WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Образцы для исследований были предоставлены кафедрой «Материаловедение и технология обработки материалов» «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского после механических испытаний. Полуфабрикаты в виде стержней были получены по промышленной технологии и перед обработкой находились в исходном литом состоянии. К образцам применяли следующие виды обработки: гомогенизирующий отжиг (ГО); высокотемпературную газостатическую обработку (ВГО); термоводородную обработку (ТВО), включающую наводороживающий отжиг (НО) и вакуумный отжиг (ВО); циклическую ТВО, состоящую из нескольких циклов НО и ВО, что дало возможность получить различные типы и параметры структур.

Гомогенизирующий отжиг проводился в электропечах типа СНОЛ-1.6.2.5.1/ПМЗ. Высокотемпературная газостатическая обработка проводилась в среде аргона под давлением 150155 МПа, при температурах от 850 до 950°С. Термоводородная обработка проводилась в установке Сивертса и в вакуумных печах марки СНВЭ-1.3.1/16ИЗ. Контроль содержания водорода в образцах после ТВО выполнялся спектральным методом.

Механические испытания на ударную вязкость проводились по ГОСТ 945488. Сопротивление многоцикловой усталости определяли по ГОСТ 25.50279, вид испытаний – изгиб с вращением, коэффициент асимметрии R = 1, частота нагружения 100 Гц.

Для фрактографических исследований применяли бинокулярный микроскоп при увеличениях до 50 крат и растровый электронный микроскоп Tesla BS300 (далее РЭМ) при увеличениях до 10000 крат. Для формирования картины в РЭМ использовали вторичные электроны, т. к. они дают наибольшую разрешающую способность. При фотографировании и измерении структурных параметров для минимизации искажений перед съемкой проводилась юстировка по контрольным замерам на тест-объекте; также при съемке выдерживались постоянная высота исследуемой поверхности над предметным столиком микроскопа и постоянный угол наклона относительно электронного зонда.

Образцы для металлографического анализа готовили по стандартным методикам. Микроструктуру сплавов изучали с помощью оптического микроскопа «Неофот30» при увеличениях до 1000 крат и с помощью растрового электронного микроскопа Tesla BS-300 при увеличениях до 6000 крат.

Количественные параметры микроструктуры и морфологии изломов измеряли при помощи специально разработанного программного обеспечения (ПО). ПО позволяет в полуавтоматическом режиме вести измерения и запись серии данных линейных размеров и площадей элементов изображения с учетом масштаба. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики, в том числе при помощи специально разработанного программного обеспечения.

Глава 3. Результаты макрофрактографических исследований

Глава посвящена анализу результатов макрофрактографических исследований образцов для испытаний на ударную вязкость и образцов для испытаний на предел выносливости.

На основе металлографических исследований на световом микроскопе и РЭМ проведена классификация микроструктур исследуемых образцов. Для сплава ВТ20Л выделено 4 структурных группы (№1№4), для сплава ВТ23Л – 3 группы (№1№3). В рамках групп №1№3 оба сплава характеризуются близким типом структуры.

В группу №1 вошли образцы в исходном литом состоянии и после обработки, практически не преобразующей исходную пластинчатую структуру (ГО, ВГО) с исходным зерном (D = 200500 мкм), крупнопластинчатой фазой (l = 30100 мкм; b = 68 мкм) и оторочкой по границе зерна.

Образцы группы №2 были подвергнуты наводороживанию до концентраций, обеспечивающих проведение последующей ВГО в условиях проявления эффекта водородного пластифицирования, и затем вакуумному отжигу. Такая обработка привела к частичному преобразованию структуры: кроме пластин первичной фазы тех же размеров, что и в группе №1, в ней присутствуют мелкие пластины вторичной фазы (l = 412 мкм, b = 12 мкм), образующиеся, в основном, в результате ()превращения при удалении водорода.

Группа №3 объединяет образцы после различных режимов ТВО, полностью преобразующих исходную структуру в мелкопластинчатую (l = 39 мкм, b = 12 мкм), но с сохранением оторочки по границам -зерна.

Группа №4 состоит из образцов сплава ВТ20Л после ТВО по режимам, устраняющим оторочку, и формирующим ультрадисперсную структуру с размером частиц фазы менее 1 мкм и формой, близкой к глобулярной.

Параметры обработок и полученные механические свойства образцов для каждого сплава и режима обработки приведены в диссертации.

Показано, что структуры образцов для испытаний на ударную вязкость и для испытаний на предел выносливости в рамках каждой структурной группы идентичны, что делает обоснованным сравнительные исследования изломов этих образцов.

В группе №1 с исходной крупнопластинчатой структурой излом образцов для испытаний на ударную вязкость имеет типичное ямочное строение, характерное для вязкого разрушения. Небольшая доля площади излома, до 10 %, представлена квазифасетками, соответственно 90 % – межфасеточными ямочными участками. В  связи с этим группа №1 характеризуется наибольшими значениями ударной вязкости: 0,620,91 МДж/м2. Небольшое число квазифасеток формируется при распространении трещины вдоль пластины при благоприятной кристаллографической ориентации последней. Рельеф зоны роста усталостной трещины в изломе образцов для испытаний на предел выносливости сильно развит, что связано с пластинчатым строением сплава. Зона долома образцов для испытаний на предел выносливости идентична по строению излому образцов для испытаний на ударную вязкость: в целом она сформирована участками с ямочным строением и небольшим числом изолированных квазифасеток.

В группе №2 укрупняется рельеф межфасеточных участков изломов образцов для испытаний на ударную вязкость. Это связано с увеличением расстояния между пластинами первичной фазы за счет заполнения межпластинчатых пространств дисперсными выделениями вторичной фазы в матрице. Подобная мелкопластинчатая структура мало влияет на направление распространения трещины, поэтому резкие изменения направления происходят реже, и рельеф излома укрупняется. Число фасеток незначительно увеличивается. Повышение прочности объемов с мелкодисперсной вторичной фазой приводит к сглаживанию рельефа поверхности излома и формированию квазифасеток. В результате доля межфасеточных участков с ямочным строением снижается до 80 % и уменьшаются значения KCU, для группы №2 они составляют 0,500,58 МДж/м2­. Зона роста трещины образцов для испытаний на предел выносливости также имеет более развитый рельеф, чем в группе №1. Зона долома образцов для испытаний на предел выносливости аналогична излому образцов для испытаний на ударную вязкость: основу составляют межфасеточные участки, в которых располагаются отдельные квазифасетки.

В группе №3 количество межфасеточных участков в изломе образцов для испытаний на ударную вязкость уменьшается до 60 % в связи с ростом количества квазифасеток. Объемы бывших зерен, заполненные мелкими пластинами фазы в матрице фазы, при разрушении ведут себя как бесструктурные монолиты, слабо влияющие на направление распространения трещины. В то же время, наличие оторочки, существенно облегчает продвижение трещины, которая распространяется вдоль нее на значительное расстояние, образуя межзеренные квазифасетки. Сочетание этих механизмов приводит к уменьшению KCU до 0,470,53 МДж/м2­­. Зона роста трещины образцов для испытаний на предел выносливости сильно сглажена, так как сформирована сечениями объемов бывших ­зерен, т. е. состоит из внутризеренных фасеток, стоящих под небольшим углом друг к другу; оторочка не изменяет рельефа поверхности зоны роста трещины. Зона долома образцов для испытаний на предел выносливости идентична по строению изломам образцов для испытаний на ударную вязкость: она состоит из приблизительно равного количества ямочных и квазифасеточных участков.

Дальнейшее измельчение структуры в группе №4 и устранение оторочки приводит к тому, что при формировании излома образцов для испытаний на ударную вязкость трещина распространяется вне связи с микроструктурой и формирует большое число внутризеренных квазифасеток с нечеткими границами. На квазифасетках изломов образцов группы №4, в отличие от групп №2 и №3, проявляются ручьистый узор и границы кручения. Доля ямочных участков уменьшается до 10 %, KCU снижается до 0,100,16 МДж/м2­­. Зона роста трещины образцов для испытаний на предел выносливости занимает незначительную часть сечения излома, при этом в ней присутствуют элементы ручьистого узора. Бльшую часть излома образцов для испытаний на предел выносливости занимает долом, практически полностью состоящий из квазифасеток, как и излом образцов для испытаний на ударную вязкость.

Пример строения типичных изломов образцов сплава ВТ20Л групп №3 и №4 приведен на рис. 1.

Таким образом, установлено, что макростроение изломов образцов для испытаний на ударную вязкость и зоны долома образцов для испытаний на предел выносливости качественно идентично при идентичном структурном состоянии образцов.

При помощи специально разработанной методики масок, для реализации которой было создано специализированное программное обеспечение, была оценена доля межфасеточной составляющей (SV) в изломе образцов для испытаний на ударную вязкость. Результаты замеров были сопоставлены со средними механическими свойствами в каждой группе (рис. 2). Установлено, что в сплаве ВТ20Л с уменьшением доли межфасеточных участков излома уменьшается KCU и увеличивается -1. В сплаве ВТ23Л зависимости аналогичны.

а)

б)

в)

г)

Рис. 1. Типичные изломы образцов сплава ВТ20Л: образцы для испытаний на ударную вязкость, группа №3 (а) и группа №4 (в); образцы для испытаний на предел выносливости, группа №3 (б) и группа №4 (г)

а)

б)

Рис. 2. Сопоставление доли межфасеточной составляющей (SV) в изломе образцов для испытаний на ударную вязкость с KCU и ­1­: а) сплав ВТ20Л; б) сплав ВТ23Л

В целом результаты макрофрактографических исследований сплавов ВТ20Л и ВТ23Л показывают универсальный характер выявленных зависимостей и могут служить основой для разработки методики прогноза механических свойств по элементам морфологии изломов образцов после динамических испытаний.

После статистической обработки, результаты которой приведены в главе 5, показано, что выявленная зависимость предела выносливости от доли межфасеточной составляющей в изломе образцов для испытаний на ударную вязкость позволяет оценивать предел выносливости с ошибкой порядка 1316%.

Глава 4. Результаты микрофрактографических исследований

Глава посвящена исследованию микроморфологии изломов при увеличениях до 10000 при помощи РЭМ и разработке методики количественной оценки микроморфологии изломов титановых сплавов для исследования возможности более точного прогноза предела выносливости по характеристикам микроморфологии изломов.

Микрофрактографические исследования зоны роста усталостной трещины в изломе образцов для испытаний на предел выносливости не выявили характерных элементов микроморфологии, пригодных для количественной оценки свойств сплава.

Далее по тексту термин «излом» будет обозначать изломы образцов для испытаний на ударную вязкость и зону долома образцов для испытаний на предел выносливости.

В группе №1 на изломе образцов как в межфасеточных участках, так и на поверхности квазифасеток отчетливо выявляются ямки микропластической деформации, имеющие значительный диапазон размеров.

Изломы образцов группы №2 подобны группе №1. В обоих сплавах в ряде случаев в межфасеточных участках наблюдается рельеф, схожий с пластинчатым строением колоний.

В группе №3 средний размер элементов микроморфологии излома, формирующих межфасеточные участки и квазифасетки, заметно меньше, чем в группах №1 и №2. При соприкосновении двух квазифасеток между ними наблюдается цепочка вытянутых ямок увеличенного размера, которые представляют собой результат разрыва оторочки.

Изломы образцов группы №4, несмотря преобладание на макроуровне квазихрупкой составляющей, также образуются по механизму микропластической деформации. Ямки становятся очень небольшими по размеру, в 47 раз мельче, чем в группах №1 и №2.

Таким образом, на фрактограммах изломов образцов для испытаний на ударную вязкость и долома образцов для испытаний на предел выносливости являются характерными две составляющие рельефа:

  1. внутризеренные или межзеренные квазифасетки, расположенные в виде единичных образований или групп;
  2. области вязкого излома, формировавшиеся путем зарождения и слияния микропор; в зависимости от количества квазифасеток эти области представляют собой либо матрицу, окружающую квазифасетки, либо межфасеточные перемычки.

Фрактограммы перечисленных элементов при увеличениях 500-10000 показали, что не только межфасеточные участки, но и квазифасетки сформированы мелкими ямками отрыва – следами микропластической деформации (рис. 3).

Таким образом, установлено, что основным элементом морфологии изломов образцов для испытаний на ударную вязкость и долома образцов для испытаний на предел выносливости являются ямки различных размеров, единичные или сложные, поверхность которых сформирована из меньших ямок.

По результатам микрофрактографических исследований разработана методика количественного описания элементов морфологии излома. Она состоит в измерении трех типов элементов:

  1. Минимальных ямок микропластической деформации, четко различимых при увеличении 4500 и не имеющих ямочного строения внутри своего контура.
  2. Типичных ямок микропластической деформации, наиболее характерных для данного участка при увеличении 800. Для них допускается внутреннее ямочное строение из минимальных ямок, но при этом они должны обладать собственным замкнутым контуром.
  3. Максимальных ямок микропластической деформации, превосходящих по площади в 23 раза окружающие типичные ямки, и имеющих собственный замкнутый гладкий контур. Для них допускается внутреннее ямочное строение из типичных ямок.

а)

б)

в)

г)

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»