Исследование особенностей распада метастабильных фаз в титановом сплаве ВТ16 после холодной пластической деформации на различных этапах старения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование особенностей распада метастабильных фаз в титановом сплаве ВТ16 после холодной пластической деформации на различных этапах старения

С.С. Манохин, Д.А. Нечаенко, М.Б. Иванов Научно-образовательный и инновационный центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии», Белгородский государственный университет

В настоящее время большинство медицинских инструментов производятся из нержавеющей стали. Однано, общая проблема в том, что инструмент из нержавеющей стали имеет малую коррозионную стойкость в определенных медицинских растворах. Кроме того, нержавеющей стали для режущего/колющего инструмента являются магнитными, что ограничивает применение инструментария при операциях с использованием магнитных полей. Титановые сплавы обладают множеством преимуществ, среди которых: высокая сопротивляемость коррозии, не магнитны и имеют лучшее отношение прочности к удельному весу. Замена материала из нержавеющей стали на титановые сплавы позволяет избежать эти проблемы.

Целью данной работы являлось установление особенностей распада метастабильных фаз в закаленном на орторомбический мартенсит (б"-фазу) титановом сплаве ВТ16 на различных стадиях старения, после предварительно осуществленной холодной деформации прокаткой. Исследования по данной тематике актуальны тем, что на данный момент, в мировой литературе не полно освещены подобные вопросы и практически не проводились исследования с привлечением современных методов просвечивающей электронной микроскопии.

Химический состав исследуемого титанового сплава марки ВТ16 (ГОСТ 26492-85, поставщик ОАО «Корпорация ВСМПО АВИСМА») следующий (%(масс.)): 3,2Al; 5,4 Mo; 4,4 V; прочие 1,3, остальное Ti.

Исходная микроструктура материала в состоянии поставки представлена смесью б- и в-фаз. Большую часть объема материала занимает пластинчатая структура. Длина пластин от 15 до 50 мкм, в толщину от 1 до 3 мкм. Большая часть пластин лежит в продольном сечении прутка.

Согласно рентгеноструктурному анализу объемная доля в-фазы составляет порядка 25-30%. Механические свойства в исходном состоянии:у_в,(MPa)-1150, у_0,2,(MPa)-950, д,(%)-15, ш(%)-40.

Для получения прутков и пластин с повышенными свойствами применяли активно развиваемую методику радиально-сдвиговой прокатки (РСП) [1] в сочетании с прокаткой в плоских вальцах и термическими обработками.

При закалке прутков и пластин в воду с 830єС фазовый состав был представлен преимущественно орторомбическим мартенситом (б"-фазой), первичной б-фазой, и не большим количеством метастабильной в-фазы. Методами рентеноструктурного анализа установлено, что под действием холодной прокатки материал с таким фазовым составом претерпевает следующие фазовые превращения: б"бґ, вмет.-фазыб"б'-фазу (рис. 1).

А) Б)

В) Г)

Д)

Рис. 1.Рентгенограммы сплава ВТ16: А) исходное состояние поставки; Б) закалка с 830 ?С в воду; В),Г),Д) последующая холодная прокатка на степень 10,20,50 % соответственно.

Электронно-микроскопически выявленно, что микроструктура деформированного сплава по мере увеличения степеней деформации утрачивает типичную для мартенситного состояния пластинчатую морфологию. В результате образуется дисперсная наноструктурная зеренно-субзеренная смесь кристаллитов.

Ниже приведены дифрактограммы образцов на начальных стадиях распада метастабильных фаз при 400 ?С. На рисунке 2,А видно, что для рефлексов от орторомбического мартенсита наблюдается не характерное расщепление линий на дуплеты (отчетливо в диапазоне 27-37 градусов). Такого рода изменения профилей пиков можно индицировать как появление двух б"-фазы с различными друг от друга параметрами кристаллических решеток. Установлено, что у образцов содержащих б'-фазу (предварительно деформированный материал на степень деформации 20-50%) при отжиге в течение 60 минут, при 400^?С наблюдается расщепление рефлексов на дуплеты, которые индицируются как рефлексы от б''-фазы (60-80 градусов) (рис.2, Б,В). Т.е., на начальных этапах распада происходит обратное мартенситное превращение б'б +б''-фазу.

А) Б)

В)

Рис. 2. Рентгенограммы состаренного сплава ВТ16 (400 ?С): А) без деформации,10 мин.; Б) 50% деформации,10 мин; В) 50% деформации,60 мин.

В состоянии материала после предварительной прокатки на степень деформации 50% и отжига 400 ?С, после 60 минут старения методами просвечивающей электронной микроскопии наблюдаются пластины б''-фазы двойникового характера (рис.3).

Рис. 3. Изображение и дифракция (Фурье-преобразование) полученные с состаренного образца сплава ВТ16 при 400 ?С, степень деформации 50% ,60 мин. ПЭМ. Ось зоны [001].

Далее на последующих этапах старения, при повышении температуры или времен выдержки у образцов (предварительно деформированных и не деформированных) по данным рентгеноструктурного анализа, распад протекает по следующей схеме: б''б+внеравновесноеб+в. Такая же схема распада приводится и в литературных источниках [2,3].

Можно отметить, что на различных этапах протекания распада метастабильных фаз наблюдается различные морфологии распада: 1. Выделение дисперсных кристаллитов начинающиеся на границах раздела мартенситных пластин(рис. 4,А.); 2. Расслоения мартенситных пластин на чередующиеся области дисперсных пластинчатых выделений (рис. 4,Б.).

К примеру, при температуре 500 ?С после 10 минут старения происходит полный распад метастабильных фаз с образованием дисперсной пластинчатой морфологии кристаллитов, что фиксируется методами ПЭМ (рис.5).

А) Б)

Рис. 4. Микроструктура состаренного сплава: А) с предварительной холодной деформацией прокаткой на 20% и старением при 400 ?С, 10 мин; Б) 20%, 500 ?С, 60мин; Просвечивающая электронная микроскопия в режиме сканирования.

Рис. 5.Изображения образца титанового сплава ВТ16 предварительно закаленного и деформированного на степень 50% после старения при 500 ?С, 10 минут: А, Б) светлое поле; В) темное поле. ПЭМ

Такая микроструктура способствует упрочнению материала, в частности значительно возрастают значения твердости. Что пратически важно при создании инструментария с режущими/колющими частями. Установлены температурно-временные условия распада метастабильных фаз и закономерности изменения значений твердости после различных степеней предварительной холодной прокатки и последующего старения титанового (б+в)- сплава ВТ16. Ниже приведены зависимости твердости от степеней предварительной прокатки, температур старения и времен выдержки (рис.6).

Рис. 6. Зависимости твердости от степеней предварительной прокатки, температур старения и времен выдержки титанового сплава ВТ16.

Из полученных данных следует, что предварительная прокатка способствует ускорению протекания процессов распада метастабильных фаз в сплаве ВТ16. С увеличением степеней предварительной холодной деформации прокаткой понижается температура распада метастабильных фаз. Внесенные дефекты, напряжения и искажения решетки способствуют ускорению процессов распада, образованию дисперсных частиц (400-500 ?С). При 600 °С происходит коагуляция частиц дисперсных фаз приводящих к разупрочнению и снижению значений твердости.

мартенсит титановый сплав прокатка

Список литературы

1. Пенкин А.В., Голосов Е.В., Иванов М.Б., Колобов Ю.Р. Особенности ультрамелкозернистой структуры в прутках из нелегированного титана при различных видах теплой винтовой прокатки//XVII международная конференция “Физика прочности и пластичности материалов”, г. Самара, 22-26 июня, 2009.

2. Белов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов, М.: Металлургия, 1992. 352 с.

3. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Металлография титановых сплавов, М.: Металлургия, 1980,463 с.

Размещено на Allbest.ru