливе досягнення критичної швидкості. Це приводить до дифузійного перерозподілу кремнію і виділення його з твердого розчину в процесі загартування. Ця обставина обумовлює необхідність легування бінарного сплаву елементами, які знижують дифузійну рухливість кремнію в гратці титану.

Встановлено, що при легуванні бінарного сплаву Ti–4Si алюмінієм і цирконієм в загартованих сплавах Ti–4Si–4Al і Ti–3,9Si–5,3Al–2,7Zr утворюється α΄-мартенсит із ГЩУ граткою, однак його морфологія поступово змінюється від масивної в бінарному сплаві до змішаної в сплаві Ti–4Si–4Al і пластинчастої в сплаві Ti–3,9Si–5,3Al–2,7Zr (Рис. 2). Цей перехід узгоджується з літературними даними про вплив легуючих елементів на температуру початку мартенситного перетворення MS у подвійних сплавах титану. Субструктура мартенситів у цих сплавах дислокаційна, щільність дислокацій у сплавах Ti–4Si і Ti–3.9Si–5.3Al–2.7Zr досягає 1012 см-2. Також у сплаві Ti-4Si-4Al спостерігаються дефекти пакування, наявність яких за даними Шишмакова А.С. обумовлена присутністю в сплаві алюмінію, який знижує енергію їх утворення.

Встановлено, що кремній посилює ефект β-стабілізації при загартуванні сплавів з β-стабілізаторами Nb і Mo у порівнянні з бінарними сплавами систем Ti-Nb і Ti-Mo, завдяки чому сплав Ti–4Si–4Mo зберігає структуру високотемпературної  β-матриці з ОЦК-граткою, а в сплаві Ti–4Si–4Nb формується α'-мартенсит із залишкової β-фазою.

а

б

в

Рис. 2. Зміна морфології мартенситу за схемою «масивна-змішана-пластинчата» в загартованих від 1300 °С сплавах Ti–4Si (а), Ti–4Si–4Al (б) і Ti–3.9Si–5.3Al–2.7Zr (в) (ТЕМ).

У сплавах Ti–4Si–4Zr і Ti–4Si–4Hf після гартування утворюється пластинчастий α''-мартенсит з орторомбічною граткою і двійниковою субструктурою (Рис. 3 а). Всередині мартенситних кристалів присутні антифазні доменні границі (АФГ), що вказує на протікання в цих сплавах впорядкування у високотемпературному β-твердому розчині. Це було підтверджено рентгенівськими дослідженнями сплаву Ti-4Si-4Hf при високій температурі. Наявність впорядкування спостерігалася в перших порціях β-фази при 900 °С, про що свідчить поява на дифрактограмі забороненого для ОЦК-гратки рефлекса (100) (Рис. 3 в). Така впорядкована структура успадковується мартенситом гартування.

Для утворення порядку в твердому розчині, наприклад, типу Ll2 чи DO19, потрібна достатня кількість легуючого елемента для правильної стехіометрії, що в нашому випадку не виконується. Тому для пояснення впорядкування в сплавах  Ti–Si–Х запропонована кластерна модель, за якою впорядкування відбувається в високотемпературній β-фазі в локальних об’ємах матеріалу у вигляді кластерів (Рис. 4), які представляють собою два атоми кремнія в окресі атомів титану і цирконію (чи гафнію). Сегрегації атомів кремнію у кластер сприяють атоми цирконію (чи гафнію), які відрізняються підвищеною спорідненістю до кремнію. Подібна модель запропонована в роботі Єршова Н.В., Чернеткова Ю.П. та інших для сплавів системи Fe–Si нестехіометричного складу з вмістом кремнію до 8 ат. %. В нашому випадку АФГ виникає внаслідок різної орієнтації кластерів вздовж напрямків <100> ОЦК-гратки в різних ділянках мартенситної пластини. Таким чином, можна зробити висновок, що ромбічне спотворення кристалічної гратки в цих сплавах обумовлено ближнім упорядкуванням кластерами в ОЦК-решітці високотемпературної β-фази.

а

б

в

Рис. 3. Мікроструктура сплаву Ti–4Si–4Hf (а, б), загартованого від 1300 °С, та його дифрактограма при 900 °С (в).

Рис. 4. Модель кластерів та антифазної доменної границі в упорядкованих сплавах Ti–4Si–4Zr та Ti–4Si–4Hf.

Виявлені закономірності зміни структурно-фазового стану у сплавах Ti-Si-X при гартуванні з однофазної β-області дозволили запропонувати загальну схему структурно-фазових перетворень у цих матеріалах  (Рис . 5).

Дослідження впливу структурно-фазового стану на механічні властивості сплавів Ti–Si–X показали, що твердість і міцність загартованих сплавів корелюють з фазовим складом сплаву, морфологією та субструктурою мартенситу загартування. Показано, що загартування дозволяє істотно підвищити твердість і міцність вихідних сплавів (Рис. 6 а). Максимальний приріст твердості після загартування спостерігається в упорядкованих сплавах Ti–4Si–4Zr і Ti–4Si–4Hf з орторомбічним -мартенситом із двійниковою морфологією мартенситу та у сплаві Ti–3,9Si–5,3Al–2,7Zr з гексагональним ΄-мартенситом пластинчатої морфології. Мінімальний приріст твердості та міцності після загартування спостерігається в сплаві Ti–4Si–4Nb з (α'+β)- та в сплаві Ti–4Si–4Mo з β-структурою. Проміжне положення займають сплави Ti–4Si  і Ti–4Si–4Al зі структурою масивного α'-мартенситу з відносно великими пластинами.

Модуль пружності всіх сплавів при загартуванні з β-області знижується, найбільш інтенсивно в сплавах, легованих Nb і Mo (Рис. 6 б). Це пояснюється тим, що при гартуванні за рахунок утворення метастабільної структури пересиченого твердого розчину зростає питомий об’єм елементарної гратки, що обумовлює її підвищену чутливість до зсуву.

а

б

Рис. 6. Вплив легування на твердість (а) і модуль пружності (б) відпалених і загартованих з температури 1300 °С сплавів системи Ti-Si.

Дослідження впливу температури загартування на механічні властивості сплавів  Ti–4Si і Ti–4Si–4Zr при кімнатній температурі показують, що з ростом температури гартування твердість і міцність сплавів підвищуються, однак пластичні характеристики після 1100–1200 ºС суттєво знижуються (Рис. 7). Це відбувається через зростання  ступеня легованості твердого розчину, а також за рахунок інтенсивного росту зерна при витримці під гартування у однофазної β-області. На це також вказує зміна механізму руйнування з транскристалітного на інтеркристалітний при механічних випробуваннях на розтяг (Рис. 8). Структурні дослідження показують, що силіциди, які розміщуються по границям зерна, стримують його інтенсивний ріст і сприяють збереженню достатнього рівня пластичності у матеріалі. Це приводить до необхідності гартування сплавів Ti–Si із двофазної (β+силіцид)-області.

Рис. 7. Вплив температури загартування на границю міцності, відносне подовження і розмір зерна сплаву Ti–4Si–4Zr.

а

б

в

Рис. 8. Зміна механізму руйнування відпаленого сплаву Ti–4Si–4Zr (а) після загартування з температури 1200 ºС (б) і 1300 ºС (в).

У четвертому розділі роботи представлені результати дослідження впливу швидкості охолодження та легування цирконієм на закономірності формування структурно-фазового стану і фізико-механічних властивостей сплавів на основі системи Ti-Si. Гартування з різною швидкістю реалізовано за допомогою методу поверхневого гартування з 1300 °С. Оцінка швидкості гартування на різній відстані від загартованої поверхні базувалася на основі роботи Т. Ахмеда і Х. Река, за якою швидкість гартування 410-525 ºС/с досягається в приповерхневих зонах зразків (1-2 мм від поверхні). На відстані від 2 до 10 мм швидкість знижується з   410 ºС/с до 20 ºС/с, а на більших відстанях від поверхні швидкість знижується до 1,5 ºС/с  и нижче.

Показано, що гартування бінарного сплаву Ti–4,2Si зі швидкістю 410-525 ºС/с приводить до формування мартенситної структури масивної морфології, зі швидкістю 20-410 ºС/с – до формування структури, яка складається з мартенситу відпуску і силіцидів, які виділилися з пересиченого твердого розчину. Гартування зі швидкістю, меншою за 20 ºС/с, приводить до утворення пластинчатої α-фази і силіцидів без утворення пересиченого твердого розчину. Легування бінарного сплаву Ti–4,2Si цирконієм сприяє поступовому переходу від масивної морфології мартенситу до пластинчастої (Рис. 9) в сплавах Ti–4,2Si–0,5Zr, Ti–4,3Si–1,6Zr і Ti–4,3Si–2,6Zr, що супроводжується збільшенням його дисперсності, а також твердості.

Рис. 9. Вплив швидкості гартування на структурно-фазовий стан сплаву Ti–4,3Si–2,6Zr.

Дослідження механічних властивостей цих сплавів показали, що легування цирконієм сприяє підвищенню їх загартовуваності і прогартовуваності як за рахунок більш високого ступеня твердорозчинного зміцнення при введенні більшої кількості цирконію, так і за рахунок утворення високодисперсного мартенситу. Прогартовуваність сплавів Ti–4,3Si–1,6Zr і Ti–4,3Si–2,6Zr знаходиться на рівні 5-6 мм, що вище, ніж у бінарного сплаву Ti–4,2Si та сплаву Ti–4,2Si–0,5Zr, де прогартовуваність складає близько 2-3 мм (Рис. 10 а). Однак легування цирконієм приводить до більш інтенсивного виділення силіцидів з пересиченого твердого розчину, що приводить до зниження твердості і міцності титанової матриці, особливо в сплавах Ti–4,3Si–1,6Zr і Ti–4,3Si–2,6Zr. Структурні дослідження показали, що цирконій також приводить до зміни типу силіцидів з Ti5Si3 на (Ti,Zr)2Si і до підвищення їх дисперсності.

Зниження модуля пружності об'ємів матеріалу біля загартованої поверхні зразків і поступове його підвищення у  віддалених від неї зонах (Рис. 10 б) знаходиться у відповідності з дослідженнями, проведеними у розділі 3, а саме що при гартуванні за рахунок утворення метастабільної структури пересиченого твердого розчину зростає питомий об’єм елементарної гратки при поверхневих шарів матеріалу, що обумовлює її підвищену чутливість до зсуву. При віддаленні від загартованої поверхні за рахунок значного зниження швидкості охолодження відбувається розпад мартенситу гартування і виділення кремнію і цирконію з твердого розчину у вигляді силіцидних часток, що приводить до підвищення модуля пружності.

а

б

Рис. 10. Твердість (а) і  модуль пружності (б) сплавів системи Ti–Si–Zr на різній відстані від загартованої поверхні.

Проведено дослідження впливу поверхневого загартування сплаву Ti–4,3Si–2,6Zr на його зносостійкість. Загальновідомі корелятивні зв’язки зносостійкості з твердістю і модулем пружності, згідно яких зростання зносостійкості пропорційне підвищенню твердості чи модулю пружності. Проведено аналіз кореляції між зносостійкістю і величинами твердості H, модуля пружності E і величини H3/E2 (критерія Джонсона), отриманих з використанням методики автоматичного індентування. Критерій Джонсона H3/E2 відповідає початку пластичної течії під індентором при індентуванні матеріалу. Зносостійкість розраховувалася як величина, обернено пропорційна об’єму матеріалу V, що спрацьовується в процесі випробування. Розраховано коефіцієнти кореляції, які становлять: R(H)=0,994, R(E)=0,845, R(H3/E2)=0,999. Показано, що зносостійкість найкраще корелює з величиною критерію H3/E2 (Рис. 11):

.                                               (2)

Рис. 11. Зв'язок зносостійкості і критерію Джонсона H3/E2 для сплаву  Ti–4,3Si–2,6Zr.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження впливу відпуску на еволюцію структури і механічних властивостей загартованих сплавів Ti–Si–X.

Дослідження кінетики розпаду пересиченого твердого розчину загартованого сплаву Ti-3,4Si-4,2Al-2,8Zr в температурному інтервалі 500-600 °С,  показали, що  розпад пересиченого твердого розчину починається вже при 500 ºС, однак швидкість досить повільна (максимум на кривій твердості досягається при 23 годинах відпуску). Підвищення температури відпуску приводить до того, що час досягнення максимуму на кривих твердості зменшується до 14, 6 і 2 годин при температурах 520, 540 і 560 °С відповідно (Рис. 12). Це вказує на інтенсифікацію процесів розпаду мартенситної структури і виділення  силіцидів з пересиченого твердого розчину (Рис. 13). Максимальна твердість досягається при відпуску при температурі 540 ºС, що вказує на більш вузький температурний інтервал дисперсійного твердіння в порівнянні з вуглецевими сталями, в яких відпуск відбувається в інтервалі температур 150-450 ºС.

Рис. 12. Зміна твердості загартованого сплаву Ti–3,4Si–4,2Al–2,8Zr при його відпуску в інтервалі температур 500-600 ºС.

Рис. 13. Темнопольне зображення силіцидів в структурі сплаву Ti–3,4Si–4,2Al–2,8Zr після загартування з 1300 ºС і відпуску при 560 ºС, 4 години.

Підвищення тривалості відпуску приводить до роззміцнення сплаву за рахунок інтенсивного розпаду мартенситної структури. Це проявляється в значному  укрупненні мартенситних пластин за рахунок їх рекристалізації, рості та коагуляції дисперсних силіцидів, що і приводить до зниження твердості сплаву (Рис.14). До роззміцнення приводить і підвищення температури відпуску до 600 ºС, при якій суттєво зростає швидкість дифузійних процесів.

а

б

Рис. 14. Мікроструктура сплаву Ti-3,4Si-4,2Al-2,8Zr після загартування з 1300 ºС і наступного відпуску при 560 ºС на протязі 4 годин (а) і 100 годин (б).

Для сплаву Ti-3,4Si-4,2Al-2,8Zr була визначена енергія активації розпаду пересиченого твердого твердого розчину за рівнянням Ареніуса:

t=t0·exp(U/kT),                                                (3)

де t0 – час досягнення максимуму на кривій твердості; U – енергія активації розпаду пересиченого твердого розчину; Т – температура; k – константа Больцмана. Енергія активації розпаду пересиченого твердого твердого розчину U становить для цього сплаву 106 кДж/моль. Ця енергія є співставимою із типовими енергіями активації дифузії елементів заміщення в бінарних сплавах титану Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr, де вона становить близько 125 кДж/моль. Однак вона набагато вища ніж значення енергії активації вуглецю в залізі, яка становить близько 77 кДж/моль, через те, що вуглець є домішкою втілення, а кремній в титані – домішкою заміщення.

Дослідження впливу легування на кінетику розпаду пересичених твердих розчинів у сплавах Ti–Si–X (де Х – Zr, Al, Hf, Nb, Mo), попередньо загартованих з температури 1300 ºС, показали, що при відпуску при температурі 540 ºС характер розпаду загартованої структури цих сплавів є досить складним і залежить від кількох факторів, а саме від швидкості виділення, росту і коагуляції силіцидів з матриці, швидкості рекристалізації мартенситної α´- чи α˝-структури і можливого розпаду метастабільної β-фази, яка залишилася після гартування. Максимальну твердість набувають сплави Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf з упорядкованою структурою та орторомбічними α''-мартенситом, а максимальний приріст твердості спостерігається в сплаві Ti-4Si-4Mo, де, окрім виділення силіцидної фази, відбувається розпад метастабільної β-фази (Рис. 15).

Розрахунок енергій активації розпаду пересиченого твердого розчину, проведений за рівнянням (3) для сплавів Ti-Si-Х (табл. 2), показав, що найбільшу енергію активації має сплав Ti-4Si-4Mo, що вказує на його найбільшу стійкість до розпаду при відпуску при цій температурі.

Рис. 15. Твердість сплавів Ti-Si-X при їх відпуску при 540 °С на протязі 25 годин.

Таблиця 2

Значення енергій активації розпаду пересиченого твердого розчину U для сплавів Ti–Si–Х

Сплав

U, кДж/моль

1

Ti-4Si

2

Ti-4Si-4Zr

108

3

Ti-4Si-4Al

96

4

Ti-4Si-4Hf

108

5

Ti-4Si-4Nb

96

6

Ti-4Si-4Mo

120

загальні ВИСНОВКИ

  1.  Вперше вивчено закономірності фазових і структурних перетворень у новому класі об’єктів – титанових „сталях” (сплавах системи Ti–Si з вмістом кремнію до 4,7 %) при термічній обробці та комплексному легуванні. Встановлено, що при гартуванні титанових „сталей” Ti-4Si-4X (де Х – Al, Zr, Hf, Nb) з температури 1300 °С утворюється ряд пересичених твердих розчинів мартенситного типу з різним фазовим складом, структурою та механічними характеристиками, а при гартуванні сплаву Ti–4Si–Мо формується однофазна β-структура.
  2.  Вперше досліджено вплив легування Al, Zr і Nb на морфологію і структуру мартенситу в сплавах на основі системи Ti–Si. Виявлено, що в сплавах Ti–4Si, Ti–4Si–4Al, Ti–3.9Si–5.3Al–2.7Zr та Ti–4Si–4Nb при гартуванні утворюється мартенситна структура з ГЩУ-граткою.  Морфологія мартенситу змінюється від масивної в сплаві Ti–4Si через змішану форму в сплаві Ti–4Si–4Al до пластинчатої в сплавах Ti–3.9Si–5.3Al–2.7Zr і Ti–4Si–4Nb, що пов’язано з впливом легуючих елементів на характер протікання мартенситного перетворення.
  3.  Вперше виявлено, що при гартуванні  від 1300 °С сплавів Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf в них утворюється α''-мартенсит з орторомбічною граткою, який раніше спостерігався в бінарних сплавах титану з деякими перехідними елементами. Показано, що ромбічне спотворення гратки у цих сплавах обумовлене впорядкуванням у високотемпературному β-твердому розчині, яке проявляється в появі доменів упорядкування в структурі мартенситу загартування. Запропоновано модель кластерного впорядкування, за якою впорядкування відбувається в β-області в локальних об’ємах матеріалу у вигляді кластерів, які представляють собою два атоми кремнія в окресі атомів титану і цирконію (або гафнію).
  4.  Вперше показано, що загартування сприяє зниженню модуля пружності всіх сплавів Ti–Si–Х, особливо тих, що леговані β-стабілізаторами Nb і  Mо, за рахунок створення метастабільної структури пересиченого твердого розчину і збільшення питомого об’єму елементарної гратки пересиченого твердого розчину. Така структура набуває підвищеної схильності до зсуву в пружній області. Цей результат корелює із даними для вуглецевих сталей.
  5.  Вперше проведені дослідження  впливу швидкості гартування на структурно-фазовий стан і механічні властивості сплавів системи Ti-Si-Zr за допомогою методики поверхневого гартування. Встановлено, що гартування зі швидкістю 410-525 °С/с приводить до формування мартенситної структури, зі швидкістю 20-410 °С/с – до формування структури, яка складається з мартенситу відпуску чи перетвореної α-фази і силіцидів, які виділилися з пересиченого твердого розчину. Гартування зі швидкістю, меншою за 20 °С/с, приводить до утворення пластинчатої α-фази і силіцидів без утворення пересиченого твердого розчину. Знайдено, що легування бінарного сплаву Ti–4,2Si цирконієм сприяє переходу від масивної морфології мартенситу до пластинчастої, що супроводжується збільшенням його дисперсності, а також твердості. Легування цирконієм приводить до більш інтенсивного виділення силіцидів з пересиченого твердого розчину, що супроводжується зміною їх типу силіцидів з Ti5Si3 на (Ti,Zr)2Si, а також підвищенням їх дисперсності.
  6.  Вперше за допомогою методики автоматичного індентування проведено дослідження зв’язку твердості, модуля пружності і зносостійкості зі структурно-фазовим станом сплавів на основі системи Ti–Si–Zr, загартованих методом поверхневого гартування. Встановлено характер зміни твердості і модуля пружності в залежності від швидкості гартування. Твердість загартованої поверхні вища,  ніж віддалених від неї зон, а модуль пружності навпаки підвищується при віддаленні від загартованої поверхні. Проведено аналіз кореляції між твердістю, модулем пружності, величиною H3/E2 (критерієм Джонсона) і зносостійкістю сплаву Ti–4,3Si–2,6Zr. Показано, що найкраща кореляція з коефіцієнтом R=0,999 спостерігається між зносостійкістю і критерієм H3/E2, який визначається з кривих автоматичного індентування.
  7.  Визначено оптимальну температуру дисперсійного твердіння загартованих сплавів TiSiX, яка становить 540 °С. Показано, що при нижчих температурах швидкість розпаду пересичених твердих розчинів невисока, а при температурах 600 °С і вище відбуваються інтенсивні процеси роззміцнення, що супроводжуються розпадом мартенситної структури і інтенсивним виділенням і коагуляцією силіцидів. Енергія активації розпаду пересичених твердих розчинів сплавів TiSiX близька до енергії активації дифузії елементів заміщення в бінарних сплавах титану, але набагато вища ніж в залізо-вуглецевих сплавах через те, що вуглець є домішкою втілення, а кремній – домішкою заміщення. З’ясовано, що найбільш стійкі до розпаду пересичені тверді розчини в сплавах Ti–4Si–4Mo, Ti–4Si–4Zr і Ti–4Si–4Hf, на що вказують більші значення енергії активації розпаду пересиченого твердого розчину цих сплавів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Исследование влияния легирующих элементов на фазовые и структурные превращения при закалке в сплавах на основе системы TiSi / Н.Д. Бега, О.В. Дацкевич, А.В. Котко [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. – 2006. – Т. 28. – С. 157164.
  2.  Влияние недеформируемых частиц силицида на характер деформации сплавов на основе титана при повышенных температурах / Д.Н. Бродниковский, А.В. Головаш, С.В. Ткаченко [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. – 2006. – Т. 28. С. 165–174.
  3.  Исследование структуры и свойств сплавов системы TiSiZr после торцовой закалки /  С.В. Ткаченко, А.В. Котко, С.А. Фирстов [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. – 2009. – Т. 31. – №3. – С. 389396.
  4.  Ткаченко С.В.  Титановые «чугуны» и титановые «стали» / С.В. Ткаченко, С.А. Фирстов, Н.Н. Кузьменко // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2009. – №1. – С. 14–20.
  5.  Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій : зб. наук. праць / наук. ред. В.В. Панасюк. – Львів : Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. – С. 839–846.
  6.  Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій : зб. наук. праць / наук. ред. В.В. Панасюк. – Львів : Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. – С. 509–513.
  7.  Матеріали VI Міжнародної науково-практичної конференції молодих учених і студентів "Політ", 11-12 квітня 2006 р., Київ / відп. ред. В.П. Бабак – К. : НАУ, 2006. – С. 602.
  8.  Матеріали VII Міжнародної науково-практичної конференції молодих учених і студентів "Політ", 12-13 квітня 2007 р., Київ / відп. ред. В.П. Бабак – К.: НАУ, 2007. – С. 728.

АНОТАЦІЯ

Ткаченко С.В. Закономірності фазових і структурних перетворень в сплавах на основі системи Ti-Si при гартуванні та відпуску. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2010.

У дисертаційній роботі представлені результати експериментальних досліджень і аналізу впливу термічної обробки і легування на фазовий склад, структуру та механічні властивості сплавів на основі  системи Ti–Si.

Показано, що загартування сплавів системи Ti–Si–X (де X – Al, Zr, Nb, Mo) дозволяє одержати широкий спектр пересичених твердих розчинів з різним структурно-фазовим станом і фізико-механічними властивостями. Визначено вплив легуючих елементів на параметри решіток, кристалічну симетрію, а також морфологію й субструктуру титанових мартенситів. Виявлено сумісне протікання процесів впорядкування й зміни симетрії решітки із ГПУ в орторомбічну симетрію в сплавах  Ti–4Si–4Hf і Ti–4Si–4Zr (ат. %). Запропонована кластерна модель впорядкування.

Показано суттєве підвищення властивостей міцності при загартуванні сплавів Ti-Si-X, особливо сплавів, легованих Hf і Zr. Встановлено, що модуль пружності всіх сплавів після загартування знижується. Визначено, що характеристики пластичності загартованих сплавів Ti–Si–Х визначаються ступенем пересичення твердого розчину і розміром зерна, тому для збереження достатньої пластичності доцільне гартування із двофазної (β+силіцид)-області.

Для визначення впливу швидкості охолодження й легування цирконієм на структурно-фазовий стан і механічні властивості сплавів Ti-Si проведено їх поверхневе загартування. Показано, що така обробка дозволяє отримати градієнтну структуру з механічними властивостями, що плавно змінюються від загартованої поверхні вглиб: твердістю, модулем пружності, зносостійкістю. Показано, що цирконій істотно підвищує загартовуваність і прогартовуваність сплавів системи Ti–Si. Проведено аналіз кореляції між твердістю, модулем пружності, величиною H3/E2 (критерієм Джонсона) і зносостійкістю сплаву Ti–4,3Si–2,6Zr, який показав, що найкраща кореляція  спостерігається між зносостійкістю і величиною H3/E2.

Досліджено еволюцію структури, фазового складу і механічних властивостей загартованих сплавів Ti-Si-X в процесі відпуску в інтервалі температур 500–600 °С. Визначено оптимальну температуру дисперсійного твердіння загартованих сплавів Ti-Si-X, яка становить 540 °С. Розрахована величина енергії активації розпаду пересичених твердих розчинів сплавів Ti-Si-X U=96–120 кДж/моль близька до енергії активації дифузії елементів заміщення в бінарних сплавах титану Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr, але набагато вища ніж в залізо-вуглецевих сплавах.

Ключові слова: титанові сплави, загартування, структуроутворення, фазовий склад, механічні властивості, відпуск, зносостійкість.

Аннотация

Ткаченко С.В. Закономерности фазовых и структурных превращений в сплавах на основе системы Ti–Si при закалке и отпуске. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 – физика металлов. Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертационной работе представлены результаты экспериментальных исследований и анализа влияния термической обработки на фазовый состав, структуру и механические свойства сплавов на основе  системы Ti–Si.

Показано, что закалка модельных сплавов системы TiSiX (где XAl, Zr, Nb, Mo) позволяет получить широкий спектр пересыщенных твёрдых растворов с различным структурно-фазовым состоянием и физико-механическими свойствами. Определено влияние легирующих элементов на параметры решёток, кристаллическую симметрию, а также морфологию и субструктуру титановых мартенситов. Выявлены особенности упорядочения и изменения симметрии решётки из ГПУ в орторомбическую симметрию в сплавах  Ti–4Si–4Hf и TiSiZr (ат. %), подтверждена гипотеза о совместном протекании этих процессов. Предложена кластерная модель упорядочения этих сплавов.

Показано, что при закалке существенно повышаются твёрдость и прочность сплавов TiSiX. Наиболее существенно при закалке упрочняются сплавы, легированные Hf и Zr, а также совместно Al и Zr. Модуль упругости всех сплавов после закалки снижается, максимальное его наблюдается в сплавах  Ti4Si4Nb и Ti4Si4Mo. Определено, что силицидные частицы сдерживают рост зерна при выдержке сплавов при температуре закалки. Размер зерна определяет пластические свойства закалённых сплавов, поэтому в практических целях целесообразнее закаливать сплавы TiSi из двухфазной (β+силицид)-области.

Для определения влияния легирования и скорости охлаждения на структурно-фазовое состояние и механические свойства сплавов TiSi проведена их поверхностная закалка. Такая обработка позволила получить градиентную структуру с плавно изменяющимися по длине образца механическими свойствами: твёрдостью, модулем упругости, износостойкостью. Показано, что цирконий существенно повышает закаливаемость и прокаливаемость титановых сплавов TiSi, однако при медленной скорости охлаждения способствует более эффективному выделению кремния из твёрдого раствора в виде силицидных частиц. Легирование цирконием снижает температуру начала мартенситного превращения, что приводит к переходу от массивной морфологии мартенсита к пластинчатой. Проведен анализ корреляции между твердостью, модулем упругости, величиной H3/E2 (критерием Джонсона) и износостойкостью сплава Ti–4,3Si–2,6Zr, который показал, что наилучшая корреляция наблюдается между износостойкостью и величиной H3/E2.

Отпуск, проведенный на закалённых сплавах TiSiX, позволяет за счёт распада мартенситной структуры и выделения упрочняющих матрицу силицидных частиц, несколько повысить их твёрдость и прочность. Исследование кинетики распада пересыщенных твёрдых растворов позволяет сделать вывод, что для получения максимальных показателей твёрдости и прочности оптимальной температурой отпуска является температура 540 °С.

Рассчитанная величина энергии активации распада пресыщенных твердых растворов сплавов Ti–Si–X U=96–120 кДж/моль близка к энергии активации диффузии элементов замещения в бинарных сплавах титана Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr, но намного выше, чем в железоуглеродистых сплавах.

В результате выполненной работы выяснены основные закономерности фазо- и структурообразования сплавов на основе системы Ti-Si при их закалке. Предложены перспективные составы и режимы упрочняющей термической обработки этих материалов, которые позволяют получить структурные состояния, обеспечивающие высокие твёрдость, прочность, износостойкость. Исследуемые сплавы могут дополнить ряд традиционных конструкционных материалов на основе титана для работы в аэрокосмической, автомобильной, химической промышленностях, медицине, морской технике.

Ключевые слова: титановые сплавы, закалка, структурообразование, фазовый состав, механические свойства, отпуск, износостойкость.

ANNOTATION

Tkachenko S. Regularities of phase and structural transformations in Ti-Si based alloys during quenching and ageing. Manuscript.

A thesis for a Candidate degree in Physics and mathematics on the specialty 01.04.13 – physics of metals. – Frantsevich Institute for the Problem of Materials Science of NASU, Kyiv, 2010.

In this thesis the results of experimental researches and analysis of influence of heat treatment and alloying on phase composition, structure and mechanical properties of Ti–Si system based alloys are presented.

It was shown that water quenching of model alloys of the system Ti –Si–X (where X - Al, Zr, Nb, Mo) allowed to get the wide spectrum of supersaturated solid solutions with the different structural-phase state and mechanical properties. Influence of alloying elements on the parameters of crystal lattices, crystalline symmetry and also morphology and substructure of titanium martensite is detected. The conjoint flowing of processes of ordering and change of symmetry of lattice from HCP to orthorhombic symmetry is revealed in the alloys  Ti–4Si–4Hf and Ti–4Si–4Zr (at. %).

The substantial increase of hardness and strength after quenching of alloys of Ti–Si–X is shown. Also it is established that the module of elasticity of all alloys goes down after tempering. It was identified that the size of grain, mainly, determines plastic properties of quenched alloys, that is why in practical aims more expedient to quench the Ti–Si alloys from dual-phase (β+silicide)–region.

For determination of influence of alloying and cooling rate on the structurally-phase state and mechanical properties of alloys of Ti–Si surface quenching is conducted. It was shown that such a treatment allowed to get to get a gradient structure with mechanical properties which fluently change on length of specimen. It is shown that zirconium substantially promotes hardenability and hardening characteristics of Ti–Si alloys. Correlation analysis was conducted between wearproofness of Ti–4,3Si–2,6Zr alloy and its hardness, modulus of elasticity and H3/E2 (Johnson’s criteria). It showed that  the best correlation is observed between wearproofness and Johnson’s criteria.

Structural evolution, phase composition and mechanical properties of quenched Ti–Si alloys during ageing in temperature region 500–600 °C were investigated. It was determined that optimal ageing temperature of quenched Ti–Si that is 540 °С. An estimation of activation energy of supersaturated solid solution decay showed that its value U=96-120 kJ/mol is close to activation diffusion energy for binary titanium alloys Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr, although it much more greater than its value for iron-carbon alloys.

Key words: titanium alloys, quenching, structure forming, phase composition, mechanical properties, ageing, wearproofness. 

Підписано до друку 11 жовтня 2010 р. Формат 60х90/16

Ум. друк арк. 0,9. Обл.–вид. арк. 0,9

Тираж 100 прим. Замовлення №500

Дільниця оперативної поліграфії Інституту проблем матеріалознавства

Ім. І.М. Францевича НАН України

03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43077. Расчет электромагнитных переходных процессов при нарушении симметрии трехфазной цепи 9.86 MB
  Составим схему замещения для прямой последовательности: Определим параметры схемы замещения для прямой последовательности: С: Л1: Л2: Т2: Н1: Н2: АД: Р: Расчет параметров для реактора не требуется т. Т1: Т3: Г12: Найдем и свернув схему используя законы последовательного и параллельного соединения: Составим схему замещения обратной последовательности: Определим параметры схемы замещения...
43078. Расчет усилителя мощности низкой частоты 1.37 MB
  Усилитель мощности. В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока напряжения и мощности. Одним из ответственных узлов звукозаписывающей аппаратуры является усилитель мощности.
43079. Электрический привод системы “генератор-двигатель” 1017 KB
  Номер варианта Закон изменения момента сопротивления рабочей машины Мсм Нм Момент инерции рабочей машины Jм в долях от момента инерции двигателя кгм2 Тип двигателя и способ его питания 2 2000 70 Постоянного тока от генератора постоянного тока Примечание: Характер момента сопротивления реактивный. Требуемую перегрузочную способность двигателя. Средняя температура нагрева изоляции двигателя не должна превышать допустимую.4 Предварительная мощность двигателя рассчитывается по нагрузочной диаграмме и тахограмме рабочей машины.
43080. Возможности и преимущества Microsoft Powerpoint 2010 8.77 MB
  Когда-то слово “презентация” ассоциировалось с кипой бумаг и множеством маркеров. Сейчас программа Microsoft PowerPoint позволяет создавать презентации на компьютере и демонстрировать их в виде слайд-шоу. Приложение PowerPoint входит в состав пакета Microsoft Office, представляющего собой набор программных продуктов для создания документов, электронных таблиц и презентаций, а также для работы с электронной почтой.
43082. Проектирование привода скребкового конвейера, содержащего двухступенчатый горизонтальный цилиндрический редуктор 2.37 MB
  Двухступенчатые горизонтальные редукторы, выполненные по развернутой схеме, отличаются простотой, но из-за нессиметричного расположения колес на валах повышается концентрация нагрузки по длине зуба. Поэтому в этих редукторах следует применять жесткие валы.
43083. Широкополосный резистивный усилитель низкой частоты 2.56 MB
  Порядок расчета. Расчет сквозного коэффициента усилителя Кскв = Uн Ug. Эскизный расчет всего усилителя. В этом расчете коэффициенты усиления эмиттерных повторителей принимаются за единицу т.
43084. Порядок расчета цепи для обеспечения малого ухода постоянной составляющей выходного напряжения 113.5 KB
  Поэтому в усилителе с достаточно большим коэффициентом усиления более 300 за счет нестабильности источника питания и других факторов возможны уходы постоянной составляющей выходного напряжения что может привести к заходу рабочей точки выходного каскада в область насыщения а следовательно к резкому уменьшению коэффициента усиления на средних частотах и изменению формы выходного напряжения усилителя. Предположим что после расчета усилителя на средних частотах известно постоянное напряжение смещения на входном каскаде Обычно...