Введение 4
1. Аналитический обзор 6
1.1. Свойства титана и его сплавов 6
1.2. Методы термомеханической обработки титана и его сплавов 8
1.3. Усталостные свойства наноструктурированных титановых сплавов 13
2. Цели и объекты исследования 17
2.1. Цели исследования 17
2.2. Объекты и методики исследования 17
3. Экспериментальные результаты 22
3.1. Влияние размеров образца на механические свойства сплава ВТ6 при статическом одноосном растяжении 22
3.2. Влияние размеров образца на усталостные свойства сплава ВТ6 23
3.3. Исследование влияния режима ИПДК и последующей термообработки на механические свойства ВТ6 24
Заключение 27
Список литературы 28
За последние два десятка лет наноструктурированные металлы и сплавы, подвергнутые интенсивным пластическим деформациям (ИПД), получили достаточно проявленного интереса исследователей со всего мира. Среди самых востребованных и многообещающих методик можно отметить равноканальное угловое прессование (РКУП) и интенсивную пластическую деформацию кручением (ИПДК). Множеством работ, как российских, так и зарубежных ученых, было показано, как можно направленно улучшать функциональные и механические свойства металлов и сплавов путём уменьшения размеров зерна в них. Кроме того, использование данных методик позволило изучить проявление новых механизмов реализации пластической деформации, таких как поворот зерен и зернограничное проскальзывание. Все эти особенности говорят о многообещающих возможностях эффективного применения в промышленности новых наноструктурированных металлических материалов с улучшенными свойствами.
Одним из важнейших эксплуатационных качеств материалов является их способность противостоять многократным циклическим нагрузкам - усталостная выносливость. Для эффективной длительной эксплуатации изделий из наноструктурированных материалов определение закономерностей изменения их структуры при циклических нагрузках является важной научно-технической задачей. Это позволит определить границы области применения конечных продуктов и обозначить стратегии для их направленного изменения. Исследование усталостных свойств сплавов, подвергнутых наноструктурированию методом РКУП, не представляет труда, и результаты по данной тематике уже были представлены в ряде работ. Однако исследований, посвященных исследованию выносливости материалов, подвергнутых ИПДК, не так много, несмотря на то, что именно эта методика позволяет добиться наименьшего размера зерен, что может сильнее влиять на свойства материалов. В первую очередь возникновение данного пробела связано с малым размером образцов, что является препятствием для качественной и количественной оценки усталостных свойств или последующего сравнительного анализа. Таким образом, в данном исследовании была поставлена задача разработки методики, позволяющей проводить механические и усталостные испытания образцов малых размеров, и сравнение полученных результатов с результатами для образцов стандартного размера. Также необходимо было понять применимость полученной методики для малых образцов из наноструктурированного материала.
В ходе решения поставленных задач, с применением высокоточного оборудовании и соблюдения норм культуры производства была разработана и изготовлена оригинальная испытательная оснастка, интегрируемая в стандартное оборудование для механических испытаний. Конструкция данной оснастки позволяла минимизировать неоднородность распределения напряжений по объему образца и уменьшить вклад конструкционных недостатков в измеряемые величины деформации и напряжения. Были получены диаграммы деформирования и кривые усталости для малых и больших образцов крупнозернистого сплава ВТ6, анализ которых позволил сделать вывод о применимости методики и особенностях масштабирования усталостных свойств при изменении геометрических размеров образца.
Также в рамках данной работы с применением разработанных инструментов было проведено исследование влияния режимов термомеханической обработки на механические свойства сплав ВТ6 наноструктурированного методом ИПДК. Было установлено, что ИПДК, по всей видимости, вносит в структуру множество мезодефектов, которые не удалось убрать средствами последующей термообработки, как и в случае применения метода РКУП. Это позволило сделать вывод о том, что применительно к сплаву ВТ6 изменение схемы наноструктурирования не привело к технологическому облегчению процесса уменьшения размера зерна и требует проведения интенсивной пластической деформации при повышенных температурах.
Все поставленные в исследовании задачи были успешно выполнены, а по полученным результатам работы можно сделать следующие заключения:
1. Разработана универсальная методика для механических и усталостных испытаний малых образцов наноструктурированных металлов и сплавов, учитывающая известные особенности их микроструктуры и механических свойств.
2 Изготовлена уникальная оснастка с применением знаний об особенностях деформирования инструментальных сталей, позволяющая минимизировать вклад упругой деформации оснастки в измеряемые величины деформации и напряжений
3 Получены экспериментальные зависимости усталостных испытаний, полученных с использованием выбранной геометрии малых образцов и стандартных на примере крупнозернистого горячекатаного сплава ВТ6. Сравнительный анализ полученных данных позволил сформировать представление о правилах масштабирования свойств в зависимости от выбора размера образца. Статистический разброс полученных данных показал хорошую повторяемость результатов.
4 Исследовано влияние режимов термообработки на механические свойства сплава ВТ6. Установлена необходимость проведения ИПДК при повышенных температурах с целью исключения образования мезодефектов, а также направленному формированию фазового состава сплава в процессе ИПД.
