Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1

Исследовано влияние импульсов магнитного и электрического полей на эволюцию дефектной структуры сплава титана ВТ3-1. Показано, что электромагнитная обработка приводит к релаксационным процессам дислокационной структуры, в результате чего изменяется напряженно-деформированное состояние кристаллическо...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Журнал физики и инженерии поверхности
Datum:2016
Hauptverfasser: Сейдаметов, С.В., Лоскутов, С.В.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2016
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116802
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1 / С.В. Сейдаметов, С.В. Лоскутов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 1. — С. 4-8. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859519372983271424
author Сейдаметов, С.В.
Лоскутов, С.В.
author_facet Сейдаметов, С.В.
Лоскутов, С.В.
citation_txt Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1 / С.В. Сейдаметов, С.В. Лоскутов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 1. — С. 4-8. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Журнал физики и инженерии поверхности
description Исследовано влияние импульсов магнитного и электрического полей на эволюцию дефектной структуры сплава титана ВТ3-1. Показано, что электромагнитная обработка приводит к релаксационным процессам дислокационной структуры, в результате чего изменяется напряженно-деформированное состояние кристаллической решетки титанового сплава. Досліджено вплив імпульсів магнітного та електричного полів на еволюцію дефектної структури сплаву титана ВТ3-1. Показано, що електромагнітна обробка призводить до релаксаційних процесів дислокаційної структури в результаті чого змінюється напружено-деформований стан кристалічної решітки титанового сплаву. The effect of pulse magnetic and electric fields on the evolution of the defective structure of titanium alloy VT3-1 was investigated. It was shown that electromagnetic treatment leads to relaxation processes of the dislocation structure resulting in a change of the stress-strain state of the crystal lattice of the titanium alloy.
first_indexed 2025-11-25T20:49:19Z
format Article
fulltext ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СПЛАВА ТИТАНА ВТ3-1 4 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 1, vol. 1, No. 1© Сейдаметов С. В., Лоскутов С. В., 2016 4 Журнал фізики та інженерії поверхні, 2016, том 1, № 1, сс. 4–8; Журнал физики и инженерии поверхности, 2016, том 1, № 1, сс. 4–8; Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, No. 1, pp. 4–8 УДК 537.63:537.39:539.26 ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СПЛАВА ТИТАНА ВТ3-1 С. В. Сейдаметов, С. В. Лоскутов Запорожский национальный технический университет, Запорожье, Украина Поступила в редакцию 06.11.2015 Исследовано влияние импульсов магнитного и электрического полей на эволюцию дефектной структуры сплава титана ВТ3-1. Показано, что электромагнитная обработка приводит к релак- сационным процессам дислокационной структуры, в результате чего изменяется напряженно- деформированное состояние кристаллической решетки титанового сплава. Ключевые слова: сплавы титана, нитридные покрытия, электромагнитное поле, дефектная структура, остаточные макронапряжения, микродеформации. ВПЛИВ ІМПУЛЬСНОЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБРОБКИ НА СТРУКТУРНІ ПЕРЕБУДОВИ СПЛАВУ ТИТАНА ВТ3-1 С. В. Сейдаметов, С. В. Лоскутов Досліджено вплив імпульсів магнітного та електричного полів на еволюцію дефектної структу- ри сплаву титана ВТ3-1. Показано, що електромагнітна обробка призводить до релаксаційних процесів дислокаційної структури в результаті чого змінюється напружено-деформований стан кристалічної решітки титанового сплаву. Ключові слова: сплави титану, нітридні покриття, електромагнітне поле, дефектна структура, залишкові макронапруження, мікродеформації. THE INFLUENCE OF PULSE ELECTROMAGNETIC FIELD ON REBUILDING OF STRUCTURE OF TITANIUM ALLOY VT3-1 S. V. Seidametov, S. V. Loskutov The effect of pulse magnetic and electric fields on the evolution of the defective structure of titanium alloy VT3-1 was investigated. It was shown that electromagnetic treatment leads to relaxation processes of the dislocation structure resulting in a change of the stress-strain state of the crystal lattice of the titanium alloy. Keywords: titanium alloy, nitride coatings, electromagnetic field, defect structure, residual mac- rostresses, microstrains. ВВЕДЕНИЕ В результате механических, тепловых и различного рода электромагнитных воз- действий в поверхностном слое металлов происходят изменения в структуре, фор- мируется определённое напряжённо- деформированное состояние материала приповерхностного слоя. С целью исследо- вания влияния электрических и магнитных полей на физико-механические характе- ристики металлов, была поставлена задача изучения закономерностей формирования остаточных напряжений вблизи поверх- ности при импульсной электромагнитной обработке. В качестве материала для исследований был выбран конструкционный титановый сплав марки ВТ3-1, который нашел широкое применение в авиационной промышленности для изготовления лопаток компрессора газотурбинных двигателей [1, 2]. Тако- го рода исследования представляют прак- тический и научный интерес, поскольку, во-первых, природа многих аспектов взаимо- действия ионной и электронной подсистем неферромагнитных металлов под воздей- ствием электрических и магнитных полей на сегодняшний день еще недостаточно ясна [3–6]. Во-вторых, изучение закономер- ностей модификации дефектной структуры С. В. СЕЙДАМЕТОВ, С. В. ЛОСКУТОВ 5ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 1, vol. 1, No. 1 неферромагнитных металлов при помощи электрических и магнитных полей позволит расширить теорию оптимальных кристалли- ческих структур с прогнозируемыми физи- ческими и механическими свойствами. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА Для экспериментальных исследований были подготовлены 3 группы титановых образ- цов различной формы: 1) плоские пластин- ки с размерами 1 × 15 × 25 mm3; 2) образцы в форме лопатки компрессора газотурбинно- го двигателя с размерами пера 15 × 25 mm2; 3) образцы в форме параллелепипеда с раз- мерами 4,4 × 70 × 10 mm3 с покрытием ни- трида титана толщиной 2–3 mm. Нитридные покрытия наносились методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бом- бардировки поверхности на установке типа «Булат». В работе [7] установлено, что для об- наружения влияния магнитного поля на пластичность кристаллов (магнитопласти- ческий эффект) при комнатных температу- рах и значениях индукции магнитного поля B0, для которых выполняется неравенство UM/kT << 1(где UM ≈ gsμBB0 — энергия, пе- редаваемая парамагнитной частице в по- стоянном магнитном поле с индукцией B0), необходимо создание неравновесных де- фектов внешними воздействиями такими как: воздействие светом, экспозиция в пе- ременном электрическом поле, пластичес- кая деформация, нагрев и охлаждение. Для создания неравновесной дислокационной структуры образцы 1 и 2 группы подвер- гались поверхностной упрочняющей об- работке стальными шариками диаметром 1 mm в течении 70 s в ультразвуковом поле, в результате которой в поверхностном слое были наведены остаточные сжимающие макронапряжения σ = –(300–350) MPa. Для получения импульсного магнитного поля был выбран метод прямого разряда батареи конденсаторов типа ИМ 5-140 (C = 400 mF, Umax = 10 kV) через медный соленоид диа- метром 43 mm, длиной 45 mm, в который помещался исследуемый образец. Для ре- гулировки тока через соленоид и исклю- чения перезарядки батареи конденсаторов в электрическую цепь экспериментальной установки последовательно был включен медный проводник диаметром 0,5 mm и дли- ной 20 mm, который взрывался при разрядке батареи конденсаторов. Обработка титановых образцов 1 и 2 группы магнитным импульсом проводилась многократно в режиме зарядки конденсатор- ной батареи до 5 kV. В таблице 1 приведены параметры осциллограмм импульсного раз- ряда через медный соленоид. Амплитудное значение индукции магнитного поля в им- пульсе составляло B = 0,37 T. На образцах 1 и 2 группы рентгенодифрак- тометрическим (РД) методом были измерены остаточные напряжения I и II рода. Исполь- зовалось монохроматическое излучение линии CoKβ. Площадь исследуемого участ- ка поверхности образцов составляла 1 × 3 mm2. Осуществлялось однократное скани- рование с шагом 0,1° и постоянной времени 5 s. Данные, полученные на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М, подвергались обработке в программе «Origin». Для опред- еления остаточных напряжений I рода была выбрана и анализировалась линия (213) α-Ti. Проводились следующие операции: сглаживание кривых; вычитание фона; аппроксимация по Гауссу; расчет центра тяжести дифракционных пиков. При расчете напряжений по пяти точкам, использовали модуль Юнга E = 117 GPa и коэффициент Пуассона μ = 0,3. Погрешность измерения макронапряжений δσ оценивали по формуле [8]: δσ ctgθδΔθ μ E  , (1) где θ — угол дифракции рентгеновских лучей; δΔθ = 0,05° — точность измерения смещения угла θ. Как известно, существенный вклад в изменение характеристик механической прочности металлов и сплавов вносят их субструктурные параметры: размер областей когерентного рассеяния и величина микроде- формаций [8]. Изменение этих характеристик в процессе деформации дает информацию, необходимую для понимания процессов фор- мирования той или иной структуры материа- ла, явлений, происходящих при деформации сплава. Для определения размеров областей ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СПЛАВА ТИТАНА ВТ3-1 6 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 1, vol. 1, No. 1 когерентного рассеяния D и величины ми- кроскопических деформаций ε применяли метод гармонического анализа формы рентге- новских линий. Рабочими отражениями слу- жили линии Tiα (102) и (213). По полученным экспериментальным данным рассчитывались коэффициенты Фурье для исследуемых об- разцов и для эталона (титановый образец после вакуумного отжига). Обработка образцов 3 группы импуль- сом электрического тока проводилась многократно путем разрядки батареи кон- денсаторов через образец. Амплитудное значение плотности тока составляло по- рядка 100 МА/m2, длительность импульса 150 ms. РД измерения остаточных напря- жений на образцах осуществлялись в двух взаимноперпендикулярных направлени- ях (вдоль и поперёк образца) в покрытии TiN и в материале подложки (сплав титана ВТ3-1). Анализировались линии (422) TiN и (204) сплава титана ВТ3-1. Стравлива- ние пленки TiN на ½ площади поверхности исследуемых образцов осуществлялось хими- ческим способом в смеси концентрированных азотной и соляной кислот. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Анализ результатов измерений остаточных макронапряжений в титановых образцах 1 и 2 группы до и после обработки магнитным импульсом (рис. 1) показал, что многократ- ное действие импульсов магнитного поля приводит к релаксации механических напря- жений в их поверхностном слое. Суммарная интегральная ошибка измерений остаточных макронапряжений, учитывающая геометри- ческие и физические факторы, не превышала 20 MPa. Анализ экспериментальных данных также показал (рис. 2), что такая много- кратная обработка титановых образцов приводит к монотонному увеличению об- ластей когерентного рассеяния и к од- новременному снижению остаточных микроскопических деформаций. Как видно из графиков, полученные результаты для параметров тонкой структуры удовлет- ворительно согласуются с данными для Таблица 1 Параметры осциллограмм импульсного разряда через медный соленоид Рабочее напряжение U, kV Амплитуда тока I, A Период t, μs Декремент затухания Индукция магнитного поля B, T 5 4740 286 2,09 0,37 –150 –200 σ( М П а) –250 –300 –350 –400 0 1 2 3 N 4 5 6 7 8 Рис. 1. Зависимость остаточных сжимающих макро- напряжений (σ) от числа циклов (N) обработки образ- цов магнитным импульсом с индукцией B = 0,37 T. ○, ● — измерения в поперечном и продольном направ- лениях 20 19 18 D (n m ) 17 16 15 14 13 1 0 –1 –2 ε( 10 –5 ) –3 –4 –5 –6 0 1 2 N 3 4 5 6 Рис. 2. Зависимость размеров областей когерентного рассеяния (D) и микродеформаций (ε) от числа ци- клов (N) обработки титановых образцов магнитным импульсом с индукцией B = 0,37 T С. В. СЕЙДАМЕТОВ, С. В. ЛОСКУТОВ 7ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 1, vol. 1, No. 1 макронапряжений: снижение микродеформа- ций приводит к соответствующему уменьше- нию механических макронапряжений. Как известно, из данных о размерах облас- тей когерентного рассеяния D можно оценить значения плотности дислокаций ρ, пользуясь соотношением [8]: 2 3ρ D  . (2) Таким образом, как видно из графиков на рис. 2, каждая последующая обработка об- разцов магнитным импульсом приводит мо- нотонному снижению плотности дислокаций. Анализ результатов измерений остаточных макронапряжений в титановых образ- цах с нитридным покрытием до и после многократной обработки импульсом электрического тока (рис. 3) позволил уста- новить следующие экспериментальные за- кономерности. В приповерхностном слое титановых образцов с нитридным покрытием наблюдаются наибольшие остаточные сжи- мающие макронапряжения σ = –(2000– 3000) MPa. Многократная обработка образцов электрическим импульсом изме- няет глубину залегания остаточных макро- напряжений как в материале покрытия, так и в материале подложки. Остаточные макро- напряжения в покрытии TiN после второй об- работки изменяются наиболее существенно и переходят в растягивающие, а после тре- тьей обработки они релаксируют до уровня значений исходного состояния. Наибольшее изменение остаточных напряжений в мате- риале подложки наблюдалось после первой обработки. ВЫВОДЫ Показано, что многократная обработка образ- цов из титанового сплава ВТ3-1 магнитным импульсом с индукцией B = 0,37 T при- водит к стабилизации неравновесной дефектной структуры: на 20–50 % уменьша- ются наведенные механической обработкой остаточные макроскопические напряжения; происходит укрупнение блоков мозаики, уменьшаются остаточные микроскопические деформации, снижается плотность дислока- ций. Многократная обработка образцов из сплава титана ВТ3-1 с защитным покрытием на основе нитрида титана импульсом электрического тока jm = 100 МА/m2 приводит к релаксационным процессам дислокацион- ной структуры в результате чего изменяется плоско-напряженное состояние как материа- ла подложки, так и материала покрытия. При этом наибольшие изменения наблюдаются в материале нитридного покрытия. Возможным механизмом понижения на- пряженно-деформированного состояния кристаллической решетки сплава титана при обработке магнитным импульсом и нитрид- ного покрытия при обработке электрическим импульсом может быть выход дислокаций на поверхность, а также смещение дислокаций за счет снижения потенциальной энергии стопоров, тормозящих их движение [3, 5, 9]. ЛИТЕРАТУРА 1. Плющев В. Е. Справочник по редким метал- лам. — М.: Мир, 1965. — 784 c. 2. Арзамасов Б. Н. Конструкционные материа- лы / Справочник. — М.: МГТУ им. Н. Э Ба- умана, 2005. — 293 с. 3. Головин Ю. И. Магнитопластичность твер- дых тел (Обзор) // Физика твердого тела. — 2004. — Т. 46, вып. 5. — С. 769–803. 4. Васильев М. А. Особенности пластической деформации металлов и сплавов в магнит- ном поле. Обзор // Успехи физики метал- лов. — 2007. — Т. 8, вып. 1. — С. 65–105. 5. Батаронов И. Л. Механизмы элек тро плас- тичности // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 10. — С. 93–99. 2000 1500 1000 500 0 σ( М Ра ) –500 –1000 –1500 –2000 –2500 –3000 N initial 1 2 3 Рис. 3. Зависимость остаточных макронапряжений (σ) в покрытии TiN и в материале подложки (сплав титана ВТ3-1) от числа циклов (N) обработки образ- цов импульсом электрического тока jm = 100 МА/m2. ●, ○ — линия ВТ3-1 (204); ▲, ∆ — линия TiN (422). Заштрихованные маркеры — измерения в продоль- ном направлении образцов, незашрихованные — в поперечном ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СПЛАВА ТИТАНА ВТ3-1 8 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 1, vol. 1, No. 1 6. Рощупкин A. M., Батаронов И. Л. Критический анализ теорий электроннопластического эф- фекта // Известия вузов. Черная металлургия. — 1990. — № 10. — С. 75–76. 7. Моргунов Р. Б. Спин-зависимые реакции между дефектами структуры и их влияние на пластичность кристаллов в магнитном поле // Вестник РФФИ. — 2003. — № 2. — С. 19–46. 8. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электронно- оптический анализ. — М.: Металлургия, 1970. — 126 с. 9. Алехин В. П. Физика прочности и пластич- ности поверхностных слоев материалов. — М.: Наука, 1983. — 76 с. LITERATURA 1. Plyuschev V. E. Spravochnik po redkim me- tallam. — M.: Mir, 1965. — 784 p. 2. Arzamasov B. N. Konstrukcionnye ma terialy / Spravochnik . — M.: MGTU im. N. E. Ba- umana, 2005. — 293 p. 3. Golovin Yu. I. Magnitoplastichnost’ tverdyh tel (Obzor) // Fizika tverdogo tela. — 2004. — Vol. 46, vyp. 5. — P. 769–803. 4. Vasil’ev M. A. Osobennosti plasticheskoj deformacii metallov i splavov v magnitnom pole. Obzor // Uspehi fiziki metallov. — 2007. — Vol. 8, vyp. 1. — P. 65–105. 5. Bataronov I. L. Mehanizmy elektroplastichnosti // Sorosovskij obrazovatel’nyj zhurnal. — 1999. — No. 10. — P. 93–99. 6. Roschupkin A. M., Bataronov I. L. Kriticheskij analiz teorij elektronnoplasticheskogo effekta // Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. — 1990. — No. 10. — P. 75–76. 7. Morgunov R. B. Spin-zavisimye reakcii mezhdu defektami struktury i ih vliyanie na plastichnost’ kristallov v magnitnom pole // Vestnik RFFI. — 2003. — No. 2. — P. 19–46. 8. Gorelik S. S., Rastorguev L. N., Skakov Yu. A. Rentgenograficheskij i elektronnoopticheskij analiz. — M.: Metallurgiya, 1970. — 126 p. 9. Alehin V. P. Fizika prochnosti i plastichnosti poverhnostnyh sloev materialov. — M.: Nauka, 1983. — 76 p.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116802
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 2519-2485
language Russian
last_indexed 2025-11-25T20:49:19Z
publishDate 2016
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format dspace
spelling Сейдаметов, С.В.
Лоскутов, С.В.
2017-05-16T06:08:40Z
2017-05-16T06:08:40Z
2016
Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1 / С.В. Сейдаметов, С.В. Лоскутов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 1. — С. 4-8. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
2519-2485
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116802
537.63:537.39:539.26
Исследовано влияние импульсов магнитного и электрического полей на эволюцию дефектной структуры сплава титана ВТ3-1. Показано, что электромагнитная обработка приводит к релаксационным процессам дислокационной структуры, в результате чего изменяется напряженно-деформированное состояние кристаллической решетки титанового сплава.
Досліджено вплив імпульсів магнітного та електричного полів на еволюцію дефектної структури сплаву титана ВТ3-1. Показано, що електромагнітна обробка призводить до релаксаційних процесів дислокаційної структури в результаті чого змінюється напружено-деформований стан кристалічної решітки титанового сплаву.
The effect of pulse magnetic and electric fields on the evolution of the defective structure of titanium alloy VT3-1 was investigated. It was shown that electromagnetic treatment leads to relaxation processes of the dislocation structure resulting in a change of the stress-strain state of the crystal lattice of the titanium alloy.
ru
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
Журнал физики и инженерии поверхности
Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
Вплив імпульсної електромагнітної обробки на структурні перебудови сплаву титана ВТ3-1
The influence of pulse electromagnetic field on rebuilding of structure of titanium alloy VT3-1
Article
published earlier
spellingShingle Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
Сейдаметов, С.В.
Лоскутов, С.В.
title Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
title_alt Вплив імпульсної електромагнітної обробки на структурні перебудови сплаву титана ВТ3-1
The influence of pulse electromagnetic field on rebuilding of structure of titanium alloy VT3-1
title_full Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
title_fullStr Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
title_full_unstemmed Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
title_short Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1
title_sort влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана вт3-1
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116802
work_keys_str_mv AT seidametovsv vliânieimpulʹsnoiélektromagnitnoiobrabotkinastrukturnyeperestroikisplavatitanavt31
AT loskutovsv vliânieimpulʹsnoiélektromagnitnoiobrabotkinastrukturnyeperestroikisplavatitanavt31
AT seidametovsv vplivímpulʹsnoíelektromagnítnoíobrobkinastrukturníperebudovisplavutitanavt31
AT loskutovsv vplivímpulʹsnoíelektromagnítnoíobrobkinastrukturníperebudovisplavutitanavt31
AT seidametovsv theinfluenceofpulseelectromagneticfieldonrebuildingofstructureoftitaniumalloyvt31
AT loskutovsv theinfluenceofpulseelectromagneticfieldonrebuildingofstructureoftitaniumalloyvt31