Закономірності фазових і структурних перетворень в сплавах на основі системи Ti-Si при гартуванні та відпуску

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

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 зміцнюючоп силіцидноп 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.

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 в-області і двофазної (в+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.

1. 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 б-в 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 в-області можливе утворення бґ- або бЅ-мартенситу з ГЩУ або орторомбічною граткою, відповідно, або атермічний розпад в-фази на щ-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 в-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 в-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 евтектичноп 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.

2. 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 б-титані, для досягнення максимального ефекту зміцнення при загартуванні (табл. 1). В якості легуючих елементів було взято б-стабілізуючий елемент Al, в-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 е=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

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, скануючоп 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 20-120є 2И у Cu Кб-випромінюванні. Крок сканування складав 0.05є 2И, 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 (ѓ) і зносостійкість (Імкм).

3. Дослідження 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 в-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 б-фази розміром 100-200 мкм із включенням силіцидів, а у випадку легування Nb або Mo - з (б+в)-матриці із включеннями силіцидів.

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.

Електронно-мікроскопічні дослідження загартованого сплаву Ti-4Si показали, що він набув структури бґ-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 бґ-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 в-стабілізації при загартуванні сплавів з в-стабілізаторами Nb і Mo у порівнянні з бінарними сплавами систем Ti-Nb і Ti-Mo, завдяки чому сплав Ti-4Si-4Mo зберігає структуру високотемпературної в-матриці з ОЦК-граткою, а в сплаві Ti-4Si-4Nb формується б'-мартенсит із залишкової в-фазою.

У сплавах Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf після гартування утворюється пластинчастий б''-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 в-твердому розчині. Це було підтверджено рентгенівськими дослідженнями сплаву Ti-4Si-4Hf при високій температурі. Наявність впорядкування спостерігалася в перших порціях в-фази при 900 °С, про що свідчить поява на дифрактограмі забороненого для ОЦК-гратки рефлекса (100). 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 в-фазі в локальних об'ємах матеріалу у вигляді кластерів, 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 в-фази.

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

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. 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 ґ-мартенситом пластинчатої морфології. Мінімальний приріст твердості та міцності після загартування спостерігається в сплаві Ti-4Si-4Nb з (б'+в)- та в сплаві Ti-4Si-4Mo з в-структурою. Проміжне положення займають сплави Ti-4Si і Ti-4Si-4Al зі структурою масивного б'-мартенситу з відносно великими пластинами.

Модуль пружності всіх сплавів при загартуванні з в-області знижується, найбільш інтенсивно в сплавах, легованих Nb і Mo. 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.

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 єС суттєво знижуються. Це відбувається через зростання ступеня легованості твердого розчину, а також за рахунок інтенсивного росту зерна при витримці під гартування у однофазної в-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 (в+силіцид)-області.

4. 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 єС/с досягається в приповерхневих зонах зразків (1-2 мм від поверхні). На відстані від 2 до 10 мм швидкість знижується з 410 єС/с до 20 єС/с, а на більших відстанях від поверхні швидкість знижується до 1,5 єС/с и нижче.

Показано, що гартування бінарного сплаву Ti-4,2Si зі швидкістю 410-525 єС/с приводить до формування мартенситної структури масивної морфології, зі швидкістю 20-410 єС/с - до формування структури, яка складається з мартенситу відпуску і силіцидів, які виділилися з пересиченого твердого розчину. Гартування зі швидкістю, меншою за 20 єС/с, приводить до утворення пластинчатої б-фази і силіцидів без утворення пересиченого твердого розчину. Легування бінарного сплаву Ti-4,2Si цирконієм сприяє поступовому переходу від масивної морфології мартенситу до пластинчастої 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.

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 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.

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 :

. (2)

5. 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 єС, 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. Це вказує на інтенсифікацію процесів розпаду мартенситної структури і виділення силіцидів з пересиченого твердого розчину. Максимальна твердість досягається при відпуску при температурі 540 єС, що вказує на більш вузький температурний інтервал дисперсійного твердіння в порівнянні з вуглецевими сталями, в яких відпуск відбувається в інтервалі температур 150-450 єС.

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. До роззміцнення приводить і підвищення температури відпуску до 600 єС, при якій суттєво зростає швидкість дифузійних процесів.

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 єС, показали, що при відпуску при температурі 540 єС 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 бґ- чи бЅ-структури і можливого розпаду метастабільної в-фази, яка залишилася після гартування. Максимальну твердість набувають сплави Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf з упорядкованою структурою та орторомбічними б''-мартенситом, а максимальний приріст твердості спостерігається в сплаві Ti-4Si-4Mo, де, окрім виділення силіцидної фази, відбувається розпад метастабільної в-фази.

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.

Таблиця 2. Значення енергій активації розпаду пересиченого твердого розчину U для сплавів Ti-Si-Х

Висновки

фазовий легування титановий кремнієвий

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 в-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 б''-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 в-твердому розчині, яке проявляється в появі доменів упорядкування в структурі мартенситу загартування. Запропоновано модель кластерного впорядкування, за якою впорядкування відбувається в в-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 в-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 б-фази і силіцидів, які виділилися з пересиченого твердого розчину. Гартування зі швидкістю, меншою за 20 °С/с, приводить до утворення пластинчатої б-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 Ti-Si-X, 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 Ti-Si-X 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.

Література

1. Исследование влияния легирующих элементов на фазовые и структурные превращения при закалке в сплавах на основе системы Ti-Si / Н.Д. Бега, О.В. Дацкевич, А.В. Котко [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28. - С. 157-164.

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 Ti-Si-Zr после торцовой закалки / С.В. Ткаченко, А.В. Котко, С.А. Фирстов [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2009. - Т. 31. - №3. - С. 389-396.

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.

Размещено на Allbest.ru