ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ РАДИАЛЬНО-СХОДЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, ТОНКУЮ СТРУКТУРУ И ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ОБРАЗЦОВ СПЛАВА ВТ6 С РАЗЛИЧНОЙ ТЕКСТУРОЙ
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 4
1 Литературный обзор 8
1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Al-V, фазовый состав и структура
сплава Ti-6Al-4V 8
1.1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Al-V 8
1.1.2 Фазовый состав и структура сплава Ti-6Al-4V 11
1.2 Взаимодействие электронных пучков с металлическими материалами 14
1.3 Структура и фазовый состав титановых сплавов обработанных НСЭП 18
1.3.1 Низкоэнергетические сильноточные электронные пучки 18
1.3.2 Поверхностная структура сплава обработанного сильноточным
электронным пучком 20
1.3.3 Фазовый состав 22
2 Материалы, методы обработок и исследований 24
2.1 Материалы исследования и методы предварительной обработки
поверхностей образцов 24
2.2 Обработка поверхностей образцов радиально-сходящимся НСЭП 25
2.3 Методы рентгеноструктурного анализа 26
2.3.1 Условия получения картин рентгеновской дифракции с помощью
дифрактометра ДРОН-8Н 26
2.3.2 Прецизионное определение параметров решётки кристаллов с
гексагональной плотноупакованной структурой 27
2.3.3 Определение остаточных упругих деформаций и напряжений I
рода 28
2.3.4 Определение толщины слоя половинного поглощения
рентгеновских лучей 29
2.3.5 Фазовый анализ 32
2.3.6 Рентгеновский анализ кристаллографической текстуры. Метод
Харриса 32
2.4 Методы просвечивающей электронной микроскопии 35
3 Результаты 37
3.1 Картины рентгеновской дифракции, фазовый состав и параметры решеток основных фаз сплава Ti-6Al-4V до и после обработок
радиально-сходящимся НСЭП 37
3.2 Рентгеновский анализ кристаллографической текстуры в образцах сплава
Ti-6Al-4V до и после обработок радиально-сходящимся НСЭП 44
3.3 Рентгеновский анализ остаточных напряжений в образцах сплава
Ti-6Al-4V, индуцированных облучением радиально-сходящимся НСЭП ... 51
Заключение 59
Список использованной литературы 62
Введение 4
1 Литературный обзор 8
1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Al-V, фазовый состав и структура
сплава Ti-6Al-4V 8
1.1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Al-V 8
1.1.2 Фазовый состав и структура сплава Ti-6Al-4V 11
1.2 Взаимодействие электронных пучков с металлическими материалами 14
1.3 Структура и фазовый состав титановых сплавов обработанных НСЭП 18
1.3.1 Низкоэнергетические сильноточные электронные пучки 18
1.3.2 Поверхностная структура сплава обработанного сильноточным
электронным пучком 20
1.3.3 Фазовый состав 22
2 Материалы, методы обработок и исследований 24
2.1 Материалы исследования и методы предварительной обработки
поверхностей образцов 24
2.2 Обработка поверхностей образцов радиально-сходящимся НСЭП 25
2.3 Методы рентгеноструктурного анализа 26
2.3.1 Условия получения картин рентгеновской дифракции с помощью
дифрактометра ДРОН-8Н 26
2.3.2 Прецизионное определение параметров решётки кристаллов с
гексагональной плотноупакованной структурой 27
2.3.3 Определение остаточных упругих деформаций и напряжений I
рода 28
2.3.4 Определение толщины слоя половинного поглощения
рентгеновских лучей 29
2.3.5 Фазовый анализ 32
2.3.6 Рентгеновский анализ кристаллографической текстуры. Метод
Харриса 32
2.4 Методы просвечивающей электронной микроскопии 35
3 Результаты 37
3.1 Картины рентгеновской дифракции, фазовый состав и параметры решеток основных фаз сплава Ti-6Al-4V до и после обработок
радиально-сходящимся НСЭП 37
3.2 Рентгеновский анализ кристаллографической текстуры в образцах сплава
Ti-6Al-4V до и после обработок радиально-сходящимся НСЭП 44
3.3 Рентгеновский анализ остаточных напряжений в образцах сплава
Ti-6Al-4V, индуцированных облучением радиально-сходящимся НСЭП ... 51
Заключение 59
Список использованной литературы 62
Титановые сплавы широко применяются в аэрокосмическом и транспортном машиностроении благодаря своим высоким значениям удельной, усталостной и высокотемпературной прочности, коррозионной стойкости одновременно с их низкой плотностью и, соответственно, легким весом изготовленных из них деталей [1]. Микроструктура промышленных титановых сплавов чувствительна к термообработке и, для достижения желаемого сочетания свойств, ее целенаправленно изменяют с помощью специальных термомеханических обработок. Наиболее характерными морфологиями микроструктуры титановых сплавов являются: равноосная (с равноосными зернами матричной фазы a-Ti, вдоль своих границ окруженными областями из фазы 0-Ti), пластинчатая (сформированная ламелями фаз a-Ti и P-Ti, расположенными попеременно и с различными кристаллографическими ориентациями), и бимодальная (микроструктура, состоящая из смеси a- и Р- фаз с глобулярной формой a-зерна и пластинчатой формой зерен a- и р-фаз). Все перечисленные типы микроструктур хорошо известны, описаны в литературе [2] и интересны тем, что титановые сплавы с определенными характеристиками микроструктуры демонстрируют хорошую ударную вязкость, низкие уровни упругих свойств (модули упругости) и высокое сопротивление ползучести. Вместе с тем, эти сплавы отличаются высокой химической реактивностью и высоким коэффициентом трения [2]. Поэтому для улучшения их химических и механических свойств часто применяются различные типы поверхностных обработок - от термомеханических и ультразвуковых, приводящих к формированию упрочненных поверхностных слоев с повышенной твердостью, до высокоэнергетических, с использованием потоков зарядов различной природы, приводящих к появлению индуцированных полей остаточных напряжений. Последние могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на различные свойства титановых сплавов.
Наиболее широко в аэрокосмическом производстве и в медицине используется титановый сплав Ti-6Al-4V (ВТ6, в соответствии с российской маркировкой). Необходимыми условиями для его применения в этих отраслях промышленности являются высокие характеристики усталостной долговечности, которые зависят не только от внутренней микроструктуры сплава, но и от состояния его поверхностных слоев, в том числе - поверхностной текстуры и упругих остаточных макронапряжений.
Одним из перспективных направлений в области разработок современных технологий обработки готовых изделий из титановых сплавов является поверхностная модификация с использованием концентрированных потоков энергии, в том числе электронно-пучкового облучения [3].
Подавляющее большинство широко применяющихся в
производственной практике способов модификации поверхностей материалов связано со значительным разогревом их приповерхностных слоев или всего объема материала, что часто сопровождается возникновением высоких остаточных напряжений, сосредоточенных в поверхностных слоях. Не исключением в этом списке является сравнительно длительное (более 30 лет) и не вполне успешное использование планарно-аксиального импульсного низкоэнергетического сильноточного электронного пучка для обработки поверхности готовых деталей из титановых сплавов с целью их очистки, выглаживания, упрочнения [3]. Существенное повышение коррозионной стойкости детали после такой обработки зачастую нивелируется высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений, приводящих к низкой трещиностойкости обработанного изделия при циклических нагружениях. Изменение геометрии облучения, а именно использование вместо планарно¬аксиального электронного пучка, воздействующего на плоскую поверхность образца в перпендикулярном направлении, на радиально-сходящиеся электронные пучки [3] с близкими параметрами обработки (плотностью энергии, длительностью импульсов и их числом), позволяющие равномерно и одновременно обрабатывать изделия сложной, неплоской формы, имеет большую перспективу практического применения в области обработок титановых сплавов. Поскольку способ обработки металлической поверхности с помощью радиально-сходящихся низкоэнергетических сильноточных электронных пучков является новым, поэтому в настоящее время почти отсутствуют сведения о влиянии таких обработок на структуру, остаточные напряжения и свойства модифицированных поверхностных слоев обработанных материалов.
Целью бакалаврской работы является изучить влияние поверхностной обработки с использованием радиально-сходящегося низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на фазовый состав, тонкую структуру и остаточные напряжения поверхностных слоев образцов сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), различающихся ориентацией кристаллографической текстуры.
Для достижения поставленной цели требовалось выполнить ряд учебных и научно-практических задач:
1. Изучить научную литературу по теме дипломной научной работы.
2. Освоить методики рентгеноструктурного анализа исследования структуры поликристаллов: качественный фазовый анализ, определение параметров кристаллических решеток фаз с ОЦК- и ГПУ-структурами, метод Харриса определения кристаллографической текстуры, количественная оценка остаточных упругих деформаций и напряжений 1 рода, определение толщины слоя половинного поглощения.
3. Изучить принципы методов просвечивающей и растровой электронной микроскопии исследования структуры поликристаллов, освоить методы приготовления образцов для этих исследований.
4. По экспериментальным рентгеновским дифрактограммам от образцов сплава ВТ6 с разной ориентацией кристаллографической текстуры получить количественные характеристики тонкой (включая атомно-кристаллическую) структуры, текстуры и остаточных упругих напряжений и выявить их различия до и после электронно-пучковой обработки.
Сопоставить результаты рентгеновских исследований с данными просвечивающей и растровой электронной микроскопии, полученными от тех же образцов.
Наиболее широко в аэрокосмическом производстве и в медицине используется титановый сплав Ti-6Al-4V (ВТ6, в соответствии с российской маркировкой). Необходимыми условиями для его применения в этих отраслях промышленности являются высокие характеристики усталостной долговечности, которые зависят не только от внутренней микроструктуры сплава, но и от состояния его поверхностных слоев, в том числе - поверхностной текстуры и упругих остаточных макронапряжений.
Одним из перспективных направлений в области разработок современных технологий обработки готовых изделий из титановых сплавов является поверхностная модификация с использованием концентрированных потоков энергии, в том числе электронно-пучкового облучения [3].
Подавляющее большинство широко применяющихся в
производственной практике способов модификации поверхностей материалов связано со значительным разогревом их приповерхностных слоев или всего объема материала, что часто сопровождается возникновением высоких остаточных напряжений, сосредоточенных в поверхностных слоях. Не исключением в этом списке является сравнительно длительное (более 30 лет) и не вполне успешное использование планарно-аксиального импульсного низкоэнергетического сильноточного электронного пучка для обработки поверхности готовых деталей из титановых сплавов с целью их очистки, выглаживания, упрочнения [3]. Существенное повышение коррозионной стойкости детали после такой обработки зачастую нивелируется высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений, приводящих к низкой трещиностойкости обработанного изделия при циклических нагружениях. Изменение геометрии облучения, а именно использование вместо планарно¬аксиального электронного пучка, воздействующего на плоскую поверхность образца в перпендикулярном направлении, на радиально-сходящиеся электронные пучки [3] с близкими параметрами обработки (плотностью энергии, длительностью импульсов и их числом), позволяющие равномерно и одновременно обрабатывать изделия сложной, неплоской формы, имеет большую перспективу практического применения в области обработок титановых сплавов. Поскольку способ обработки металлической поверхности с помощью радиально-сходящихся низкоэнергетических сильноточных электронных пучков является новым, поэтому в настоящее время почти отсутствуют сведения о влиянии таких обработок на структуру, остаточные напряжения и свойства модифицированных поверхностных слоев обработанных материалов.
Целью бакалаврской работы является изучить влияние поверхностной обработки с использованием радиально-сходящегося низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на фазовый состав, тонкую структуру и остаточные напряжения поверхностных слоев образцов сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), различающихся ориентацией кристаллографической текстуры.
Для достижения поставленной цели требовалось выполнить ряд учебных и научно-практических задач:
1. Изучить научную литературу по теме дипломной научной работы.
2. Освоить методики рентгеноструктурного анализа исследования структуры поликристаллов: качественный фазовый анализ, определение параметров кристаллических решеток фаз с ОЦК- и ГПУ-структурами, метод Харриса определения кристаллографической текстуры, количественная оценка остаточных упругих деформаций и напряжений 1 рода, определение толщины слоя половинного поглощения.
3. Изучить принципы методов просвечивающей и растровой электронной микроскопии исследования структуры поликристаллов, освоить методы приготовления образцов для этих исследований.
4. По экспериментальным рентгеновским дифрактограммам от образцов сплава ВТ6 с разной ориентацией кристаллографической текстуры получить количественные характеристики тонкой (включая атомно-кристаллическую) структуры, текстуры и остаточных упругих напряжений и выявить их различия до и после электронно-пучковой обработки.
Сопоставить результаты рентгеновских исследований с данными просвечивающей и растровой электронной микроскопии, полученными от тех же образцов.
Таким образом, в выпускной бакалаврской квалификационной работе изучено влияние поверхностной обработки с использованием радиально- сходящегося низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на фазовый состав, тонкую структуру и остаточные напряжения поверхностных слоев образцов сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), различающихся ориентацией кристаллографической текстуры. С использованием прямых структурных методов исследования - рентгеноструктурного анализа, просвечивающей и растровой электронной микроскопии - определены фазовые составы, параметры кристаллических решеток, определены компоненты кристаллографической текстуры, выполнена оценка уровня остаточных упругих напряжений и их пространственное распределение в поверхностном слое для основной фазы a-Ti в исходных (до электронно-пучковых обработок) образцах сплава Ti-6Al-4V с различной ориентацией кристаллографической текстуры и изменение этих атомно-структурных параметров в поверхностных слоях этого сплава, обусловленное обработкой образцов радиально- сходящимся НСЭП. Ниже сформулированы основные выводы исследований.
1. Значения параметров кристаллической решетки фазы a-Ti различаются между собой в образцах с разной ориентацией кристаллографической текстуры: в образце G4 с плоскостью образца, перпендикулярной оси прутка, а = 2,9260 ± 0,0005 А и c = 4,6688 ± 0,0005 А, а в образце G9, с плоскостью образца, параллельной оси прутка, а = 2,9255 ± 0,0005 А и c = 4,6711 ± 0,0005 А. В этих образцах соответствующие отношения c/а ~ 1,5956 и 1,5941 остаются меньшими, чем c/а = 1,6.
После электронно-пучковой обработки параметры решетки фазы a-Ti изменяются так, что отношение c/a < 1,6 сохраняется: в образце GW4 с плоскостью образца, перпендикулярной оси прутка, а = 2,9195 ± 0,0005 А и c = 4,6481 ± 0,0005 А, а в образце GW9, с плоскостью образца, параллельной оси прутка, a = 2,9291 ± 0,0005 А и c = 4,6573 ± 0,0005 А, что обусловлено изменением фазового и химического состава в модифицированном слое.
2. Показано, что микроструктуры образцов G4 и G9, вырезанных, соответственно, в поперечном и продольном сечениях к оси прутка, различаются наборами компонент кристаллографической текстуры: в образце G4 примерно в равных пропорциях наблюдаются зерна фазы a-Ti с ориентациями призматических и пирамидальных кристаллографических плоскостей, перпендикулярными оси прокатки; в образце G9 преимущественно наблюдаются зерна фазы a-Ti с ориентациями пирамидальных кристаллографических плоскостей, параллельными оси прокатки.
После обработки радиально-сходящимся НСЭП, картины распределения компонент кристаллографической текстуры в образцах GW4 и GW8 изменились: в образце GW4, вырезанном в поперечном сечении к оси прутка, исчезли исходные пирамидальная {1011} и призматическая {1010} компоненты текстуры; имеет место базисная компонента текстуры {0001}. Полученный результат справедлив только для поверхностных слоев образцов GW4 и GW8, модифицированных электронным пучком. В более глубоких слоях материала, под модифицированным слоем, текстура соответствует исходной.
3. Показано, что уровень остаточных деформаций и напряжений 1 рода в облученных образцах обусловлен изменением химического состава матричной фазы a-Ti и особенностями микроструктуры модифицированного электронным пучком поверхностного слоя, включая морфологию зерен/субзерен фаз a-, P-Ti, образовавшихся после кристаллизации поверхностного расплава, характером распределения дефектов кристаллического строения в этих фазах.
Показано, что независимо от того, какой была исходная ориентация текстуры, значения остаточных напряжений в облученных образцах оказались близки и составили о ~ -380 МПа (GW4) и о ~ -330 МПа (GW8),
соответственно. Это почти в 2 раза ниже значений остаточных напряжений, полученных в аналогичных образцах после их об
1. Значения параметров кристаллической решетки фазы a-Ti различаются между собой в образцах с разной ориентацией кристаллографической текстуры: в образце G4 с плоскостью образца, перпендикулярной оси прутка, а = 2,9260 ± 0,0005 А и c = 4,6688 ± 0,0005 А, а в образце G9, с плоскостью образца, параллельной оси прутка, а = 2,9255 ± 0,0005 А и c = 4,6711 ± 0,0005 А. В этих образцах соответствующие отношения c/а ~ 1,5956 и 1,5941 остаются меньшими, чем c/а = 1,6.
После электронно-пучковой обработки параметры решетки фазы a-Ti изменяются так, что отношение c/a < 1,6 сохраняется: в образце GW4 с плоскостью образца, перпендикулярной оси прутка, а = 2,9195 ± 0,0005 А и c = 4,6481 ± 0,0005 А, а в образце GW9, с плоскостью образца, параллельной оси прутка, a = 2,9291 ± 0,0005 А и c = 4,6573 ± 0,0005 А, что обусловлено изменением фазового и химического состава в модифицированном слое.
2. Показано, что микроструктуры образцов G4 и G9, вырезанных, соответственно, в поперечном и продольном сечениях к оси прутка, различаются наборами компонент кристаллографической текстуры: в образце G4 примерно в равных пропорциях наблюдаются зерна фазы a-Ti с ориентациями призматических и пирамидальных кристаллографических плоскостей, перпендикулярными оси прокатки; в образце G9 преимущественно наблюдаются зерна фазы a-Ti с ориентациями пирамидальных кристаллографических плоскостей, параллельными оси прокатки.
После обработки радиально-сходящимся НСЭП, картины распределения компонент кристаллографической текстуры в образцах GW4 и GW8 изменились: в образце GW4, вырезанном в поперечном сечении к оси прутка, исчезли исходные пирамидальная {1011} и призматическая {1010} компоненты текстуры; имеет место базисная компонента текстуры {0001}. Полученный результат справедлив только для поверхностных слоев образцов GW4 и GW8, модифицированных электронным пучком. В более глубоких слоях материала, под модифицированным слоем, текстура соответствует исходной.
3. Показано, что уровень остаточных деформаций и напряжений 1 рода в облученных образцах обусловлен изменением химического состава матричной фазы a-Ti и особенностями микроструктуры модифицированного электронным пучком поверхностного слоя, включая морфологию зерен/субзерен фаз a-, P-Ti, образовавшихся после кристаллизации поверхностного расплава, характером распределения дефектов кристаллического строения в этих фазах.
Показано, что независимо от того, какой была исходная ориентация текстуры, значения остаточных напряжений в облученных образцах оказались близки и составили о ~ -380 МПа (GW4) и о ~ -330 МПа (GW8),
соответственно. Это почти в 2 раза ниже значений остаточных напряжений, полученных в аналогичных образцах после их об
