Структура титанового сплава, модифицированного электронными пучками и разрушенного при усталости

С.В. Коновалов1, И.А. Комиссарова2, Д.А. Косинов2, Ю.Ф. Иванов3, О.В. Иванова4, В.Е. Громов2
1Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, ул. Московское шоссе, д. 34, г. Самара, 443086
2Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, д. 42, г. Новокузнецк, 654007
3Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3 6342021, Томск, Россия
4Томский государственный архитектурно-строительный университет, пл. Соляная д. 2, 634003, Томск, Россия
Аннотация
Выполнена обработки электронными пучками поверхности титанового сплава и установлено повышение усталостной долговечности.  Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии выполнено исследование структуры титанового сплава, модифицированного электронными пучками и разрушенного при усталости.Выполнено исследование поверхности разрушения и состояния дефектной субструктуры разрушенного при многоцикловой усталости титанового сплава ВТ1-0, подвергнутого предварительно облучению интенсивным импульсным электронным пучком (энергия электронов 16 кэВ; частота следования импульсов 0,3 с–1; длительность импульса пучка электронов 150 мкс; плотность энергии пучка электронов 30 Дж / см2; количество импульсов воздействия 3). Облучение электронным пучком привело к увеличению усталостной долговечности в среднем на 20 % относительно необлученных образцов. Установлено, что усталостный излом имеет многослойное строение и характеризуется наличием поверхностного слоя толщиной (20 – 25) мкм, промежуточного слоя толщиной (50 – 55) мкм и основного объема материала. В поверхностном слое можно выделить подслой, примыкающий к поверхности облучения, характеризующийся наличием микропор. Для сопоставления экспериментальных результатов с данными теоретических расчетов выполнено математическое решение задачи о нахождении температурного поля и установлено, что облучение титана сопровождается образованием тонкого (25,2 мкм) поверхностного слоя, образующегося в результате высокоскоростной кристаллизации расплава. Показано, что дефектная субструктура поверхностного слоя в образцах, разрушенных в результате усталостных испытаний, состоит из поликристаллической структуры на основе α-Ti; в объеме зерен наблюдается дислокационная субструктура, представленная хаотически распределенными дислокациями и дислокациями, формирующими сетки. Установлено, что структура образцов, облученных электронным пучком и разрушенных в результате усталостных испытаний, существенно отличается от структуры, выявленной в материале, не подвергнутом облучению: в объеме зерен поверхностного слоя толщиной 5 мкм обнаружена субзеренная структура. На большем удалении от поверхности облучения в слое толщиной (20 – 25) мкм в объеме зерен выявляется субструктура пластинчатого типа. Состояние пластинчатой структуры существенным образом зависит от расстояния от поверхности облучения электронным пучком: происходит переход от смешанной субзеренно-пластинчатой структуры к структуре пластинчатого типа.
Получена: 29 марта 2017   Исправлена: 19 июня 2017   Принята: 03 июля 2017
Просмотры: 29   Загрузки: 8
Ссылки
1.
M. H. Mukhametrakhimov. Letters on materials, 5(2), 194 – 197, (2015) (in Russian) [М. Х. Мухаметрахимов. Письма о материалах. 5 (2), 194 – 197 (2015)]. DOI: 10.22226 / 2410‑3535‑2015‑2‑194‑197.
2.
K. N. Ramazanov, I. S. Ramazanov. Vestnik UGATU. 18(63), 41 – 46 (2014) (in Russian) [К. Н. Рамазанов, И. С. Рамазанов. Вестник УГАТО. 18 (2), 41 – 46 (2014)].
3.
V. I. Betekhtin, A. G. Kadomtsev, M. V. Narykova, M. V. Bannikov, S. G. Abaimov, I. Sh. Akhatov, T. Palin-Luc, O. B. Naimark. Phys. Mesomech. 20(1) 78 – 89 (2017). DOI: 10.1134 / S1029959917010076
4.
H. Mughrabi, H. Christ. ISIJ International. 37, 1154 – 1169 (1997).
5.
Y. Ochi, T. Sakai. Zairyo / Journal of the Society of Materials Science. 52, 433 – 439 (2003).
6.
L. Lu, W. Zhang. Jixie Qiangdu / Journal of Mechanical Strength. 27, 388 – 394 (2005).
7.
E. A. Erubaev, Ju. R. Kolobov, I. N. Kuz’menko, G. V. Hramov, M. B. Ivanov, S. S. Manohin. Fundamental’nye issledovanija. 12, 2575 – 2579 (2014) (in Russian) [Е. А. Ерубаев, Ю. Р. Колобов, И. Н. Кузьменко, Г. В. Храмов, М. Б. Иванов, С. С. Манохин. Фундаментальные исследования. 12, 2575 – 2579 (2014)].
8.
V. N. Uskov, G. A. Danilin, G. A. Vorob’eva, A. V. Titov, E. Ju. Remshev, Ju. S. Kukunja. Metalloobrabotka. 1(73), 50 – 54 (2013). (in Russian) [В. Н. Усков, Г. А. Данилин, Г. А. Воробьева, А. В. Титов, Е. Ю. Ремшев, Ю. С. Кукуня. Металлообработка. 1(73), 50 – 54 (2013)].
9.
V. L. Vorob’ev, P. V. Bykov, S. G. Bystrov, A. A. Kolotov, V. Ja. Bajankin, V. F. Kobziev, T. M. Mahneva. Himicheskaja fizika i mezoskopija. 15(4), 576 – 581 (2013). (in Russian) [В. Л. Воробьев, П. В. Быков, С. Г. Быстров, А. А. Колотов, В. Я. Баянкин, В. Ф. Кобзиев, Т. М. Махнева. Химическая физика и мезоскопия. 15(4), 576 – 581 (2013)].
10.
S. V. Konovalov, V. E. Kormyshev, Y. F. Ivanov, A. D. Teresov. Letters on materials. 6(4), 350 – 354 (2016). DOI: 10.22226 / 2410‑3535‑2016‑4‑350‑354.
11.
T. Yu. Kobzareva, V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, E. A. Budovskkh, S. V. Konovalov. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 150(1), 012042 (2016). DOI: 10.1088 / 1757-899X / 150 / 1 / 012042
12.
O. V. Bashkov, Y. P. Sharkeev, S. V. Panin, V. A. Kim, T. I. Bashkova, A. A. Popkova, A. Y. Eroshenko, A. I. Tolmachev. AIP Conference Proceedings. 1783(10), 020013 (2016). DOI: 10.1063 / 1.4966306
13.
X. Chen, Y. Fang, P. Li, Z. Yu, X. Wu, D. Li. Materials and Design. 65, 1214 – 1221 (2015). DOI: 10.1016 / j.matdes.2014.10.013.
14.
I. Y. Timoshkin, K. V. Nikitin, V. I. Nikitin, V. B. Deev. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 57(5), 419 – 423 (2016). DOI: 10.3103 / S1067821216050163
15.
A. P. Laskovnev, Ju. F. Ivanov, E. A. Petrikova, N. N. Koval’, V. V. Uglov, N. N. Cherenda, N. V. Bibik, V. M. Astashinskij. Modifikacija struktury i svojstv jevtekticheskogo silumina jelektronno-ionno-plazmennoj obrabotkoj. — Minsk: «Belorusskaja nauka», 2013. — 287 s. (in Russian) [А. П. Ласковнев, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Петрикова, Н. Н. Коваль, В. В. Углов, Н. Н. Черенда, Н. В. Бибик, В. М. Асташинский. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой. — Минск: «Белорусская наука», 2013. — 287 с.]
16.
S. Konovalov, I. Komissarova, D. Kosinov, Yu. Ivanov, V. Gromov, O. Semina. Key Engineering Materials. 704, 15 – 19 (2016). DOI: 10.4028 / www.scientific.net / KEM.704.15
17.
Yu. F. Ivanov, N. N. Koval. Low-energy electron beams submillisekundnoy duration: reception and some aspects of the application in the field of materials science — Chapter 13 in the book “Structure and properties of advanced metallic materials.” p. 345 – 382 / Ed. A. I. Potekaev. Tomsk: Publishing house of the NTL. (2007) 580 p. (in Russian) [Иванов Ю. Ф., Коваль Н. Н. Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения — Гл.13 в книге «Структура и свойства перспективных металлических материалов». — С.345 – 382 / Под общ. ред. А. И. Потекаева. Томск. НТЛ. 2007. 580 с.]
18.
V. A. Grishunin, V. E. Gromov, Y. F. Ivanov, A. D. Teresov, S. V. Konovalov. Journal of Surface Investigation. 7(5), 990 – 995 (2013), DOI: 10.1134 / S1027451013050091
19.
N. N. Koval’, Yu. F. Ivanov. Russian Physics Journal. 51(5), 505 – 516 (2008), DOI: 10.1007 / s11182‑008‑9073‑7
20.
A. A. Samarskii A. A. Introduction to Numerical Methods. Moscow. Nauka (1997). 271 p. (in Russian) [А. А. Самарский. Введение в численные методы. М.: Наука, 1997. 271 с.]
21.
V. Rotshtein, Yu. Ivanov, A. Markov. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. Chapter 6 in Book “Materials surface processing by directed energy techniques”. — P.205 – 240. Ed. by Y. Pauleau: Elsevier (2006) 763 р.
22.
A. A. Samarskij. Teorija raznostnyh shem. — M.: Nauka, 1989. — 616 s. (in Russian) [А. А. Самарский. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1989. — 616 с.]
23.
Fizicheskie velichiny: Spravochnik / A. P. Babichev, N. A. Babushkina, A. M. Bratkovskij i dr. — M.; Jenergoatomizdat, 1991. — 1232 s. (in Russian) [Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.]