Прислать материал
Исследование влияния ультразвуковой обработки на микроструктуру и механические свойства технического титана ВТ1-0
Основными задачами работы являются:
1. Исследование механизмов формирования поверхностной шероховатости в образцах технического титана ВТ1-0, подвергнутых ультразвуковой обработке.
2. Исследование влияния исходного структурного состояния образцов технического титана ВТ1-0 на изменение их микроструктуры и механических свойств в процессе ультразвуковой обработки.
Наличие высоких удельной прочности, коррозионной стойкости, биоинертности и хладостойкости обусловливает широкое применение титановых сплавов в качестве перспективных конструкционных материалов в авиационно-космической и химической промышленности, а также в медицине. В целях повышения механических и физико-химических свойств материалов (износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости) активно используются методы поверхностного упрочнения (химико-термическая обработка, поверхностная закалка, обработка электронным пучком, ионная имплантация и др.), среди которых своей относительной простотой технической реализации и низкой себестоимостью выделяется ультразвуковая обработка.
В качестве материала для исследований были выбраны образцы технически чистого титана марки ВТ1-0 (0.2 % Al, 0.4 % Zr, 0.3 % Mn, 0.01 % Cr, 0.06 % Si, 0.2 % Fe, 0.02 % Cu и 98.8 % Ti), взятые в состоянии поставки (холодная прокатка на 5%, затем отжиг при 650 ºС в течение 1ч) и подвергнутые рекристаллизационному отжигу в вакууме при температуре 750 ºС в течение 1 часа. Средний размер зерна образцов, находящихся в состоянии поставки, составлял 40 мкм, а рекристаллизованных образцов – 100 мкм.
В процессе ультразвуковой обработки сферический ударник из твердого сплава марки ВК8 прижимается к обрабатываемой поверхности титановых образцов с силой 200 H, совершая колебания с частотой ~22 кГц и амплитудой ~40 мкм. Диаметр ударника и скорость его движения вдоль образцов составляли 10 мм и 0,015 м/с, соответственно.
Морфологию поверхности образцов из титана ВТ1-0 исследовали с помощью атомно-силового микроскопа Solver HV и оптического профилометра Zygo New View 6200. Микроструктуру образцов ВТ1-0 исследовали с помощью оптического микроскопа Zeiss Axiovert 40 MAT, сканирующего электронного микроскопа LEO EVO 50 и просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 . Рентгеноструктурные исследования выполняли на дифрактометре ДРОН-7 с использованием CoKa -излучения.
Измерения микротвердости исследуемых образцов выполняли на микротвердомере “ПМТ‑3” с нагрузкой 50 г. Одноосное квазистатическое растяжение образцов со скоростью 0,3 мм/с проводилось на универсальной испытательной машине «Instron 5582».
Многократное ударное воздействие обрабатывающего инструмента в процессе ультразвуковой обработки приводит к формированию на поверхности исследованных образцов ВТ1-0 чередующихся треков, состоящих из периодических полукруглых навалов. Огрубление поверхности исследованных образцов происходит по механизму пластического оттеснения, как самим ударником, так и микрошероховатостями на его поверхности.
Ультразвуковая обработка образцов ВТ1-0 приводит к фрагментации структуры их поверхностного слоя, интенсивному двойникованию, увеличению плотности дислокаций и внутренних напряжений, что способствует росту микротвердости поверхности, а также пределов прочности и текучести при растяжении. Двойникование, приводящее к формированию границ специального типа Σ7b и Σ11b, оказывается более выраженным в образцах ВТ1-0, находящихся в состоянии поставки.
Глубина поверхностного упрочнения титановых образцов в результате ультразвуковой обработки определяется средним размером зерна и исходной плотностью дислокаций. Чем больше исходная плотность дислокаций, тем сложнее осуществляется пластическая деформация посредством скольжения и двойникования вглубь образца при ультразвуковой обработке. Аналогичное затруднение распространению дислокаций и двойников вносят границы зерен. Хорошо известно, что движение дислокации вглубь материала с меньшим размером зерна энергетически более затратно, так как на своем пути она встречает много барьеров в виде границ раздела. И, напротив, чем больше зерно, тем меньше препятствий на своем пути встречает движущаяся дислокация. Таким образом, с уменьшением среднего размера зерна и с увеличением плотности дислокаций уменьшается глубина упрочненного поверхностного слоя после ультразвуковой обработки.
Большее увеличение твердости поверхностного слоя рекристаллизованных образцов ВТ1-0, подвергнутых ультразвуковой обработке, связано с более существенным увеличением плотности дислокаций в поверхностных зернах. Несмотря на то, что двойники с когерентными границами специального типа Σ7b и Σ11b, формирующиеся в поверхностном слое титановых образцов в процессе ультразвуковой обработки, не являются барьерами для внутризеренного скольжения, они дополнительно способствуют упрочнению поверхностного слоя образцов ВТ1-0, находящихся в состоянии поставки, за счет роста микроискажений кристаллической решетки.
В образцах ВТ1-0, находящихся в состоянии поставки и подвергнутых ультразвуковой обработке, микротвердость упрочненного поверхностного слоя оказывается больше, а его толщина – меньше по сравнению с образцами, подвергнутых предварительному рекристаллизационному отжигу. Как следствие, повышение пределов текучести и прочности в исследованных образцах ВТ1-0 оказывается одинаковым.
2. Manabu Yasuoka, Pangpang Wang, Kaiyue Zhang et al. Improvement of the fatigue strength of SUS304 austenite stainless steel using ultrasonic nanocrystal surface modification // Surface & Coatings Technology. – 2013. – V. 218. – P. 93–98
3. B. Wu, J. Zhang, L. Zhang, Y.-S. Pyoun, R.-i. Murakami. Effect of Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification on surface and fatigue properties of quenching and tempering S45C steel // Applied Surface Science. – 2014. – V. 321. – P. 318-330