На механизм пластической деформации металлов и сплавов, находящихся под нагрузкой ниже предела текучести существенно влияет температура нагрева. Как показал анализ литературы [1, 2] исследованиям таких процессов при нагреве на воздухе уделялось достаточно большое внимание. Эти исследования показали что, механизм пластической деформации металлов и сплавов под нагрузкой существенно меняется в зависимости от температуры испытания.
При определенных температурах происходит смена низкотемпературного механизма, связанного с консервативным движением дислокаций на высокотемпературный, обусловленный диффузионными процессами. В низкотемпературной области скорость стационарной ползучести в зависимости от приложенного напряжения и температуры описывается экспоненциальными, а в высокотемпературной степенными зависимостями. Температуры этого перехода зависят как от исследованного материала, так и от окружающей среды.
Цель исследований
Целью данных исследований является определение влияние инертной аргоновой среды на деформацию ползучести технически чистого титана ВТ1-0 и сплава системы титан – алюминий ВТ5 в процессе их нагревания при постоянном растягивающем напряжении.
Материалы и методы исследования
Технически чистый титан ВТ1-0 содержит: Al – 0,028 %; Si – 0,002 %; Fe – 0,036 %; C – 0,008 %; O2 – 0,115 %; H2 – 0,003 %; Cr+Mn – 0,012; Cu+Ni – 0;015 %, Ti – остальное. Сплав ВТ5 имеет следующий химический состав Al – 5,563 %; Si – 0,145 %; Fe – 0,3 %; C – 0,09 %; O2 – 0,18 %; H2 – 0,012 %; Cr – 0,28; Ni – 0;045 %; Ti – остальное. Для повышения теплостойкости и коррозионной стойкости сплав ВТ5 легирован алюминием. Образцы для исследований были изготовлены из прессованных прутков диаметром 12 мм и имели размеры рабочей части: диаметр 5 ± 0,05 мм, длина 30 ± 0,2 мм.
В экспериментальных исследованиях применялся метод Дорна, при котором в процессе нагрева образцов при постоянных растягивающих напряжениях температуру изменяли скачкообразно. Скачек температуры ΔТ составлял 30 К. За периодом скачкообразного увеличения температуры следовал период выдержки. После достижения на этом этапе некоторой деформации вновь скачкообразно меняли температура. Поскольку скачек температур незначителен, а напряжение до и после изменения температуры оставалось постоянным, изменением модуля упругости и субструктуры можно пренебречь. При таком допущении изменение скорости ползучести определяется только изменением температуры. Испытания образцов проводились в диапазоне температур от 673 до 1323 К при постоянных растягивающих напряжениях σ = 2,00; 4,45; 6,91 и 9,36 МПа, что значительно ниже предела текучести исследуемых сплавов при заданных температурах.
Испытания проводились на оригинальном специализированном стенде, позволяющем непрерывно фиксировать удлинение образцов при их нагреве в условиях постоянно действующих механических напряжений растяжения в средах различных газов при их давлении 0,5 МПа. Такое давление применялось для усиления эффекта внедрения газов в титановый сплав. Детальное описание стенда приведено в статье [3]. В процессе проведения экспериментов фиксировались время процесса (τ), температура (T) и удлинение образцов (L). Для устранения влияния на скорость ползучести температурного удлинения образца и веса подвесок стенда каждый эксперимент с нагружением образца дублировался экспериментом без нагрузки при тех же временных и температурных параметрах. Разница в удлинениях образца, определенная из этих графиков представляет удлинение за счет ползучести. В качестве поясняющего примера на рис. 1 приведены фиксируемые экспериментальные данные на одной из ступеней нагрева сплава ВТ5 при действии растягивающей нагрузки 9,36 МПа.
Рис. 1. Фрагмент диаграммы удлинения образца из титанового сплава ВТ5 в среде аргона на временном интервале 4000–4500 с
На диаграмме выделялся этап ползучести с относительно постоянной скоростью (участок ВС рис. 1). На этом этапе рассчитывалось относительное удлинение образца.
(1)
где i = 0...n – номер паузы, на которой происходит выдержка образца при постоянной температуре; Δli+1 и Δli, , мм – удлинение образца за счет ползучести в конце и начале периода выдержки; Li , мм – полная длина образца в начале каждого периода выдержки.
Среднюю скорость ползучести на участке выдержки рассчитывали по формуле:
, 1/с (2)
где ∆τi – время паузы, с; ∆εi – относительное удлинение образца за счет ползучести на i-ой ступени изменения температуры.
За условный предел ползучести принимали напряжение, при котором удлинение образца за счет ползучести составляет 0,2 %. В процессе экспериментов при постоянной нагрузке фиксировалась температура начала деформации ползучести, при которой достигалось такое удлинение. В результате проведенного анализа для исследованных нагрузок и газовых сред и температуре T определялся предел ползучести при растяжении 
.
Поскольку процесс ползучести является энергетически активируемым процессом, в процессе исследований рассчитывалась также приращение энергии активации ΔHi ползучести на i-ой ступени нагрева [4].
, кДж/моль (3)
где R = 0,00831 Кдж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные экспериментальные данные были подвергнуты нелинейному регрессионному анализу в программном комплексе Statistica v. 8.0 для построения аппроксимирующих зависимостей, которые позволяют для исследованных газовых сред и действующих напряжений растяжения σ рассчитывать скорость V и предел ползучести 
на стадии установившейся ползучести.
Скорости ползучести описывали экспоненциальной зависимостью
, (4)
где a1, a2, a3– коэффициенты аппроксимации, значения которых для слава ВТ5 представлены в табл.1, а для слава ВТ1-0 – в ранее опубликованной статье [3].
Таблица 1
Коэффициенты аппроксимации в формуле (4) для сплава
|
σ, МПа |
a1 1015 |
a2∙102 |
a3∙106 |
Температурный интервал, К |
|
|
Аргон |
4,45 |
130 |
1,41 |
5,30 |
1238-1323 |
|
6,91 |
44 |
1,53 |
3,10 |
1153-1323 |
|
|
9,36 |
1,4 |
1,83 |
1,18 |
1113-1323 |
|
|
Воздух |
4,45 |
0,014 |
2,40 |
0,57 |
1023-1273 |
|
6,91 |
1,2 |
2,13 |
1,40 |
973-1223 |
|
|
9,36 |
2,7 |
2,21 |
1,90 |
923-1173 |
Зависимость предела ползучести от температуры для исследованных сред подчиняется логарифмической зависимости
, (5)
где коэффициенты аппроксимации b1, b2 для сплава ВТ5 приведены в табл. 2., а для сплава ВТ1-0 – статье [3]. Величина достоверности аппроксимации R2 в зависимостях 4 и 5 составляет не менее 0,98.
Таблица 2
Коэффициенты аппроксимации в формуле (5) для сплава ВТ5
|
Аргон |
Воздух |
|
|
b1 |
44.41 |
46.32 |
|
b2 |
320.86 |
325.6 |
Полученные результаты свидетельствуют, что состав газовой среды, в которой проводятся испытания, оказывает существенное влияние на характеристики ползучести. При нагреве образцов из обоих сплавов в среде аргона наблюдалось значительное снижение скорости ползучести V и повышение предела ползучести 
по сравнению с аналогичным нагревом в воздушной среде. Однако, при качественной аналогии указанных закономерностей для обоих сплавов ползучесть в сплаве ВТ5 по сравнению с ВТ1-0 фиксируется при более высоких температурах и имеет более низкую скорость. Так же как и в экспериментах с ВТ1-0 [3], при увеличении нагрузки температура начала ползучести сдвигается в область более низких температур и имеет более высокую скорость. В качестве примеров на рис. 2 и 3 приведены некоторые графики, построенные по экспериментальным данным.
Рис. 2. Зависимость скорости на установившейся стадии ползучести от температуры нагрева (точки на графиках – усредненные экспериментальные данные)
Рис. 3. Зависимость предела ползучести 
для сплавов ВТ5 и ВТ1-0 в аргоне и на воздухе– (точки на графиках – усредненные экспериментальные данные)
Рис. 4. Изменение энергии активации сплавов ВТ5 и ВТ1-0 в процессе их нагревания в среде аргона при растягивающих напряжениях σ = 4,45 и 9,36 МПа
Выводы
Анализ полученных результатов позволил установить ряд фактов и закономерностей ползучести сплавов ВТ 5 и ВТ 1-0 при их нагреве в аргоне и на воздухе.
1. При испытаниях в среде аргона, по сравнению с испытаниями на воздухе, появление признаков кратковременной ползучести смещается в область более высоких температур и наблюдается снижение скорости ползучести при одинаковых номинальных напряжениях во всем температурном диапазоне испытаний.
2. Получены аппроксимирующие зависимости, описывающие скорость кратковременной ползучести сплава ВТ5 на установившейся стадии в аргоне и воздухе от температуры нагрева и номинального напряжения растяжения.
3. Установлено, что при качественно одинаковом характере установленных зависимостей ползучесть в сплаве ВТ5, по сравнению с ВТ1-0, происходит при более высоких температурах и с более низкими скоростями.
4. При прочих равных условиях энергия активации ползучести для сплава ВТ5 выше, чем для ВТ1-0. При фиксированном напряжении растяжения разница в приращениях энергии активации для исследованных сплавов максимальна при низких температурах и снижается при повышении температуры испытания вплоть до того, что они практически сравниваются.
Работа выполнена в соответствии с планом работ по программе ОЭММПУ РАН № 11 и гранту РФФИ № 13-08-00989.