Влияние ультрамелкозернистои структуры на кинетику и механизм усталостного разрушения титанового сплава ВТ6

Исследованы кинетика и механизм усталостного разрушения титанового сплава ВТ6 (состава, мас.%: 5,95 V, 5,01 Al и 89,05 Ti) в исходном (горячекатаном) крупнозернистом (КЗ) состоянии и после равноканального углового прессования (РКУП) в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии. Для проведения РКУП использовались заготовки из указанного сплава диаметром 20 мм и длиной 100 мм, предварительно подверженные гомогенизационному отжигу. Затем проводились закалка в воде от температуры 960 °С с выдержкой 1 ч, отпуск при 675 °С в течение 4 ч и РКУП при 650 °С (маршрут Вс, ф = 120°, число проходов n = 6). Исследована тонкая структура сплава после РКУП методом просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющем напряжении 200 кВ. Для определения твердости сплава использовался твердомер Time Group ТН 300. Испытания на статическое растяжение проводились на круглых образцах диаметром 5 мм. Использовалась универсальная испытательная машина Tinius Olsen Н50КТ. Скорость растяжения составляла 5 мм/мин. Усталостные испытания осуществлялись на призматических образцах толщиной 10 мм при 20 °С по схеме трехточечного изгиба на установке Instron 8802. Показано, что при одних и тех же условиях нагружения долговечность образцов (количество циклов до разрушения) из сплава в исходном КЗ-состоянии выше, чем в УМЗ. Количество циклов до зарождения усталостной трещины, независимо от состояния сплава, было на уровне 19—23 % от общей долговечности образцов. Прямолинейный участок на кинетических диаграммах усталостного разрушения сплава аппроксимируется уравнением Пэриса. Выявлено, что скорость распространения усталостной трещины в сплаве с УМЗ-структурой несколько выше, чем в сплаве с КЗ-структурой. Микрорельеф усталостных изломов сплава ВТ6 как в КЗ, так и в УМЗ-состоянии можно характеризовать как чешуйчатый с усталостными бороздками на поверхности чешуек. В очаге разрушения образцов с УМЗ-структурой можно наблюдать малорельефную область длиной 4—6 мкм. Микрорельеф зоны долома, независимо от состояния сплава, ямочный.

1. Chung C.S., Kim J.K., Kim H.K., Kim WJ. Improvement of high—cycle fatigue life in a 6061 Al alloy produced by equal channel angular pressing. Mater. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 337. P. 39—44.

2. Vinogradov A., Nagasaki S, Patland V, Kitagawa K, Kawa-zoe M. Fatigue properties of 5056 Al—Mg alloy produced by equal—channel angular pressing. Nanostruct. Mater. 1999. Vol. 11. P. 925—934.

3. Furuya Y., Matsuoka S, Shimakura S, Hanamura T, To-rizuka S. Effects of carbon and phosphorus addition on the fatigue properties of ultrafine-grained steels. Scripta Mater. 2005. Vol. 52. P. 1163—1167.

4. Okayasu M, Sato K, Mizuno M, Hwang D.Y., Shin D.H. Fatigue properties of ultra-fine grained dual phase ferrite/ martensite low carbon steel. Int. J. Fatigue. 2008. Vol. 30. P. 1358—1365.

5. Meyer L.W., Sommer K, Halle T, Hockauf M. Crack growth in ultrafine grained AA6063 produced by equal-channel angular pressing. J. Mater. Sci. Eng. 2008. Vol. 43. P. 7426-7431.

6. MeyerL.W, SommerK, Halle T, Hockauf M. Microstructure and mechanical properties affecting crack growth behaviour in AA6060 produced by equal—channel angular extrusion. Mater. Sci. Forum. 2008. Vol. 584-586. P 815—820.

7. Estrin Y., Vinogradov A. Fatigue behaviour of light alloys with ultrafine grain structure produced by severe plastic deformation: An overview. Int. J. Fatigue. 2010. Vol. 32. P 898—907.

8. Goto M, Yamamoto T, Kitamura J., Iwamura T, Han S.Z., Ahn J.-H, Kim S, Lee J. Crack growth rate of inclined and deflected surface-cracks in round-bar specimens of copper processed by equal channel angular pressing under cyclic loading. Eng. Fract. Mech. 2017. Vol. 182. P. 100—113.

9. Estrin Y., Vinogradov A. Extreme grain refinement by severe plastic deformation: A wealth of challenging science. Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 782—817.

10. Mughrabi H, Hoppel H.W., Kautz M. Fatigue and microstructure of ultrafine—grained metals produced by severe plastic deformation. Scripta Mater. 2004. Vol. 51. P. 807—812.

11. Wang K, Tao N.R., Liu G, Lu J, Lu K. Plastic strainin-duced grain refinement at the nanometer scale in copper. Acta Mater. 2006. Vol. 54. P. 5281—5291.

12. Millett P.C., Selvam R.P., Saxena A. Stabilizing nanocrystalline materials with dopants. Acta Mater. 2007. Vol. 55. P. 2329—2336.

13. Khalaj G, Khalaj M.J., Nazari A. Microstructure and hot deformation behavior of almg6 alloy produced by equal-channel angular pressing. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 542. P. 15—20.

14. Скрябина Н.Е., Пинюгжанин В.М., Фрушар Д. Особенности формирования текстуры деформации в магниевом сплаве AZ31 в процессе равноканального углового прессования. Перспективные материалы. 2013. No. 1. С. 33—42.

15. Исламгалиев Р.К., Нестеров К.М., Хафизова Э.Д., Ганеев А.В., Голубовский Е.Р, Волков М.Е. Прочность и усталость ультрамелкозернистого алюминиевого сплава АК4-1. Вестник УГАТУ 2012. No. 8. С. 104—109.

16. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В., Щербаков А.В., Якушина Е.Б. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: Новые разработки и перспективы коммерциализации. Российские нанотехнологии. 2008. No. 9-10. С. 80—89.

17. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Ботвина Л.Р, Клевцова Н.А., Семенова И.П., Кашапов М.Р, Фесенюк М.В., Солдатен-ков А.П. Кинетика усталостного разрушения титана в субмикрокристаллическом состоянии. Вестник ОГУ 2012. No. 9. С. 123—125.

18. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk nanostructured materials: Fundamentals and applications. TMS, Wiley, 2014.

19. Валиев Р.З., Рааб Г.И., Гундеров Д.В., Семенова И.П., Мурашкин М.Ю. Развитие методов интенсивной пластической деформации для получения объемных наноструктурных материалов с уникальными механическими свойствами. Нанотехника. 2006. No. 2. С. 32—42.

20. Клевцов Г.В., Бобрук Е.В., Семенова И.П., Клевцова Н.А., Валиев Р.З. Прочность и механизмы разрушения объемных наноструктурированных металлических материалов: Учеб. пос. Уфа: РИК УГАТУ, 2016.

21. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р, Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. М.: МИСиС, 2007.