Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства
Исследовано влияние состава, структуры и термообработки жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства при статическом и циклическом нагружениях. Закалка повышает пластичность исследованных материалов до 8%. После термоциклирования до 710 °C сопротивление уст...
Saved in:
| Published in: | Электронная микроскопия и прочность материалов |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114432 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства / Ю.Ф. Луговской, Л.Д. Кулак, Н.Н. Кузьменко, О.В. Дацкевич, С.А. Спиридонов // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 21. — С. 53-58. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860187837036494848 |
|---|---|
| author | Луговской, Ю.Ф. Кулак, Л.Д. Кузьменко, Н.Н. Дацкевич, О.В. Спиридонов, С.А. |
| author_facet | Луговской, Ю.Ф. Кулак, Л.Д. Кузьменко, Н.Н. Дацкевич, О.В. Спиридонов, С.А. |
| citation_txt | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства / Ю.Ф. Луговской, Л.Д. Кулак, Н.Н. Кузьменко, О.В. Дацкевич, С.А. Спиридонов // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 21. — С. 53-58. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Электронная микроскопия и прочность материалов |
| description | Исследовано влияние состава, структуры и термообработки жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства при статическом и циклическом нагружениях. Закалка повышает пластичность исследованных материалов до 8%. После термоциклирования до 710 °C сопротивление усталости нового сплава выше аналогичной величины сплава Тi6242 на 27%.
Досліджено вплив складу, структури й термообробки жаростійких титанових сплавів на основі системи Tі—Al—Si—Zr на їх механічні властивості при статичному та циклічному навантаженнях. Гартування підвищує пластичність досліджуваних матеріалів до 8%. Після термоциклування до 710 °С опір утоми нового сплаву вище аналогічної величини сплаву Ті6242 на 27%.
The influence of the composition, structure and thermal treatment titanium alloys on the basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their mechanical properties in static and cyclic loading were investigated. Quenched raises plasticity of investigated materials up to 8%. After temperature cycling to 710 °C with new alloy fatigue resistance higher than above similar magnitude alloy Tі—6242 at 27%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:05:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
53
УДК 539.3; 620.178.3
Влияние состава, структуры и термообработки новых
жаростойких титановых сплавов на основе системы
Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства
Ю. Ф. Луговской, Л. Д. Кулак, Н. Н. Кузьменко,
О. В. Дацкевич, С. А. Спиридонов
Институт проблем материаловеденим им. И. Н. Францевича НАН
Украины, Киев, e-mail: lugovskoi_U@ukr.net
Исследовано влияние состава, структуры и термообработки жаростойких
титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические
свойства при статическом и циклическом нагружениях. Закалка повышает
пластичность исследованных материалов до 8%. После термоциклирования до
710 оС сопротивление усталости нового сплава выше аналогичной величины
сплава Тi6242 на 27%.
Ключевые слова: состав, структура, титановые сплавы, прочность, усталость.
Повышение жаростойкости и жаропрочности конструкционных мате-
риалов на основе титана непосредственно влияет на эффективность
работы авиакосмических изделий и поэтому является важной задачей. В ра-
ботах [1, 2] показано, что новые сплавы на основе системы Тi—Al—Si—
Zr имеют высокие характеристики жаростойкости и жаропрочности. В част-
ности, установлено, что жаростойкость сплава состава Тi—(6,5—7,5)Al—
(1,1—1,3)Si—(3—4)Zr существенно превышает таковую известного сплава
Тi6424 (США). Однако исследования структуры и механических свойств
указанных материалов проведены в недостаточном объеме.
Цель работы — изучить влияние состава, структуры и термообработки
исследованных материалов на их механические свойства при статическом
и циклическом нагружениях при комнатной температуре.
Материалы и методы испытаний
Материалы для исследования получали плавкой исходных
компонентов в электронно-лучевой литейной установке на базе вакуумной
индукционной печи ИСВ-004. В качестве литейных форм использовали
цилиндрические графитовые и стальные кокили диаметром 65 мм.
Деформирование заготовок проводили в три этапа: одноразовой осадкой
на гидропрессе, ковкой и конечной деформацией прокаткой на прокатном
стане при температуре существования α-фазы. Общая степень деформации
94—96%. Температура прокатки 950—960 оС, степень прокатки за один
цикл 5—8%.
Структуру сплавов исследовали методами оптической и сканирующей
электронной микроскопии на оптическом микроскопе Jenaphot-2000 и элек-
тронном микроскопе Jeol с рентгеновским микроанализатором
Superprobe-733.
© Ю. Ф. Луговской, Л. Д. Кулак, Н. Н. Кузьменко, О. В. Дацкевич,
С. А. Спиридонов, 2015
54
Механические свойства при растяжении определяли на электромехани-
ческой испытательной установке UTM-100 с максимальным нагружением
100 кН со скоростью движения захватов 2,5 мм/мин. Модуль упругости Е
материалов рассчитывали по методикам работы [3] путем возбуждения в
образцах ультразвуковых продольных колебаний. При этом фиксировали
резонансные колебания на первой форме указанных колебаний и
рассчитывали модуль упругости по формуле
E = 4ρl2 f 2, (1)
где ρ — плотность; l — длина образца; f — частота собственных
продольных колебаний. Величину модуля упругости материалов
определяли как среднее значение модуля упругости трех образцов.
Сопротивление усталости материалов при консольном изгибе на частоте
2,4 кГц исследовали по методике и на оборудовании. описанном в работе
[4]. Максимальное напряжение в опасном сечении образца рассчитывали,
используя измерение его амплитуды колебаний в двух точках — на его
свободном конце W0 и в месте закрепления W1:
σ = 2π f W0 (3E2ρ2)1/2 [U(αx) + PV(αx)], (2)
где коэффициент Р и аргумент αx функций А. Н. Крылова определяли из
выражения
Р = –Т((αx) /U(αx) = [–S(αx) – W0/W1]/T(αx), (3)
а величина α = 3,14. Анализ погрешностей величин, входящих в формулу
для расчета напряжений по данной методике, показал, что основной вклад
вносят измерения амплитуды W0 (2%), модуля Юнга (1,5%) и плотности
(0,7%) исследуемого материала. Погрешности определения величин α и Р,
входящих в формулу (3), слабо влияют на точность расчетов. Суммарная
систематическая погрешность расчета напряжений по формуле (2)
составляет порядка 4,5%.
Образцы для усталостных испытаний получали из деформированных
заготовок толщиной 5 мм в виде полосок размерами 50 x 5 x 1 мм.
Образцы вырезали алмазным кругом в условиях водяного охлаждения с
последующей ручной обработкой поверхности образцов до зеркального
блеска. Острые кромки затупляли и полировали.
Экспериментальные результаты и их анализ
Химический состав и свойства исследованных материалов представ-
лены в табл. 1 и на рис. 1. Анализ химического состава материалов
показал, что исследованные сплавы содержат 6—7,3% (мас.) алюминия,
который является стабилизатором α-фазы. При этом промышленный сплав
№ 1 содержит (при 6% Al) β-стабилизаторы: 2% Sn и 2% Мо (то есть
имеет смешанную α + β структуру), а также 4% Zr для увеличения
жаропрочности.
Сплавы № 2—4 отличаются от сплава № 1 тем, что в них не
присутствуют β-стабилизаторы. В них использованы добавки нейтраль-
ного Si, а также Al в качестве стабилизатора α-фазы и применена
термомеханическая обработка.
Сопоставление свойств материалов, приведенных в табл. 1 и на рис. 1,
показало, что предел прочности материала № 1 на 30% меньше,
55
Т а б л и ц а 1. Состав и свойства жаропрочных титановых сплавов
в исходном и после прокатки состоянии
σа, МПа
N, цикл
Рис. 1. Кривые усталости титановых сплавов: 1 — ○ —
Тi6424; 2 — ▲ — Тi—6,2Al—1,1Si—3,3Zr; 3 — —
Тi—6,7Al—1,26Si—3,7Zr; 4 — ∆ — Тi—7,3Al—1,36Si—
3,7Zr ; 5 — Тi—6Al—4V.
относительное удлинение в 3 раза больше, чем у материала № 4, а
выносливость указанных материалов на базе 107 циклов одинакова —
720—730 МПа в пределах погрешности методики их определения. При
этом в диапазоне 105—106 циклов материал № 4 имеет небольшое
преимущество по сравнению с материалом № 1. Данные о сопротивлении
усталости наиболее часто используемого титанового сплава Тi—6Al—4V
(№ 5), полученного по указанной методике испытаний, совпадают с
известными из справочника [5] результатами. Это подтверждает
корректность примененной методики усталостных испытаний титановых
сплавов при высокой частоте нагружения.
Поиск оптимального сочетания таких ключевых для конструкционных
материалов характеристик, как σв, σ0,2, δ и σ-1, привел к дополнительному
изучению влияния отпуска и закалки исследуемых материалов на
Номер
сплава
Состав сплава,
% (мас.)
ρ,
г/см3
Е,
ГПа
σв,
МПа
σ0,2,
МПа
δобщ,
%
σ-1,
МПа
1 Тi—6242 (Тi—6Al—
2Sn—4Zr—2Mo)
4,54 120 1082 996 11,8 730
2 (Тi—6,2Al—
1,1Si—3,3Zr
4,49 126 1128 1070 10,2 500
3 Тi—6,7Al—
1,26Si—3,7Zr
4,45 128 1285 1220 4,1 610
4 Тi—7,3Al—
1,36Si—3,7Zr
4,45 121 1321 1260 3,5 720
5 Тi—6Al—4V 4,43 112 480
56
Т а б л и ц а 2. Режимы термообработки и свойства жаропрочных
титановых сплавов системы Тi—Al—Si—Zr
σа, МПа
N, цикл
Рис. 2. Кривые усталости титановых сплавов после закалки
от 900 оС, 1 ч: 1— ∆ — Тi—7,5Al—1,5Si—2,5Zr; 2 — ○ —
Тi—6,5Al—1,6Si—1,8Zr.
указанные механические свойства. В табл. 2 и на рис. 2 представлены
результаты соответствующих исследований. Анализ результатов табл. 2
показал, что прочность указанных сплавов после отпуска и закалки
отличается незначительно, а пластичность увеличивается от 0,5 до 8%.
По данным рентгеновского анализа, структура представленных в
табл. 2 материалов состоит из равноосных зерен α-фазы со средним
размером 16 мкм и частиц силицидов Ti5Si3 и Ti3Si. При этом в
структуре материала Тi—7,5Al—1,5Si—2,5Zr наблюдается заметно боль-
шее количество частиц силицидной фазы, чем в материале Тi—6,5Al—
1,6Si—1,8Zr. Частицы имеют вид светлых равноосных образований
одинакового размера диаметром ~2 мкм, расположенных преимуще-
ственно цепочками, вероятно, по контуру границ зерен. Различие в их
Состав сплава Термообра-
ботка
ρ,
г/см3
Е,
ГПа
σв,
МПа
σ0,2,
МПа
δобщ,
%
σ-1,
МПа
Отпуск при
800 оС, 2 ч
1112 1088 0,6
Закалка от
900 оС, 1 ч
120 1100 1034 7,7 740
Тi—7,5Al—1,5Si—
2,5Zr
Закалка от
950 оС, 1 ч
4,45
1100 1035 7,6
Отпуск при
800 оС, 2 ч
128 1163 1110 1,4
Закалка от
950 оС, 1 ч
1154 1066 6,8
Тi—6,5Al—1,6Si—
1,8Zr
Закалка от
900 оС, 1 ч
4,45
118 1154 1103 7,9 660
57
σа, МПа
N, цикл
Рис. 3. Кривые усталости сплавов титана после термоцикли-
рования: 1 — ∆ — Тi6242; 2 — ○ — Тi—7,5Al—1,5Si—
2,5Zr.
количестве, возможно, обусловлено несколько меньшим содержанием
кремния и более высоким — легированием твердого раствора.
Важное практическое значение имеет циклическая прочность
жаропрочного и жаростойкого материала после периодических циклов
нагрева и охлаждения при эксплуатации. Для оценки такого свойства два
из исследуемых материала подвергли термоциклированию, а именно
нагреву в течение 15 мин до 710 оС, а затем охлаждению до комнатной
температуры в течение 5 мин с помощью вентилятора. Число циклов N
составило 500.
Результаты механических усталостных испытаний титановых сплавов
при комнатной температуре после термоциклирования, представленные на
рис. 3, показали, что предел выносливости сплава Тi—7,5Al—1,5Si—2,5Zr
выше такового сплава Тi6242 на 27%.
Выводы
Структура исследованных материалов состоит из равноосных зерен
α-фазы со средним размером зерна 16 мкм и равномерно расположенных
по всему объёму частиц силицидов Ti5Si3 и Ti3Si.
Прочность указанных сплавов после отпуска и закалки отличается
незначительно, а пластичность увеличивается от 0,5 до 8%.
После термоциклирования до 710 оС предел выносливости сплава
Тi—7,5Al—1,5Si—2,5Zr при комнатной температуре выше аналогичной
величины сплава Тi6242 на 27%.
1. Порядченко Н. Ю. Дослідження поведінки сплаву ВТ1-0, легованого
алюмінієм, кремнієм і цирконієм при окисненні на повітрі / [Н. Ю Поряд-
ченко, М. М. Кузьменко, І. В. Оришич, Л. Д Кулак] // Фіз.-хім. механіка
матеріалів. — 2005. — 41, № 2. — С. 81—89.
2. Фирстов С. А. Изучение влияния пластической деформации на механические
свойства эвтектических сплавов системы Ti—Si—Al—Zr / [С. А. Фирстов,
Ю. Н. Подрезов, Н. Н. Кузьменко и др.] // Физика и техника высоких
давлений. — 2002. — № 3. — С. 48—56.
3. Кузьменко В. А. Звуковые и ультразвуковые колебания при динамических
испытаниях материалов. — Киев : Изд-во АН УССР, 1963. — 152 с.
58
4. Луговской Ю. Ф. Методика усталостных испытаний композиционных
материалов при изгибе, полученных электронно-лучевым испарением //
Проблемы специальной электрометаллургии. — 1987. — № 4. — С. 61—65.
5. Трощенко В. Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов: (Справ.) Ч. 2. /
В. Т. Трощенко, Л. А. Сосновский. — К. : Наук. думка, 1987. — 1100 с.
Вплив складу, структури і термообробки нових
термостійких титанових сплавів на основі системи
Tі—Al—Сі—Zr на їх механічні властивості
Ю. Ф. Луговський, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, О. В. Дацкевич,
С. А. Спиридонов
Досліджено вплив складу, структури й термообробки жаростійких титанових
сплавів на основі системи Tі—Al—Si—Zr на їх механічні властивості при статич-
ному та циклічному навантаженнях. Гартування підвищує пластичність
досліджуваних матеріалів до 8%. Після термоциклування до 710 оС опір утоми
нового сплаву вище аналогічної величини сплаву Ті6242 на 27%.
Ключові слова: склад, структура, титанові сплави, міцність, втома.
The influence of the composition, structure and thermal treatment
titanium alloys on the basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their
mechanical properties
U. F. Lugovskoi, L. D. Kulak, N. N. Kuzmenko, O. V. Daсkevich,
S. A. Spiridonov
The influence of the composition, structure and thermal treatment titanium alloys on the
basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their mechanical properties in static and cyclic
loading were investigated. Quenched raises plasticity of investigated materials up to
8%. After temperature cycling to 710 оC with new alloy fatigue resistance higher than
above similar magnitude alloy Tі—6242 at 27%.
Keywords: composition, structure, titanium alloys, strength, fatigue.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114432 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0048 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:05:07Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Луговской, Ю.Ф. Кулак, Л.Д. Кузьменко, Н.Н. Дацкевич, О.В. Спиридонов, С.А. 2017-03-07T20:33:10Z 2017-03-07T20:33:10Z 2015 Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства / Ю.Ф. Луговской, Л.Д. Кулак, Н.Н. Кузьменко, О.В. Дацкевич, С.А. Спиридонов // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2015. — Вип. 21. — С. 53-58. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. XXXX-0048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114432 539.3; 620.178.3 Исследовано влияние состава, структуры и термообработки жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства при статическом и циклическом нагружениях. Закалка повышает пластичность исследованных материалов до 8%. После термоциклирования до 710 °C сопротивление усталости нового сплава выше аналогичной величины сплава Тi6242 на 27%. Досліджено вплив складу, структури й термообробки жаростійких титанових сплавів на основі системи Tі—Al—Si—Zr на їх механічні властивості при статичному та циклічному навантаженнях. Гартування підвищує пластичність досліджуваних матеріалів до 8%. Після термоциклування до 710 °С опір утоми нового сплаву вище аналогічної величини сплаву Ті6242 на 27%. The influence of the composition, structure and thermal treatment titanium alloys on the basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their mechanical properties in static and cyclic loading were investigated. Quenched raises plasticity of investigated materials up to 8%. After temperature cycling to 710 °C with new alloy fatigue resistance higher than above similar magnitude alloy Tі—6242 at 27%. ru Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Электронная микроскопия и прочность материалов Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства Вплив складу, структури і термообробки нових термостійких титанових сплавів на основі системи Tі—Al—Сі—Zr на їх механічні властивості The influence of the composition, structure and thermal treatment titanium alloys on the basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their mechanical properties Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства Луговской, Ю.Ф. Кулак, Л.Д. Кузьменко, Н.Н. Дацкевич, О.В. Спиридонов, С.А. |
| title | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства |
| title_alt | Вплив складу, структури і термообробки нових термостійких титанових сплавів на основі системи Tі—Al—Сі—Zr на їх механічні властивості The influence of the composition, structure and thermal treatment titanium alloys on the basis of the system Tі—Al—Si—Zr to their mechanical properties |
| title_full | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства |
| title_fullStr | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства |
| title_full_unstemmed | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства |
| title_short | Влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы Тi—Al—Si—Zr на их механические свойства |
| title_sort | влияние состава, структуры и термообработки новых жаростойких титановых сплавов на основе системы тi—al—si—zr на их механические свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114432 |
| work_keys_str_mv | AT lugovskoiûf vliâniesostavastrukturyitermoobrabotkinovyhžarostoikihtitanovyhsplavovnaosnovesistemytialsizrnaihmehaničeskiesvoistva AT kulakld vliâniesostavastrukturyitermoobrabotkinovyhžarostoikihtitanovyhsplavovnaosnovesistemytialsizrnaihmehaničeskiesvoistva AT kuzʹmenkonn vliâniesostavastrukturyitermoobrabotkinovyhžarostoikihtitanovyhsplavovnaosnovesistemytialsizrnaihmehaničeskiesvoistva AT dackevičov vliâniesostavastrukturyitermoobrabotkinovyhžarostoikihtitanovyhsplavovnaosnovesistemytialsizrnaihmehaničeskiesvoistva AT spiridonovsa vliâniesostavastrukturyitermoobrabotkinovyhžarostoikihtitanovyhsplavovnaosnovesistemytialsizrnaihmehaničeskiesvoistva AT lugovskoiûf vplivskladustrukturiítermoobrobkinovihtermostíikihtitanovihsplavívnaosnovísistemitíalsízrnaíhmehaníčnívlastivostí AT kulakld vplivskladustrukturiítermoobrobkinovihtermostíikihtitanovihsplavívnaosnovísistemitíalsízrnaíhmehaníčnívlastivostí AT kuzʹmenkonn vplivskladustrukturiítermoobrobkinovihtermostíikihtitanovihsplavívnaosnovísistemitíalsízrnaíhmehaníčnívlastivostí AT dackevičov vplivskladustrukturiítermoobrobkinovihtermostíikihtitanovihsplavívnaosnovísistemitíalsízrnaíhmehaníčnívlastivostí AT spiridonovsa vplivskladustrukturiítermoobrobkinovihtermostíikihtitanovihsplavívnaosnovísistemitíalsízrnaíhmehaníčnívlastivostí AT lugovskoiûf theinfluenceofthecompositionstructureandthermaltreatmenttitaniumalloysonthebasisofthesystemtíalsizrtotheirmechanicalproperties AT kulakld theinfluenceofthecompositionstructureandthermaltreatmenttitaniumalloysonthebasisofthesystemtíalsizrtotheirmechanicalproperties AT kuzʹmenkonn theinfluenceofthecompositionstructureandthermaltreatmenttitaniumalloysonthebasisofthesystemtíalsizrtotheirmechanicalproperties AT dackevičov theinfluenceofthecompositionstructureandthermaltreatmenttitaniumalloysonthebasisofthesystemtíalsizrtotheirmechanicalproperties AT spiridonovsa theinfluenceofthecompositionstructureandthermaltreatmenttitaniumalloysonthebasisofthesystemtíalsizrtotheirmechanicalproperties |