Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

ІВАСИШИН Андрій ДМИТРОВИЧ

УДК 539.43:669.295

Підвищення високотемпературної і корозійної циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr

05.02.01 - матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Осташ Орест Петрович,

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Васильєв Олександр Дмитрович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник відділу фізики міцності та пластичності, м. Київ

кандидат технічних наук

Яськів Олег Ігорович,

циклічний тріщиностійкість температура корозійний

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування зумовлює необхідність створення нових конструкційних матеріалів, які б володіли високими фізико-хімічними та механічними характеристиками і були стійкими до дії високих температур і корозійного середовища. Найбільше заданим вимогам відповідають сплави на основі титану, які завдяки високій питомій міцності і корозійній стійкості отримали широке застосування у літако- та суднобудуванні, хімічній та енергетичній промисловості, як металеві біоматеріали в медицині тощо. Однак робоча температура відомих титанових сплавів складає 400С - 600С, що є недостатнім на даному етапі розвитку техніки. Звуження сфери використання титанових сплавів пов'язано з їх чутливістю до водневого окрихчення і корозійного розтріскування.

На сьогодні проводиться інтенсивна робота над створенням нових матеріалів з підвищеними характеристиками високотемпературної міцності. Важливе місце серед них займають литі сплави системи Ti-Si-Al-Zr, розроблені науковцями Інституту проблем матеріалознавства НАН України та Національної металургійної академії України під керівництвом Фірстова С.О. та Мазура В.І. відповідно. Подібні матеріали протягом останніх 10 - 20 років запропоновано за кордоном в роботах Crossman F.W., Frommeyer G., Murray J.L., Saha R.L. et. al. Завдяки евтектиці (-Ti + Ti₅Si₃) каркасного типу вони представляють клас природних композиційних матеріалів (in situ composites), які мають високу міцність у ширшому, ніж традиційні титанові сплави, температурному діапазоні, оскільки температура плавлення зміцнюючої силіцидної фази Ti₅Si₃ становить 2130°С. Проте низька пластичність робить їх чутливими до впливу концентраторів напружень і крихкого руйнування. Попередні дослідження показали, що покращення механічних властивостей цих металокомпозитів досягається шляхом термомеханічної обробки, однак при цьому підвищується гетерогенність структури, що може негативно вплинути на корозійні властивості цих матеріалів. Тому важливим завданням є оптимізація їх хімічного складу, структури і фазового стану, застосовуючи методи структурної і корозійної механіки руйнування матеріалів. Причому на особливу увагу заслуговують методи визначення характеристик опору втомному руйнуванню, оскільки порогова циклічна тріщиностійкість (відповідно рівень допустимих напружень в елементах конструкцій) може бути значно менша, ніж статична. В літературі відомі лише окремі дослідження тріщиностійкості таких матеріалів при статичних навантаженнях (Василів Б.Д., Васильєв О.Д., Подрезов Ю.М., Frommeyer G.), проте дані про циклічну тріщиностійкість практично відсутні.

У зв'язку з цим, визначення закономірностей зміни характеристик циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr за умов дії експлуатаційних середовищ (висока температура чи корозійне середовище) та оцінка впливу мікроструктури на мікромеханізм і опір росту втомної тріщини в цих матеріалах є актуальним науковим і прикладним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з наступними науково-дослідними темами, які виконувались у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно тематичних планів Національної академії наук України і в яких дисертант був виконавцем:

· НД - 17/213, № держреєстр. 0100U004865 “Розробка методології дослідження втомного руйнування структурно-неоднорідних матеріалів типу керамік, металокерамік, високоміцних сталей і чавунів на стадії зародження макротріщини”;

· МНД - 17/229, № держреєстр. 0101U004857 “Розробка керамічних і металокерамічних матеріалів з підвищеними характеристиками міцності і тріщиностійкості в умовах дії високих температур та агресивних середовищ”;

· НД - 17/249, № держреєстр. 0102U002678 “Розробка жароміцних металокерамічних матеріалів на титановій основі з підвищеним опором втомному руйнуванню в експлуатаційних середовищах”.

Мета і задачі роботи. Мета дисертаційної роботи - встановити структурно-металургійні засади підвищення міцності та циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr на підставі результатів дослідження процесів їх втомного руйнування за умов дії високої температури або корозійного середовища.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

· Вдосконалити методику дослідження циклічної тріщиностійкості матеріалів під дією високих температур і в корозійному середовищі, зокрема, обгрунтувати можливість використання зразків малих розмірів для визначення параметрів циклічної тріщиностійкості матеріалів.

· Дослідити вплив мікроструктури в литому, термообробленому і термодеформованому станах на закономірності росту втомної тріщини у сплавах системи Ti-Si-Al-Zr в умовах лабораторного повітря.

· На підставі характеристик міцності і циклічної тріщиностійкості визначити закономірності високотемпературного втомного руйнування та температурну межу застосовності досліджуваних матеріалів.

· Вивчити вплив структурної гетерогенності металокомпозитів на їх електрохімічні параметри та корозійно-циклічну тріщиностійкість.

· Мікрофрактографічним аналізом дослідити особливості мікромеханізму руйнування досліджуваних матеріалів в заданих експлуатаційних умовах.

· На підставі діаграм конструкційної міцності запропонувати оптимальні модифікації сплавів системи Ti-Si-Al-Zr для експлуатації за високих температур або в корозійному середовищі.

Об'єкт дослідження: литі сплави системи Ti-Si-Al-Zr та їх характеристики опору втомному руйнуванню за високих (до 800°С) температур і в корозійному (3% р-н NaCl) середовищі.

Предмет дослідження: закономірності впливу структурно-фазового стану на мікромеханізм руйнування, електрохімічні парамети та характеристики міцності і циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є врахування сумісної дії на матеріал механічного чинника (циклічного навантаження) і експлуатаційного середовища (високої температури чи корозійного середовища) за допомогою методів оптичної і растрової електронної мікроскопії, рентгеноструктурного і фрактографічного аналізу, електрохімічних досліджень, механічних випробувань на тріщиностійкість при циклічних навантаженнях та статичних на міцність.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше встановлено закономірності зміни характеристик циклічної тріщиностійкості металокомпозитів системи Ti-Si-Al-Zr в литому, термообробленому і термодеформованому станах з врахуванням дії високих температур чи корозійного середовища.

Показано, що зміна структури матриці литих сплавів Ti-Si-Al-Zr внаслідок термообробки (відпал або гартування) з - і (+)-області при збереженні зміцнюючої силіцидної фази каркасного типу не зумовлює росту циклічної в'язкості руйнування K_fc. Підвищення порогу втоми K_th цих сплавів досягається внаслідок формування пластинчастої -матриці термообробкою з -області.

Встановлено, що підвищення міцності і циклічної в'язкості руйнування цих сплавів за нормальної і високої температури забезпечується подрібненням зерен матриці і силіцидної фази після термомеханічної обробки з деформацією не менше 90%.

Виявлено підвищену чутливість термодеформованих модифікацій сплаву порівняно з литими до негативного впливу корозійного середовища на циклічну в'язкість руйнування за високої асиметрії циклу навантаження. Погіршення їх корозійно-механічних і електрохімічних параметрів пов'язано з дисперсністю і термодинамічною нестабільністю структури.

Встановлено, що вплив високої температури і корозійного середовища на циклічну тріщиностійкість сплавів Ti-Si-Al-Zr найбільше проявляється на середньоамплітудній ділянці діаграми швидкостей росту втомної тріщини, що характеризує запропонований в роботі параметр N₁₀.

Показано, що за властивого для сплавів системи Ti-Si-Al-Zr пасиваційного механізму впливу середовища виражена структурна гетерогенність цих металокомпозитів не зумовлює суттєвих відмінностей в їх електрохімічній і корозійно-механічній поведінці порівняно з традиційними титановими сплавами.

Практичне значення отриманих результатів полягає в науковому обгрунтуванні застосовності нових сплавів системи Ti-Si-Al-Zr для відповідальних виробів з високими питомою міцністю, корозійною стійкістю і опором втомному руйнуванню за високих температур.

Показано, що за пороговими характеристиками циклічної тріщиностійкості і електрохімічними параметрами металокомпозити системи Ti-Si-Al-Zr знаходяться на рівні традиційних високоміцних титанових сплавів, незначно уступаючи їм в циклічній в'язкості руйнування, проте суттєво (150 - 200°С) переважають їх за допустимою температурою експлуатації.

Для підвищення міцності і циклічної тріщиностійкості цих сплавів на підставі діаграм конструктивної міцності рекомендовано термомеханічну обробку з деформаціями не менше 90%.

Експериментально обгрунтовано застосовність зразків малих розмірів для отримання достовірних значень характеристик циклічної тріщиностійкості дороговартісних конструкційних матеріалів.

Результати досліджень були використані для оптимізації компонентного складу та технології виготовлення металокомпозитів системи Ti-Si-Al-Zr в Інституті проблем матеріалознавства НАН України (м. Київ) і Національній металургійній академії України (м. Дніпропетровськ).

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення, які становлять суть дисертації, отримано автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: в [1] - реалізація експерименту та побудова порівняльних залежностей; [2] - експериментальне дослідження закономірностей росту втомної тріщини за різної асиметрії циклу навантаження; [3] - результати експериментів про вплив корозійного середовища на кінетику втомного руйнування; [6] - визначення корозійно-циклічної тріщиностійкості титан-кремнієвих металокомпозитів; [8] - експериментальні дані циклічної тріщиностійкості металокомпозитів; [11] - аналіз структури та побудова кінетичних діаграм втомного руйнування матеріалів; [12] - експериментальні дані про вплив високої температури на циклічну тріщиностійкість металокомпозитів системи Ti-Si-Al-Zr; [13] - експериментальне дослідження і встановлення кореляційних залежностей між параметрами циклічної тріщиностійкості та міцності.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались на міжнародних наукових конференціях “Евтектика V” (Дніпропетровськ, 2000р.) і “Евтектика VІ” (Запоріжжя, 2003р.), міжнародному семінарі “Актуальні проблеми міцності” (Київ, 2001р.), NATO Advanced Research Workshop “Metallic Materials with High Structural Efficiency” (Київ, 2003р.), 3-й міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 2004р.), а також на відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів: КМН-2000, КМН-2001, КМН-2002, КМН-2003, (Львів, 2000р., 2001р., 2002р., 2003р.) та “Інженерія поверхні” (Львів, 2001р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 праць, з них 4 у фаховому журналі.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку літературних джерел (142 найменувань) і додатку. Загальний обсяг роботи становить 142 сторінок, в тому числі 79 рисунків, 12 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі висвітлено основні вимоги до сучасних конструкційних матеріалів і стан проблеми прогнозування їх довговічності, обгрунтовано актуальність роботи, визначено мету і задачі дослідження, показано наукову новизну, практичне значення та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі дисертації наведено основні положення та визначення механіки руйнування матеріалів. Показано вплив структурно-технологічних і експлуатаційних факторів на працездатність керамічних і металокомпозитних матеріалів. Зроблено критичний аналіз сучасного стану розробок і досліджень властивостей перспективних конструкційних матеріалів, зокрема нових сплавів системи Ti-Si, при високій температурі та в корозійному середовищі і на його основі сформульовано мету і завдання роботи.

У другому розділі описано об'єкт досліджень, обладнання і методики проведення експериментів. У роботі оцінювали працездатність семи структурних модифікацій сплаву системи Ti-Si-Al-Zr, одержаних електро-дуговим виплавом, термообробкою після виплаву, а також термодеформуванням з різною величиною деформації (табл. 1).

Таблиця 1

Хімічний склад і режими обробки сплавів

Рентгенструктурний аналіз показав, що всі модифікації складаються з -титанової матриці та силіцидів Ti₅Si₃, легованих Al і Zr. В окремих випадках зафіксовано сліди фаз типу Ti₃Al і ZrSi₂.

Таким чином, фізико-механічні властивості досліджених матеріалів визначають, в основному, їх мікроструктурні особливості, які зумовили зміну міцності (_зг), статичної тріщиностійкості (К_ІС), залишаючи практично незмінно високою твердість (HRC) цих матеріалів (табл. 2). Слід зауважити при цьому (табл. 2), що існує помітна різниця величини статичної в'язкості руйнування, визначеної на зразках з тріщиною (К_ІС) та вирізом ().

Для визначення параметрів циклічної тріщиностійкості на підставі діаграми швидкостей росту втомної макротріщини (da/dN, ДK) використовували балкові зразки з боковим вирізом на триточковий згин та компактні на позацентровий розтяг

Таблиця 2

Механічні властивості і характеристика структури сплавів

Примітка: у_зг - міцність на згин; в чисельнику значення К_{І c} для зразків з тріщиною, а величини , подані в знаменнику, отримано на зразках з гострим вирізом радіуса с = 0,06 мм.

Бокові поверхні зразків полірували для прямого спостереження за ростом тріщини через оптичний мікроскоп МПБ-2 із похибкою вимірювання 0,02 мм. Виріз завширшки 0,12 мм виготовляли електроерозійним способом. Зразки циклічно навантажували на електро-механічних пристроях із заданими амплітудами переміщення (“жорсткого” типу) та сили (“м'якого” типу) з частотою 10 Гц і асиметрією циклу навантаження R = P_min/P_max = 0,1; 0,2; 0,4; 0,6.

Характеристиками циклічної тріщиностійкості матеріалів вибрано за низьких амплітуд навантаження величини ДK_th = ДK₁₀^-10, за середніх - ДK* = ДK₁₀^-7 і за високих - ДK_fc = ДK₁₀^-5, тобто розмахи коефіцієнта інтенсивності напружень за швидкості росту тріщини 10^-10, 10^-7 та 10^-5 м/цикл відповідно.

Експериментально встановлено інваріантність діаграм швидкостей росту втомної макротріщини в зразках різних розмірів та геометрії: SE(B) з W = 5…15, t = 2…5 і C(T) з W = 10,2…64, t = 2…5 і за різного типу навантаження, на підставі чого обгрунтовано достовірність характеристик циклічної тріщиностійкості досліджених металокомпозитів, отриманих на зразках малих розмірів: SE(B) з W = 8 мм і t = 4 мм, L = 35 мм.

Аналіз експлуатаційної надійності матеріалів проводили за допомогою діаграм конструкційної міцності - залежностей між міцністю на згин _зг та пороговим K_th і критичним K_fc значеннями розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень, а також параметром N_i = 1/(da/dN)_i, що визначає кількість циклів навантаження для підростання тріщини на 1 мм в середньоамплітудній області діаграми швидкостей росту втомної тріщини, де (da/dN)_і, і = 5, 10 - швидкість росту втомної тріщини в мм/цикл при K = 10 МПа (для R = 0,1) та 5 МПа (для R = 0,6).

Електрохімічні дослідження проводили на потенціостаті ПИ-50-1 за трьохелектродною схемою, в якій робочим електродом був досліджуваний матеріал, допоміжним електродом - платинова дротина, електродом порівняння - насичений хлорсрібний електрод. Потенціодинамічні криві записували зі швидкістю розгортки 2 мВ/с у 3%-ному водному розчині NaCl при різних значеннях рН (1,1; 2,25; 4,0; 4,85; 6,8), які досягали, додаючи HCl. Для оцінки пасиваційної здатності свіжоутвореної поверхні розроблено пристрій, що дає можливість досліджувати кінетику електродного потенціалу під час регенерації пасиваційної плівки. Цього досягали шляхом абразивного руйнування оксидних плівок на поверхні обертового зразка за допомогою керамічного ножа, регулюючи силу контакту і швидкість обертання та одночасно фіксуючи електрохімічні параметри пари метал-середовище.

Фрактографічний аналіз поверхонь зламів здійснювали на сканувальному електронному мікроскопі JSM-35, а рентгеноструктурні дослідження - на установці ДРОН-3.0.

У третьому розділі розглянуто закономірності росту втомних тріщин у сплавах системи Ti-Si-Al-Zr в лабораторному повітрі. Проаналізовано вплив структури на мікрофрактографічні особливості руйнування та параметри циклічної тріщиностійкості литих, термооброблених і термодеформованих металокомпозитів.

Литі модифікації М0 і Т0 дослідженого матеріалу мають змішану глобулярно- пластинчасту б-матрицю та колонії силіцидів, розташовані у вигляді армуючого каркасу, структура яких переважно дендритної будови (табл. 2). Деформація таких композитів неможлива без руйнування силіцидів та виникнення розгалуженої сітки мікротріщин, що призводить, як свідчать дані мікрофрактографічного аналізу, до крихкого руйнування, незважаючи на відносну пластичність титанової матриці. Це зумовлює (рис. 2 а, б) їх низьку циклічну в'язкість руйнування (ДK_fc = 14…16 МПа). Проте порогова циклічна тріщиностійкість (ДK_th = 4…5 МПа) достатньо висока і знаходиться на рівні порогів втоми високоміцних сталей і титанових сплавів.

Відпал і гартування з (б+в)- і в- області спричиняє в основному зміни структури матриці композитів (табл. 2). Коли вона стає пластинчастою після термообробки з в- області (модифікації М016 і М022), подібно до традиційних титанових сплавів, це позитивно впливає на порогову циклічну тріщиностійкість і ріст ДK_th на 50% (криві 3 і 4 на рис. 2 а). Роль пластинчастої структури як бар'єрів для росту втомної тріщини пов'язана зі стимулюванням частково зсувного мікромеханізму втомного руйну-

вання, зростанням шорсткості зламу і посиленням ефекту закриття втомної тріщини. Глобулярна матриця після відпалу в (б+в)- області (сплав М05) не змінює величину ДK_th порівняно з литим станом (крива 2 на рис. 2 а). Критична тріщиностійкість ДK_fc після термообробки литого матеріалу підвищується в усіх випадках незначно (на 10...15%).

Термомеханічна обробка литого композита зумовлює руйнування евтектичних колоній силіцидів і значне подрібнення структурних складових (табл. 2), в результаті після попередньої деформації 90% (модифікація Т1) пластичність під розтягом зростає до 1,5...2%. Це двояко впливає на циклічну тріщиностійкість матеріалу (рис. 2 б): порогове значення ДK_th дещо знижується, що слід було очікувати внаслідок глобуляризації структури, але критичне значення ДK_fc помітно зростає (на 40...50%). Відображення цього в мікромеханізмі руйнування і в мікрофрактографічних особливостях зламу зафіксовано у вигляді мікрообластей в'язкого руйнування квазіямкового характеру. Термомеханічна обробка з деформацією 41% (модифікація М4) мало змінила циклічну тріщиностійкість матеріалу у цьому стані порівняно з литими (рис. 2 б).

Порівняння опору поширенню втомної тріщини кращих серед термооброблених і термодеформованих сплавів (варіанти 4 і 7) і відомих титанових сплавів показало (рис. 2 в), що для виробів, які працюють за низьких циклічних навантажень, вони мають значну перевагу порівняно з останніми (параметр ДK_th відповідно вищий у 1,5...2 рази). За високих амплітуд навантажень металокомпозити ще уступають традиційним сплавам (ДK_fc = 22...23 МПа і ДK_fc = 30...40 МПа відповідно), хоча при одинаковій б-Ti матриці (варіанти 4 і 7 та 8 і 9) циклічна в'язкість руйнування ДK_fc співмірна. Це вимагає продовження пошуку шляхів підвищення у першу чергу пластичності сплавів типу Ti-4Si-5Al-5Zr.

Результати дослідження кінетики росту втомної тріщини у металокомпозитах за різної асиметрії циклу навантаження (R) показали, що подібно до традиційних металічних матеріалів величина R суттєво впливає на діаграми (da/dN, ДK) цих матеріалів (рис. 3 а). Проте діаграма (da/dN, K_max) у високоамплітудній області інваріантніша відносно параметра R, величина (K_fc)_max наближається до характеристики K_IC (рис. 3 б), що свідчить про реалізацію переважно статичних мікромеханізмів руйнування за високих амплітуд навантаження досліджуваних матеріалів. На припорогове руйнування матеріалів відчутно впливає циклічна складова навантаження. У низькоамплітудній області діаграми зі зростом асиметрії циклу величина K_max, необхідна для досягнення заданої швидкості росту втомної тріщини, підвищується, так що порогові характеристики циклічної тріщиностійкості у 2...5 разів менші проти статичних (див. стрілки на рис. 3 б).

У четвертому розділі проаналізовано вплив високої температури на міцність та тріщиностійкість сплавів у литому, термообробленому і термодеформованому станах. Встановлено, що до температури 700єС порогові ДK_th і ДK_fc характеристики циклічної тріщиностійкості литих і термодеформованих сплавів практично не змінюються, а найчутливішою до впливу високої температури є середньоамплітудна ділянка кінетичної діаграми (рис. 4). Термооброблені модифікації вже за температури 700єС демонструють пониження цих параметрів тріщиностійкості, що особливо проявляється після обробки з (б+в)- області (модифікація М05). Для литих і термодеформованих матеріалів подібна тенденція властива тільки за температури 800єС, проте на відміну від термодеформованого стану (рис. 4 в) литі структури за температури 800єС мають незначно гіршу тріщиностійкість порівняно з нормальною температурою (рис. 4 а, б). Таким чином, з позицій циклічної тріщиностійкості допустима робоча температура досліджених сплавів складає 700єС, а для литого стану може наближатися до 800єС.

Вплив попереднього термодеформування литих металокомпозитів на їх високотемпературну циклічну тріщиностійкість має інверсійний характер залежно від амплітуди навантаження. Термомеханічна обробка з деформацією 41...90% забезпечує найвищу тріщиностійкість за високих амплітуд навантаження при температурі 700єС, але сприяє її зниженню за низьких амплітуд навантаження (варіанти 5 і 7 проти варіанту 1 на рис. 5). Найменшу високотемпературну тріщиностійкість має матеріал після термообробки в (б+в)- області (варіант 2), а відпал і гартування з в- області не змінює опір росту втомної тріщини (варіанти 3 і 4 проти варіанту 1). Таким чином, подібно до ситуації за нормальної температури, глобуляризація структури матриці понижує високотемпературну циклічну тріщиностійкість, особливо за відсутності фазового наклепу внаслідок мартенситного перетворення (модифікація М05). Температура 700єС мало змінює особливості втомного руйнування силіцидної фази (яка має температуру плавлення 2130єС) каркасного типу. Мікрофрактографічний аналіз показав, що зростання енергоємності процесу втомного руйнування відбувається за рахунок появи мікрообластей у вигляді ямок і окремих деформаційних гребенів, зумовлених впливом дисперсних часточок подрібненої силіцидної фази.

Для оцінки працездатності металокомпозитів будували діаграми конструкційної міцності, які враховують циклічну тріщиностійкість матеріалів на трьох ділянках кінетичної діаграми через параметри K_th, K_fc і N₁₀ та міцність на згин (рис. 6).

Аналіз діаграми показав, що при 700С у матеріалах Т0 і Т1 попри незначне падіння циклічної тріщиностійкості істотно знижується міцність _зг. Найкращу стабільність механічних характеристик міцності і тріщиностійкості у діапазоні температур від 20С до 700С має попередньо деформований на 41% матеріал М4. Зниження високотемпературних механічних характеристик Т- модифікацій порівняно з М- модифікаціями слід пов'язувати з пониженням від 5% до 3% (див. табл. 1) вмісту алюмінію, який є одним із визначальних легуючих елементів, що підвищує жароміцність титанових сплавів.

У п'ятому розділі проведено оцінку корозійних властивостей сплавів системи Ti-Si-Al-Zr і встановлено вплив агресивного середовища на їх циклічну тріщиностійкість при асиметріях циклу навантаження R = 0,1 і 0,6. За малої асиметрії (R = 0,1) середня ділянка кінетичних діаграм найчутливіша до дії корозійного середовища (рис. 7). При R = 0,6, коли протягом всього циклу навантаження тріщина залишається розкритою, а біля її вершини постійно діють значні напруження розтягу, характер впливу середовища змінюється. На припороговій ділянці кінетичної діаграми значення К_th, отримані у корозійному середовищі і на повітрі, різняться мало, однак з підвищенням рівня навантажень швидкість росту корозійно-втомної тріщини стрімко зростає, що зумовлює істотне зниження критичних значень K_fc. Така поведінка досліджених матеріалів подібна до закономірностей зміни цик-

лічної тріщиностійкості конструкційних матеріалів під впливом водню за високої асиметрії циклу навантаження. Мікрофрактографічний аналіз показав, що пришвидшення росту корозійно-втомної тріщини супроводжується появою значної кількості череззеренних фасеток сколу. Частка міжзеренного руйнування під впливом середовища збільшується незначно. Мікрофрактографічні особливості руйнування силіцидної фази на повітрі і в середовищі різняться мало. Таким чином можна вважати, що металокомпозитам Ti-Si-Al-Zr властивий водневий механізм корозійно-втомного руйнування, зумовлений гідридоутворенням в площинах ковзання зерен б-Ti матриці.

Вплив корозійного середовища на середньоамплітудну ділянку кінетичних діаграм оцінювали за допомогою коефіцієнтів б₁ = N₁₀^кор/N₁₀^пов (для R = 0,1) і  б₂ = N₅^кор/N₅^пов (для R = 0,6) та б₃ = K*_кор/K*_пов. Встановлено, що на цій ділянці литі модифікації найменше чутливі до впливу середовища (коефіцієнт б₃, наприклад, близький до одиниці). Дещо гіршими є модифікації, термооброблені з температури 1000С (модифікації М016 і М022). Модифікація М05, отримана відпалом при 860С, і термодеформовані модифікації М4 і Т1 мають найменші значення коефіцієнтів б₁ (0,08...0,09), б₂ (0,06...0,13) і б₃ (0,55...0,7), що свідчить про їх підвищену чутливість до дії агресивного середовища.

Електрохімічні параметри здебільш вивчали в нейтральному корозійному середовищі з рН7. З метою моделювання процесів біля вершини тріщини випробування проводили також при рН2 та на свіжоутворених поверхнях. У 3%-му водному розчині NaCl з рН2 потенціал корозії термообробленого і термодеформованого матеріалу є негативніший, ніж литого, що може бути пов'язано з меншою термодинамічною стабільністю цих структур. На анодній гілці поляризаційної кривої горизонтальна ділянка, властива для литих модифікацій, стає повільно зростаючою або зміщується в право, що свідчить про їх підвищену активність (рис. 8). Про погіршення пасиваційних властивостей термічно і термомеханічно оброблених матеріалів свідчать також експериментальні дані, отримані під час дослідження свіжоутворених поверхонь. Оцінюючи часові залежності зміни електродного потенціалу, встановлено, що найвищу швидкість регенерації захисних плівок мають литі модифікації (рис. 9), у яких було зафіксовано і найменший вплив корозійного середовища на параметри циклічної тріщиностійкості.

Аналогічну тенденцію виявлено за результатами електрохімічних досліджень за температур 20єС, 40єС і 70єС з метою визначення енергії активації U₀ корозійних процесів на підставі залежностей (lg i_к, 1/Т): U₀ = 19...20 кДж/моль для литих модифікацій; U₀ = 13...16 кДж/моль для термо- і термомеханічно оброблених.

Такі дані пояснюють підвищену чутливість характеристик циклічної тріщиностійкості модифікації Т1 до негативного впливу корозійного середовища. Це можна пов'язати з суттєвим подрібненням і термодинамічною нестабільністю структури після термодеформування.

Встановлено, що електрохімічна поведінка досліджених і традиційних титанових сплавів подібна (рис. 8 і 9), їм властивий пасиваційний механізм впливу середовища. За такого механізму виражена структурна гетерогенність металокомпозитів, обумовлена керамічною фазою типу Ti₅Si₃, не спричиняє аномальних змін їх корозійних властивостей порівняно з традиційними титановими сплавами.

Комплексний аналіз працездатності сплавів системи Ti-Si-Al-Zr в корозійному середовищі, який здійснювали за допомогою діаграм конструкційної міцності, показав, що незважаючи на деяке зниження параметрів корозійної циклічної тріщиностійкості у термодеформованих модифікацій, конструкційна міцність матеріалу Т1 (попередньо деформованого на 90%) є найвищою (рис. 10). Це дає підстави рекомендувати термомеханічну обробку для виготовлення деталей вузлів, які працюють в умовах корозійного середовища.

ВИСНОВКИ

1. Вдосконалено методику дослідження експлуатаційних властивостей конструкційних матеріалів, зокрема:

· експериментально обгрунтовано використання геометрично подібних зразків з базовими розмірами у 2...3 рази меншими порівняно із мінімальними стандартними для визначення достовірних характеристик циклічної тріщиностійкості низькопластичних матеріалів;

· встановлено, що незважаючи на низьку пластичність досліджених сплавів, їх характеристики статичної тріщиностійкості , отримані на зразках з гострим вирізом (с = 0,06 мм) завищені на 20...40% порівняно з величинами K_IC, визначеними на зразках з втомною тріщиною;

· виявлено, що на припорогове руйнування металокомпозитів суттєво впливає циклічна складова навантаження, так що порогові характеристики циклічної тріщиностійкості у 2...5 разів менші, ніж при довготривалих статичних випробуваннях.

2. Встановлено, що литі сплави системи Ti-Si-Al-Zr, в яких колонії силіцидів розташовані у вигляді зміцнюючого каркасу, мають відносно низьку циклічну в'язкість руйнування (ДK_fc = 14...16 МПа), проте їх порогова циклічна тріщиностійкість (ДK_th = 4...5 МПа) достатньо висока і знаходиться на рівні порогів втоми високоміцних сталей і відомих титанових сплавів. Характеристики циклічної тріщиностійкості цих матеріалів практично не змінююється до температури 700...800єС, а також в середовищі 3% NaCl (рН7).

3. Показано, що відпал і гартування з (б+в) - і в - областей литого сплаву Ti-4Si-5Al-5Zr, спричиняючи в основному зміни структури матриці, не покращують його міцність і циклічну тріщиностійкість в досліджених експлуатаційних середовищах, за виключенням випадку підвищення порогу втоми після обробки з в - області і формування пластинчаcтої б - матриці.

4. Встановлено, що підвищення міцності і циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr за нормальної і високої температури досягається внаслідок глобуляризації структури матриці і силіцидної фази після термомеханічної обробки з деформацією не менше 90%, проте сплави в такому стані характеризуються підвищеною порівняно з литими чутливістю до негативного впливу досліджених експлуатаційних середовищ.

5. Виявлено, що в сплавах Ti-Si-Al-Zr падіння високотемпературної міцності пов'язано зі зменшенням вмісту алюмінію з 5% до 3%, а їх чутливість до негативного впливу корозійного середовища - зі зменшенням енергії активації корозійних процесів і швидкості пасивації свіжоутворених поверхонь на берегах втомної тріщини, зумовленим дисперсністю і термодинамічною нестабільністю структури.

6. Показано, що за пороговими характеристиками циклічної тріщиностійкості металокомпозити системи Ti-Si-Al-Zr знаходяться на рівні традиційних високоміцних титанових сплавів, незначно уступаючи їм в циклічній в'язкості руйнування, проте суттєво (150 - 200єС) переважають їх за допустимою температурою експлуатації. Виражена структурна гетерогенність сплавів системи Ti-Si-Al-Zr не зумовлює суттєвих відмінностей в їх електрохімічній і корозійно-механічній поведінці порівняно з традиційними титановими сплавами у випадку пасиваційного механізму впливу середовища.

7. На підставі отриманих діаграм конструктивної міцності розроблено рекомендації щодо застосовності литих і термодеформованих модифікацій сплавів системи Ti-Si-Al-Zr, які використано в Інституті проблем матеріалознавства НАН України та Національної металургійної академії України при розробці нових конструкційних матеріалів, зокрема для двигунів внутрішнього згоряння, та металевих біоматеріалів відповідно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Івасишин А.Д., Василів Б.Д. Вплив розмірів і форми зразків на діаграму швидкостей росту втомних тріщин // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2001. - №6. - С. 119-120.

2. Вплив структури і асиметрії циклу навантаження на циклічну тріщиностійкість композитів системи Ti - Si / О.П. Осташ, А.Д. Івасишин, Б.Д. Василів, В.І. Мазур, С.В. Капустнікова // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2002. - № 1. - С. 46-50.

3. Кінетика корозійно-втомних тріщин у металокерамічному композиті Ti-Si / Б.Д. Василів, А.Д. Івасишин, О.П. Осташ, В.І. Мазур. // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2002р. - № 2. - С. 53-56.

4. Івасишин А.Д. Корозійна циклічна тріщиностійкість термодеформованих металокомпозитів системи Ti-Si // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2002. - № 5. - С. 114-116.

5. Івасишин А.Д. Вплив асиметрії циклу навантаження на циклічну тріщиностійкість металокераміки системи TI-Si на повітрі та 3% розчині NaCl // Матер. XV відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України, Львів, 2000. - С. 18 - 19.

6. Вплив корозійного середовища і температури на циклічну тріщиностійкість металокерамік системи Ti-Si / Б.Д. Василів, О.П. Осташ, В.І. Мазур, А.Д. Івасишин, С.В. Капустнікова // Матер. міжнар. конф. “Евтектика-V”, Дніпропетровськ, 2000. - С. 54-56.

7. Івасишин А.Д. Зародження втомних макротріщин у металокерамічних матеріалах системи Ti-Si // Матер. науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів "Інженерія поверхні", Львів, 22-23 березня, 2001. - С. 31-36.

8. Тріщиностійкість металокерамічного композита Ti-Si / О.П. Осташ, Б.Д. Василів, А.Д. Івасишин, В.І. Мазур, С.В. Капустнікова  // Матер. ХХХVII международного семинара "Актуальные проблемы прочности", 3-5 июля 2001. - С. 33-34.

9. Івасишин А.Д. Вплив попереднього термодеформування на циклічну тріщиностійкість металокераміки системи Ti-Si-X // Матер. XVIІ Відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України. - Україна, Львів, 2002. - С. 79 - 82.

10. Івасишин А.Д. Вплив режимів термічної обробки на кінетику росту втомних тріщин у металокомпозиті системи Ті-Si-X // Матеріали ХVІІІ відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 8-10 жовтня 2003. - С. 138-141.

11. Вплив структури та асиметрії циклу навантаження на кінетику корозійно-втомних тріщин у металокерамічному композиті системи Ті-Sі / О. Осташ, В. Мазур, Б. Василів, А. Івасишин // Матер. міжнар. конф. „Евтектика - VI”, Запоріжжя, 2003. - с. 170-175.

12. High-temperature fatigue crack growth resistance of thermomechanically and heat treated cast Ti-Si-Al-Zr composites / B. Vasyliv, A. Ivasyshyn, O. Ostash, S. Firstov, V. Mazur, M. Kuzmenko, S. Kapustnikova // Metallic Materials with High Structural Efficiancy (Eds. Senkov at al.), Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 2004. - P. 235-240.

13. Підвищення високотемпературної міцності і циклічної тріщиностійкості металокерамічного сплаву системи Ti-Si-Al-Zr / А. Івасишин, Б. Василів, О. Осташ, С.О. Фірстов, Л.Д. Кулак, В.І. Мазур // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В.В. Панасюка - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004. - С. 831-838.

Анотація

Івасишин А.Д. Підвищення високотемпературної і корозійної циклічної тріщиностійкості сплавів системи Ti-Si-Al-Zr. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2005.

Дисертація присв'ячена проблемам структурної оптимізації металокомпозитних матеріалів з метою підвищення їх опору втомному руйнуванню в умовах сумісної дії циклічного навантаження та експлуатаційних середовищ (високої температури або корозійного середовища). Об'єктами випробувань були нові сплави системи Ti-Si-Al-Zr. У роботі оцінено вплив компонентного складу і структури на характеристики високотемпературної та корозійної циклічної тріщиностійкості цих сплавів в литому, термообробленому і термодеформованому станах. Мікрорактографічними дослідженнями встановлено зв'язок між механізмами руйнування та структурними особливостями матеріалів. Досліджено електрохімічну поведінку металокомпозитів і визначено швидкість регенерації пасиваційної плівки на свіжоутвореній поверхні. Оцінено працездатність сплавів системи Ti-Si-Al-Zr за умов дії експлуатаційних середовищ на підставі діаграм конструкційної міцності, що враховують тріщиностійкість на трьох ділянках кінетичної діаграми та міцність на згин. Проведено порівняння їх властивостей і традиційних титанових сплавів.

Ключові слова: металокомпозит, титанова матриця, структура, фазовий склад, циклічна тріщиностійкість, міцність, висока температура, корозійне середовище.

АнНотация.

Ивасишин А.Д. Повышение высокотемпературной и коррозионной циклической трещиностойкости сплавов системы Ti-Si-Al-Zr. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01. - материаловедение. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка НАН Украины, Львов, 2005.

Диссертация посвящена проблемам структурной оптимизации металлокомпозитов с целью увеличения их сопротивления усталостному разрушению в условиях совместного воздействия циклического нагружения и эксплуатационных сред (высокой температуры и коррозионной среды). Объектом испытаний были новые сплавы системы Ti-Si-Al-Zr. В работе оценено влияние их компонентного состава и структуры на параметры высокотемпературной и коррозионной циклической трещиностойкости. Экспериментально установлено, что литые сплавы системы Ti-Si-Al-Zr, в которых колонии силицидов размещены в виде упрочняющего каркаса, имеют относительно низкую циклическую вязкость разрушения, хотя их пороговая циклическая трещиностойкость достаточно высокая и находится на уровне порогов усталости высокопрочных сталей и титановых сплавов. Характеристики высокотемпературной и коррозионной циклической трещиностойкости этих материалов практически не изменяется до температуры 700…800єС и в среде 3% NaCl (рН7) соответственно. Показано, что отжиг и закалка с (б+в)- и в- областей литого сплава Ti-4Si-5Al-5Zr, приводящие в основном к изменениям структуры матрицы, не улучшают его прочность и циклическую трещиностойкость в исследованых эксплуатационных средах, за исключением случая увеличения порога коррозионной усталости после обработки с в- области и формирования пластинчатой б- матрицы. Установлено, что увеличение прочности, пластичности и циклической трещиностойкости этих сплавов при нормальной и высокой температурах, а также в коррозионной среде достигается вследствие глобуляризации структуры матрицы и силицидной фазы после термомеханической обработки с деформацией не менее 90%, однако сплавы в таком состоянии характеризуются повышеной по сравнению с литыми чувствительностью к отрицательному влиянию исследованых эксплуатационных сред.

Оценено работоспособность металлокомпозитов системы Ti-Si-Al-Zr в условиях воздействия эксплуатационных сред с помощью диаграмм конструкционной прочности, которые учитывают трещиностойкость на трех участках кинетической диаграммы и прочность на изгиб. Проведено сравнение свойств исследованных и традиционных титановых сплавов.

Ключевые слова: металлокомпозит, титановая матрица, структура, фазовый состав, циклическая трещиностойкость, прочность, высокая температура, коррозионная среда.

SUMMARY

Ivasyshyn A.D. Increasing of high temperature and corrosive fatigue crack growth resistance of Ti-Si-Al-Zr alloys. - Manuscript.

The dissertation for gaining a scientific degree of the candidate of sciences (engineering) in specialty 05.02.01 - material science - Karpenko Phisico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2005.

The dissertation related to fatigue fracture of structural materials problems under joint action of cyclic loading and operating environments (high temperatures and corrosive environment). The new Ti-Si-Al-Zr metal-matrix composites were the objects for investigations. The influence of chemical composition and structure of the composites in cast, heat treated and termodeformed conditions on the characteristics of fatigue crack growth resistance at high temperature and in corrosive environment was evaluated in the study. The association between fracture mechanisms and structural peculiarity of the materials was found by microphractografy investigations. The electrochemical behavior of the metal-matrix composites were investigated and passive film recuperation rate on the fresh surface were determined. The capacity for work of composites at operating environments condition were estimated by the diagrams of structural strength, that consider the crack growth resistance on the three ranges of kinetic diagrams and bending strength. The properties of investigated metal-matrix composites and conventional titanium alloys were compared.

Key words: Metal-matrix composites, titanium matrix, structure, phase composition, fatigue crack growth resistance, strength, high temperature, corrosive environment.

Размещено на Allbest.ru