Возникновение динамического деформационного старения в сплавах на основе ниобия C-103
Сплавы на основе ниобия, как правило, способны выдерживать высокие напряжения при высоких температурах. Эти сплавы также обладают хорошей формуемостью и свариваемостью. Еще одним преимуществом ниобия является его плотность (8,57 г/см³), которая является самой низкой среди тугоплавких металлов (молибден, тантал, вольфрам и родий). Благодаря этим свойствам сплавы ниобия широко используются в аэрокосмической отрасли, например, в соплах ракет, двигательных установках и лопатках турбин. Кроме того, тройная система сплавов Nb-Hf-Ti широко используется в высокотемпературных двигательных установках благодаря своим превосходным физическим, термическим и механическим свойствам даже при температурах до 1300 °C . Особо следует отметить сплав C-103, основным компонентом которого является Nb-Hf 8.3-Ti1.0, который относится к вышеупомянутой системе сплавов и используется в легких аэрокосмических двигательных установках.
Промышленно чистый (CP)Nb демонстрирует динамическое деформационное старение (DSA), т.е. в умеренном температурном диапазоне (300–500 °C) дислокации закрепляются диффузными растворенными элементами за счет упругих или химических взаимодействий. Шкопиак и др. исследовали влияние интерстициальных растворенных элементов (углерода, азота и кислорода) на возникновение DSA при различных температурах. Парк и др.сообщили о наиболее вероятном механизме DSA в CP-Nb. С другой стороны, Шелли изучал свойства сжатия CP-Nb при 1200 °C в начале 1960-х годов, показав, что эффект DSA исчезает выше 700 °C. Кроме того, сообщалось о ползучести и влиянии окисления на прочностные свойства сплава C-103 . Однако, насколько известно авторам, высокотемпературные (до 1200 °C) прочностные свойства этого сплава не изучались.
Были исследованы квазистатические прочностные свойства сплава C-103 при скорости деформации 10² с⁻¹ в диапазоне температур от комнатной до 1200 °C. Подробно обсуждаются динамический анализ напряжений (ДАС), деформация и поведение при разрушении при высоких температурах. Пластины имели толщину 3 мм, были подвергнуты холодной прокатке и отжигу. Номинальный химический состав сплава приведен в таблице 1. Из этих пластин были вырезаны плоские образцы для испытаний на растяжение, соответствующие стандарту ASTM E 8M [12], с помощью электроэрозионной обработки (ЭЭО), т.е. проволочной резки. Затем образцы подвергали термообработке в вакууме при 1400 °C в течение 1 часа, после чего охлаждали в печи. На рисунке 1 показаны образцы для испытаний на растяжение до и после высокотемпературного испытания (разрушения). Для каждого условия испытания было испытано три образца, и приведено среднее значение.
Испытания на растяжение проводились на термомеханическом симуляторе с компьютерным управлением при температурах от комнатной до 600–1200 °C и скоростях деформации 10² с⁻¹. Полированные поверхности исходных и обработанных образцов травили химическим раствором, состоящим из 30 мл HF, 15 мл HNO₃, 15 мл HCl и 10 мл H₂O. Микроструктуру протравленных образцов наблюдали с помощью оптического микроскопа (Olympus). Размер и объемная доля компонентов микроструктуры измерялись методом площади. Анализ распределения элементов проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), оснащенного дифрактометром обратного рассеяния электронов (ДЭРЭ). Образцы исследовали под сканирующим электронным микроскопом для изучения их деформационного и разрушающего поведения.
Представлены изображения СЭМ поверхностей излома образцов, подвергнутых растяжению при различных температурах. При комнатной температуре поверхность излома имеет ямки. Это, по сути, указывает на пластический режим разрушения, что подтверждается тем фактом, что полная деформация разрушения при комнатной температуре составляет 58%. Образцы, испытанные при температурах от 600 °C до 900 °C, демонстрируют аналогичные особенности (грани). Однако при более высоких температурах от 1000 °C до 1200 °C наблюдалось межзеренное разрушение. Для понимания механизма разрушения при растяжении была исследована микроструктура сплава (эти особенности не наблюдались в образцах, испытанных при 600 °C). Четко показана особенность межзеренного растрескивания вдоль обогащенных оксидами областей. Это указывает на то, что окисление происходит вблизи границ зерен в сплаве выше 1000 °C. Наблюдаемые особенности разрушения в диапазоне температур 600–900 °C объясняются неоднородной деформацией, вызванной динамическим старением под воздействием деформации (DSA), поскольку границы зерен являются предпочтительными местами для DSA. С качественной точки зрения, зубчатая амплитуда разумно связана с атмосферой растворенных веществ в процессе иглопробивания при DSA. Поскольку зубчатая амплитуда при 600℃ значительно выше, чем при других температурах испытаний, ожидается, что прочность DSA при 600℃ будет еще выше. Минимальная пластичность (8,0%) при 600℃ может быть объяснена сильной локализацией деформации, вызванной полосой пропускания типа B при 600℃.
В данном исследовании качественные выводы, полученные из формы диаграммы напряжение-деформация, зубчатой амплитуды, показанной в таблице 2, тенденции отношения UTS/0,2%YS (представляющей собой упрочнение при деформации), показанной в таблице 3, и характеристик разрушения, ясно показывают, что ниже 900℃ преобладает эффект динамического старения под воздействием деформации. За исключением эффекта окисления, динамическое восстановление, по-видимому, компенсирует эффект динамической деформации (ДД) при температурах выше 1000℃, в то время как пластическая нестабильность начинает проявляться только при 1200℃. Сплав C-103 демонстрирует зубчатое течение в диапазоне температур от комнатной до 1200℃. Ниже 900℃ динамическое деформационное старение оказывает доминирующее влияние на механические свойства при растяжении; выше 900℃ динамическое восстановление и окисление в основном влияют на механические свойства при растяжении.