Закономірності фазових і структурних перетворень в сплавах на основі системи Ti-Si при гартуванні та відпуску - Автореферат

Зокрема, сплави на основі системи Ti-Si завдяки особливостям своєї структури, яка складається з легованої титанової матриці та зміцнюючоi силіцидноi фази, відкривають широкі можливості для створення природних (in situ) композитів. Крім того, такі унікальні фізичні характеристики титану, як невисока теплопровідність і висока теплоємність, обумовлюють необхідність дослідження особливостей структуроутворення цих сплавів при їх загартуванні з різною швидкістю, а також вивчення впливу швидкості загартування на основні механічні характеристики, а саме, на твердість, міцність, модуль пружності та зносостійкість. Використання гартування як методу впливу на структуру і фазовий склад сплавів системи Ti-Si, а також змінна розчинність кремнію в титані, робить можливим використання дисперсійного твердіння для підвищення їх механічних характеристик, тому ще одним актуальним напрямком досліджень є вивчення впливу відпуску на структурно-фазовий стан цих сплавів. Метою даної роботи було встановлення основних закономірностей фазових і структурних перетворень та їх впливу на механічні властивості в сплавах на основі системи Ti-Si при їх комплексному легуванні такими елементами як Al, Zr, Hf, Nb і Mo, а також при їх загартуванні і наступному відпуску в широкому інтервалі температур. Зроблено висновок про необхідність визначення фізичних закономірностей зміни фазового складу, структури та властивостей сплавів системи Ti-Si при їх загартуванні з різною швидкістю і з різних температур, наступному відпуску в широкому температурному інтервалі, а також дослідження впливу легування на характер структурно-фазових перетворень і механічні властивості цих сплавів.Встановлено, що при гартуванні титанових „сталей” Ti-4Si-4X (де Х - Al, Zr, Hf, Nb) з температури 1300 °С утворюється ряд пересичених твердих розчинів мартенситного типу з різним фазовим складом, структурою та механічними характеристиками, а при гартуванні сплаву Ti-4Si-Мо формується однофазна ?-структура. Морфологія мартенситу змінюється від масивної в сплаві Ti-4Si через змішану форму в сплаві Ti-4Si-4Al до пластинчатої в сплавах Ti-3.9Si-5.3Al-2.7Zr і Ti-4Si-4Nb, що повязано з впливом легуючих елементів на характер протікання мартенситного перетворення. Вперше виявлено, що при гартуванні від 1300 °С сплавів Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf в них утворюється ?""-мартенсит з орторомбічною граткою, який раніше спостерігався в бінарних сплавах титану з деякими перехідними елементами. Показано, що ромбічне спотворення гратки у цих сплавах обумовлене впорядкуванням у високотемпературному ?-твердому розчині, яке проявляється в появі доменів упорядкування в структурі мартенситу загартування. Вперше показано, що загартування сприяє зниженню модуля пружності всіх сплавів Ti-Si-Х, особливо тих, що леговані ?-стабілізаторами Nb і Мо, за рахунок створення метастабільної структури пересиченого твердого розчину і збільшення питомого обєму елементарної гратки пересиченого твердого розчину.

фазовий легування титановий кремнієвий

1. Вперше вивчено закономірності фазових і структурних перетворень у новому класі обєктів - титанових „сталях” (сплавах системи Ti-Si з вмістом кремнію до 4,7 %) при термічній обробці та комплексному легуванні. Встановлено, що при гартуванні титанових „сталей” Ti-4Si-4X (де Х - Al, Zr, Hf, Nb) з температури 1300 °С утворюється ряд пересичених твердих розчинів мартенситного типу з різним фазовим складом, структурою та механічними характеристиками, а при гартуванні сплаву Ti-4Si-Мо формується однофазна ?-структура.

2. Вперше досліджено вплив легування Al, Zr і Nb на морфологію і структуру мартенситу в сплавах на основі системи Ti-Si. Виявлено, що в сплавах Ti-4Si, Ti-4Si-4Al, Ti-3.9Si-5.3Al-2.7Zr та Ti-4Si-4Nb при гартуванні утворюється мартенситна структура з ГЩУ-граткою. Морфологія мартенситу змінюється від масивної в сплаві Ti-4Si через змішану форму в сплаві Ti-4Si-4Al до пластинчатої в сплавах Ti-3.9Si-5.3Al-2.7Zr і Ti-4Si-4Nb, що повязано з впливом легуючих елементів на характер протікання мартенситного перетворення.

3. Вперше виявлено, що при гартуванні від 1300 °С сплавів Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf в них утворюється ?""-мартенсит з орторомбічною граткою, який раніше спостерігався в бінарних сплавах титану з деякими перехідними елементами. Показано, що ромбічне спотворення гратки у цих сплавах обумовлене впорядкуванням у високотемпературному ?-твердому розчині, яке проявляється в появі доменів упорядкування в структурі мартенситу загартування. Запропоновано модель кластерного впорядкування, за якою впорядкування відбувається в ?-області в локальних обємах матеріалу у вигляді кластерів, які представляють собою два атоми кремнія в окресі атомів титану і цирконію (або гафнію).

4. Вперше показано, що загартування сприяє зниженню модуля пружності всіх сплавів Ti-Si-Х, особливо тих, що леговані ?-стабілізаторами Nb і Мо, за рахунок створення метастабільної структури пересиченого твердого розчину і збільшення питомого обєму елементарної гратки пересиченого твердого розчину. Така структура набуває підвищеної схильності до зсуву в пружній області. Цей результат корелює із даними для вуглецевих сталей.

5. Вперше проведені дослідження впливу швидкості гартування на структурно-фазовий стан і механічні властивості сплавів системи Ti-Si-Zr за допомогою методики поверхневого гартування. Встановлено, що гартування зі швидкістю 410-525 °С/с приводить до формування мартенситної структури, зі швидкістю 20-410 °С/с - до формування структури, яка складається з мартенситу відпуску чи перетвореної ?-фази і силіцидів, які виділилися з пересиченого твердого розчину. Гартування зі швидкістю, меншою за 20 °С/с, приводить до утворення пластинчатої ?-фази і силіцидів без утворення пересиченого твердого розчину. Знайдено, що легування бінарного сплаву Ti-4,2Si цирконієм сприяє переходу від масивної морфології мартенситу до пластинчастої, що супроводжується збільшенням його дисперсності, а також твердості. Легування цирконієм приводить до більш інтенсивного виділення силіцидів з пересиченого твердого розчину, що супроводжується зміною їх типу силіцидів з Ti5Si3 на (Ti,Zr)2Si, а також підвищенням їх дисперсності.

6. Вперше за допомогою методики автоматичного індентування проведено дослідження звязку твердості, модуля пружності і зносостійкості зі структурно-фазовим станом сплавів на основі системи Ti-Si-Zr, загартованих методом поверхневого гартування. Встановлено характер зміни твердості і модуля пружності в залежності від швидкості гартування. Твердість загартованої поверхні вища, ніж віддалених від неї зон, а модуль пружності навпаки підвищується при віддаленні від загартованої поверхні. Проведено аналіз кореляції між твердістю, модулем пружності, величиною H3/E2 (критерієм Джонсона) і зносостійкістю сплаву Ti-4,3Si-2,6Zr. Показано, що найкраща кореляція з коефіцієнтом R=0,999 спостерігається між зносостійкістю і критерієм H3/E2, який визначається з кривих автоматичного індентування.

7. Визначено оптимальну температуру дисперсійного твердіння загартованих сплавів Ti-Si-X, яка становить 540 °С. Показано, що при нижчих температурах швидкість розпаду пересичених твердих розчинів невисока, а при температурах 600 °С і вище відбуваються інтенсивні процеси роззміцнення, що супроводжуються розпадом мартенситної структури і інтенсивним виділенням і коагуляцією силіцидів. Енергія активації розпаду пересичених твердих розчинів сплавів Ti-Si-X близька до енергії активації дифузії елементів заміщення в бінарних сплавах титану, але набагато вища ніж в залізовуглецевих сплавах через те, що вуглець є домішкою втілення, а кремній - домішкою заміщення. Зясовано, що найбільш стійкі до розпаду пересичені тверді розчини в сплавах Ti-4Si-4Mo, Ti-4Si-4Zr і Ti-4Si-4Hf, на що вказують більші значення енергії активації розпаду пересиченого твердого розчину цих сплавів.

1. Исследование влияния легирующих элементов на фазовые и структурные превращения при закалке в сплавах на основе системы Ti-Si / Н.Д. Бега, О.В. Дацкевич, А.В. Котко [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28. - С. 157-164.

2. Влияние недеформируемых частиц силицида на характер деформации сплавов на основе титана при повышенных температурах / Д.Н. Бродниковский, А.В. Головаш, С.В. Ткаченко [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28. - С. 165-174.

3. Исследование структуры и свойств сплавов системы Ti-Si-Zr после торцовой закалки / С.В. Ткаченко, А.В. Котко, С.А. Фирстов [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2009. - Т. 31. - №3. - С. 389-396.

4. Ткаченко С.В. Титановые «чугуны» и титановые «стали» / С.В. Ткаченко, С.А. Фирстов, Н.Н. Кузьменко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - №1. - С. 14-20.

5. Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій : зб. наук. праць / наук. ред. В.В. Панасюк. - Львів : Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. - С. 839-846.

6. Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій : зб. наук. праць / наук. ред. В.В. Панасюк. - Львів : Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. - С. 509-513.

7. Матеріали VI Міжнародної науково-практичної конференції молодих учених і студентів "Політ", 11-12 квітня 2006 р., Київ / відп. ред. В.П. Бабак - К. : НАУ, 2006. - С. 602.

8. Матеріали VII Міжнародної науково-практичної конференції молодих учених і студентів "Політ", 12-13 квітня 2007 р., Київ / відп. ред. В.П. Бабак - К.: НАУ, 2007. - С. 728.

Размещено на .ru