Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Суворов Б.И., Деревягина Л.С., Третьяков Н.В

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

Гундеров Д.В., Поляков А.В., Семенова И.П., Рааб Г.И., Сошникова Е.П., Чуракова А.А., Емалетдинова Э., Валиев Р.З.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа,

В последние годы была выполнена серия работ по получению высокопроч- ного наноструктурного (НС) титана методами ИПД. На основе метода равнока- нального углового прессования по схеме Conform (РКУП-С) с последующим воло- чением разработана технология получения длинномерных прутов НС титана – пер- спективного материала для производства медицинских имплантатов. Ранее было исследовано влияние режимов и степени деформации РКУП-С на структуру титана и такие механические свойства материала, как предел прочности, предел текуче- сти, пластичность. В данной работе уделено дополнительное внимание влиянию формирования наноструктурного состояния на истинное напряжение разрушения титана и величину деформации до разрушения (е р), которая определяется сужени- ем образцов при растяжении (y) по формуле е р = ln(1/(1– y/100)).

Титан марки Grade-4 был подвергнут РКУП-С с числом проходов n от 1 до

10. С увеличением n структура образцов все более измельчается и при n = 6 фор- мируется наноструктурное состояние с размером зерен/субзерен около 250 нм. С увеличением числа циклов РКУП-С до n = 6 почти линейно возрастает как проч- ность материала (с исходных 750 МПа до 1040 МПа при n = 6), так и истинное на- пряжение разрушения (с исходных 1150 МПа до 1400 МПа). С дальнейшим увели- чением количества проходов n более 6 дополнительного существенного измельче- ния зерна и роста прочности образцов не происходит. Удлинение до разрушения (d) образцов титана в результате двух первых проходов РКУП-С уменьшается с ис- ходных 24 % до 13 %, но с дальнейшим увеличением числа проходов РКУП-С ве- личина d более не изменяется. В то же время сужение образцов и, соответственно, истинная деформация до разрушения в результате формирования наноструктурно- го состояния не уменьшается, а даже немного увеличивается: с y = 50 % (е до раз- рушения – 0.7) в исходном состоянии до y = 55 % (е до разрушения – 0.8) после РКУП-С с n = 6. После РКУП – С и последующего волочения формируется состоя- ние с размером зерна около 150 нм, прочность достигает 1250 МПа, а истинное на- пряжение разрушения – 1600 МПа. При этом сужение образцов остается на уровне

y = 50 %.

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия,

[e-mail]

Рассмотрена мезомеханика трещиностойкости малоразмерных образцов с на- но- и ультрамелким зерном. Экспериментально исследованы малоразмерные об- разцы c шевронным надрезом для технического титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 с ульт- рамелкозернистой (УМЗ) структурой, полученной методами интенсивной пласти- ческой деформации. Средний размер зёрен составлял 200 нм. В образцах квадрат- ной формы длиной 18 мм со стороной квадрата 6 мм наносили щель толщиной 0,21 мм в виде шевронного надреза. По специально разработанной методике опре- деляли следующие характеристики процесса разрушения, необходимые для расчё- та трещиностойкости испытуемого материала: модуль Юнга E, динамику раскры- тия трещины μ, изменение длины трещины Δ l в процессе нагружения.

Качественный вид диаграмм «нагрузка-смещение» материалов с УМЗ струк- турой существенно отличается от диаграмм тех же материалов с крупнокристалли- ческой (КК) структурой. Специфической особенностью сплавов с УМЗ структурой является трёхстадийный характер диаграмм нагружения после стадии упругого на- гружения. Момент зарождения трещины на конце шевронного надреза чётко фик- сируется в виде протяжённого «зуба» релаксации. По достижении трещиной опре- делённой длины Δ l 1 спонтанное развитие трещины прекращается и наступает вто- рая стадия, на которой распространение трещины происходит практически при по- стоянном внешнем напряжении. Затем следует снова падение внешней нагрузки и происходит катастрофическое разрушение образца.

Совокупность экспериментальных и расчётных данных позволяет определять в качестве критериев трещиностойкости удельную энергию формирования свобод- ной поверхности трещины G и коэффициент интенсивности напряжений K Ic (КИН).

Анализ экспериментальных данных показал, что создание УМЗ структуры методами интенсивной пластической деформации, обусловливая возрастание пре- дела текучести и предела прочности материала, сопровождается снижением его трещиностойкости. Это вполне логично. Согласно мезомеханике зарождение и раскрытие трещины есть поворотная мода деформации на макромасштабном уров- не. В соответствии с законом сохранения момента импульса, при этом на мезо- уровне должны развиваться поворотные моды деформации обратного знака. Фор- мирование таких поворотных мод (в виде мезовихрей) коррелирует с удельной энергией G образования свободной поверхности трещины. При создании УМЗ структуры величина G значительно снижается. Это связано с сильной термодина- мической неравновесностью УМЗ материала, снижением моментных напряжений при формировании аккомодационных мезовихрей, высоким уровнем деформи- рующих напряжений. В работе приводятся экспериментальные данные в подтвер- ждение развиваемой концепции мезомеханики разрушения.

Дата добавления: 2017-01-14