Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование влияния ультразвуковой обработки на микроструктуру и механические свойства технического титана ВТ1-0

Сведения об участнике
ФИО
Хайруллин Рустам Равильевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Исследование влияния ультразвуковой обработки на микроструктуру и механические свойства технического титана ВТ1-0
Резюме
В работе исследовано влияние ультразвуковой обработки на морфологию поверхности, микроструктуру и механические свойства образцов технического титана ВТ1-0, взятых в состоянии поставки и подвергнутых предварительному рекристаллизационному отжигу. Установлено, что пластическое оттеснение материала ударником и его микровыступами сопровождается формированием навалов различной формы и размеров. Продемонстрировано, что в зависимости от исходной структуры образцов ВТ1-0 наблюдается различный эффект по увеличению плотности дислокаций и двойников с границами специального типа Σ7b и Σ11b в поверхностных зернах в процессе ультразвуковой обработки.
Ключевые слова
Титан, ультразвуковая обработка, морфология поверхности, микроструктура, механические свойства.
Цели и задачи
Целью данной работы является исследование влияния ультразвуковой обработки на морфологию поверхности, микроструктуру и механические свойства образцов 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.
Введение

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. 

Методы и материалы

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». 

 

Описание и обсуждение результатов

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.

Используемые источники
1. Chang Ye, Abhishek Telang, Amrinder S.Gill et al. Gradient nanostructure and residual stresses induced by Ultrasonic Nano-crystal Surface Modification in 304 austenitic stainless steel for high strength and high ductility // Materials Science & Engineering A. – 2014. – V.613. – P. 274–288.
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
Information about the project
Surname Name
Hairullin Rustam
Project title
Study of ultrasonic treatment effect on the microstructure and mechanical properties of commercial purity titanium
Summary of the project
The work presents a study of the ultrasonic treatment effect on surface morphology, microstructure and mechanical properties of ac-received and recrystallized commercial purity titanium specimens. It was found that the material piles up under influence of the striker and its microasperities. This process is accompanied by a formation of various shapes and sizes pile ups. It was demonstrated that the dislocation density growth and the twins with special boundaries Σ7b and Σ11b increase within the surface grains during ultrasonic treatment depend on initial structure of the titanium specimens.
Keywords
Titanium, ultrasonic treatment, surface morphology, microstructure, mechanical properties.