Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №20

Исследование структурного механизма охрупчивания титана, легированного кислородом

О.А. СНИЖКО*(канд. техн.наук), В.В. ПАШИНСКИЙ*(д-ртехн.наук, проф.), Т.Е. КОНСТАНТИНОВА**(д-рфиз.-мат.наук, проф.), А.Д. РЯБЦЕВ *(д-ртехн.наук, проф.)
*Донецкий национальный технический университет, Донецк
** Донецкий физико-технический институт, Донецк

УДК 620.18:669.187.56

Приведены результаты исследований структурных превращений титана с содержанием кислорода в диапазоне 0,053 – 0,27% по массе. Показано, что повышение содержания кислорода в исследованном интервале приводит к формированию крупных зёрен в литом и отожжённом состоянии, что способствует переходу от вязкого к хрупкому характеру разрушения при -196oС. Кроме того, в титане увеличивается склонность к протеканию фазового превращения по мартенситному механизму, что снижает размер структурных элементов по сравнению с литым и отожжённым состоянием. С повышением содержания кислорода в игольчатых кристаллах ’ фазы формируется все более развитая субструктура, что дополнительно измельчает структуру сплава. Нагрев сплавов до температуры 350oС при выдержках до 4 часов не приводит к существенному изменению структуры сплава, а при нагреве до 500oС и выдержке 1 час, начинается рекристаллизация и огрубление структуры. Повышение содержания кислорода в титане приводит к торможению процесса рекристаллизации.

Ключевые слова: легированный титан, легирование кислородом, структура, характер разрушения, рекристаллизация.

Введение

Титан и его сплавы широко применяются медицине для изготовления медицинских инструментов и имплантатов. В этом случае, наряду с высокой удельной прочностью и сопротивлением ударным и усталостным нагрузкам, важнейшим требованием становится также коррозионная стойкость и биосовместимость. Одним из таких материалов, соответствующим этим требованиям являются титановые сплавы типа ВТ6С (Grade5). Однако наличие в этих сплавах легирующего элемента ванадия может приводить к вредному воздействию на организм человека, так как известно, что при определённых условиях могут образовываться его токсичные соединения. Одним из решений данной проблемы может являться применение альтернативных легирующих компонентов, в частности, кислорода. Интерес к сплавам титана, в которых кислород играет роль легирующего элемента, связан с несколькими особенностями этой системы. Кислород является недорогим и эффективным упрочнителем при малых содержаниях (менее 0,5% по массе), а титановая губка с более высоким содержанием кислорода дешевле и доступнее на мировом рынке. Это позволяет снизить себестоимость сплава. Кроме того, все известные соединения титана с кислородом инертны по отношению к человеческому организму. Однако широкому внедрению данных сплавов препятствуют некоторые особенности структурообразования в системе «титан – кислород».

В частности, в литературе имеются сведения об огрублении морфологии структур в титане с повышенным содержанием кислорода [1], однако механизм такого влияния кислорода не обсуждается. В работах [2-5] исследованы особенности структурных превращений в системе «титан - кислород» в процессе кристаллизации и термической обработки, в которых показано, что с повышением содержания кислорода, изменяется не только механические свойства, но и меняется морфология структуры. Целью данного исследования является уточнение механизма влияния кислорода на формирование структуры титана при различных термических воздействиях и разработка методов получения дисперсных структур в сплавах системы «титан – кислород».

Полученные результаты и их обсуждение

Первый этап исследований выполнен на материале слитков титана с содержанием кислорода в диапазоне 0,053 – 0,27% по массе, полученных методом легирования из газовой фазы при камерном электрошлаковом переплаве. Технологическая схема процесса приведена в работах [6-8].

Типичные структуры сплавов в отожжённом состоянии приведены на рис. 1. Исследование морфологии структуры сплавов в равновесном состоянии показало, что с ростом содержания кислорода тип структуры остаётся неизменным – вытянутые зерна, собранные в группы и образующие так называемую структуру типа «корзиночного плетения». При этом характерный размер структурных элементов повышается в несколько раз, что является отрицательным эффектом с точки зрения сопротивления распространению трещины.

Микроструктура образцов титана с различным содержанием кислорода после отжига

Рисунок 1 – Микроструктура образцов титана с различным содержанием кислорода после отжига, х100.

Поскольку вопрос о фазовом составе при низких температурах титановых сплавов, легированных кислородом, в литературе освещён недостаточно, для изучения особенностей разрушения таких сплавов, образцы с содержанием кислорода 0,053 и 0,27% по массе были подвергнуты ударному разрушению при температуре -196oС с целью получения хрупкого характера излома и выявления деталей структуры, способствующих протеканию такого разрушения. Общий вид поверхности разрушения приведён на рис. 2.

Общий вид поверхности низкотемпературного разрушения образцов титана в литом состоянии

Рисунок 2 – Общий вид поверхности низкотемпературного разрушения образцов титана в литом состоянии с содержанием кислорода 0,053% (а) и 0,27% (б).

Из рисунка видно, что повышение содержания кислорода приводит к формированию хрупкого излома с характерным размером областей разрушения порядка 1–2 мм.

Для выявления тонкого строения поверхностей изломов были выполнены фрактографические исследования методами сканирующей и просвечивающей (на угольных репликах) электронной микроскопии.

На рис. 3 показана морфология поверхности излома образцов с различным содержанием кислорода, выявленная методом РЭМ.

Морфология поверхностей изломов образцов титана, выявленная методом РЭМ

Рисунок 3 – Морфология поверхностей изломов образцов титана, выявленная методом РЭМ (увеличения указаны на фото): а-в – содержание кислорода 0,27% масс., г-е – содержание кислорода 0,053% масс.

Из рисунка видно, что при высоком содержании кислорода излом является хрупким. Разрушение происходит вдоль определённых структурных элементов и различие в морфологии поверхностей на рис. 3 а и б связано с различной ориентацией этих элементов относительно поверхности разрушения. Излом образца с низким содержанием кислорода имеет смешанный характер, в нем присутствуют как участки вязкого ячеистого разрушения, так и участки квазихрупкого и хрупкого разрушения. Однако обращает на себя внимание тот факт, что на всех исследованных поверхностях не наблюдается частиц второй фазы, ответственных за развитие процессов разрушения. Этот вывод подтверждается и результатами фрактографических ПЭМ исследований с использованием угольных реплик (рис. 4). При наличии частиц второй фазы эта методика позволяет экстрагировать их на реплику и определить их природу методом микродифракции электронов.

Морфология поверхности излома титана, выявленная методом ПЭМ

Рисунок 4 – Морфология поверхности излома титана, выявленная методом ПЭМ (х10000)

Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о том, что в исследованном интервале концентраций кислород не образует компактных включений избыточных фаз, а хрупкий характер разрушения связан с формированием огрублённой литой структуры.

Поскольку титан при нагреве испытывает фазовое превращение, то размерные характеристики структурных элементов можно изменять методами термического воздействия. В готовых изделиях титановые сплавы используются преимущественно после деформационной и термической обработок, поэтому с практической точки зрения большое значение имеет выявление возможности влияние кислорода на формирование структуры сплава после таких воздействий и, в частности, диспергирования структуры в результате ускоренного охлаждения (закалки) из однофазной -области с последующими низкотемпературными нагревами.

В результате проведённых исследований установлено, что с повышением содержания кислорода в титане при охлаждении от температур, соответствующих -области, увеличивается склонность к протеканию -' превращения по сдвиговому механизму с формированием структур игольчатой морфологии. На рис. 5 а-б показаны структуры сплавов с разным содержанием кислорода после закалки от температуры 1100oС, подтверждают указанную закономерность.Структуры титана с низким содержанием кислорода после отжига приведены ранее на рис. 1. Из рисунка видно, что сдвиговое превращение при закалке приводит к формированию дисперсных игольчатых кристаллитов, которые возникают внутри первичных зёрен -фазы. Растущие иглы взаимно блокируют рост друг друга, и обеспечивает меньшую степень различия в размерах структурных элементов, характерную для отожжённого состояния.

Структура титановых сплавов после закалки

Рисунок 5 – Структура титановых сплавов после закалки, х500.

С повышением содержания кислорода в игольчатых кристаллах ’ фазы формируется все более развитая субструктура, что дополнительно измельчает структуру сплава.

Существенное значение имеют структурные изменения при последующих нагревах закалённых сплавов. Установлено, что основным процессом при нагреве в области температур 150–500oС является рекристаллизация структуры сдвигового превращения, эффективно протекающая при температуре 500оС. На рис. 6 представлен характер структурных изменений, происходящих при нагреве.

Структура сплавов с содержанием кислорода 0,23% после закалки

Рисунок 6 – Структура сплавов с содержанием кислорода 0,23% после закалки (а), нагрева 350oС (б), нагрева 500oС (в), х200.

На рис. 6а приведена структура сплава после закалки. Она характеризуется игольчатой морфологией с отдельными нетравящимися участками. При выдержке 350оС степень травимости растёт (рис. 6б) и внутри первичных игл вытравливаются иглы меньшего размера, что приводит к кажущемуся измельчению структуры. Более высокая температура выдержки (рис. 6в) приводит к уменьшению степени контраста изображения, и игольчатый характер структуры выражен значительно слабее, чем в предыдущем случае. Отмечается некоторое огрубление структуры, связанное с начавшейся рекристаллизацией.

Сопоставление характера изменения структуры рекристаллизации сплавов показало, что с увеличением содержания кислорода в исследованном интервале концентраций растёт устойчивость игольчатой структуры сплава к процессу рекристаллизации.

Выводы

Таким образом, проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:

Повышение содержания кислорода в титане в интервале 0,053 – 0,27% по массе приводит к огрублению структуры в литом и отожжённом состоянии, что способствует переходу от вязкого к хрупкому характеру разрушения. В исследованном интервале концентраций не наблюдается формирования включений соединений «титан – кислород». Механизм охрупчивания связан с формированием крупных зёрен в структуре, поэтому отрицательное влияние кислорода на структуру сплава может быть скомпенсировано последующей термической обработкой.

Повышение содержания кислорода в титане увеличивается склонность к протеканию -' превращения по сдвиговому механизму с формированием структур игольчатой морфологии. Мартенситное превращение уменьшает размер структурных элементов, характерную для литого и отожжённого состояния. С повышением содержания кислорода в игольчатых кристаллах ' фазы формируется все более развитая субструктура, что дополнительно улучшает структуру сплава по сравнению с литым и отожжённым состоянием.

Нагрев закалённых сплавов до температуры 350oС при выдержках до 4 часов не приводит к существенному изменению структуры сплава. В образцах, подвергнутых нагреву до 500oС и выдержке 1 час, начинается рекристаллизация и огрубление структуры. Повышение содержания кислорода в сплаве приводит к торможению процесса рекристаллизации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1. Металлургия титана / В.А. Пушка, В.С. Гуляницкий, В.Ю. Крамник и др. – М.: Металлургия, 1968. – 644с.
  • 2. Snizhko O.A. Structure and properties of titanium, alloyed by oxygen/ O.A. Snizhko, S.M. Ratiev, F.L. Leoha // Proceeding of[«International Workshop on Metal-Slag Interactions» (IWMI-2010)]; (Yalta, Crimea, Ukraine, September 14-19, 2010). – 2010. – P.116-125.
  • 3. Рябцева О.А. Исследование влияния содержания кислорода на структуру и свойства технически чистого титана в литом и термически обработанном состоянии / О.А. Рябцева, В.В. Пашинский, С.Н. Ратиев // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Металургія. – 2010. – Вип. 12(177). – С.293-301.
  • 4. DonachieJrM.J. Titanium - ATechnicalGuide /MatthewJ. Donachie. – [2ndеd.]. – ASMInternational, 2000. – 518p.
  • 5. Титан / В.А.Гармата, А.Н. Петрунько, Н.В. Галицкий и др. – М.: Металлургия, 1983. – 560с.
  • 6. Получение титана повышенной прочности путем легирования кислородом в процессе камерного электрошлакового переплава / А.Д. Рябцев, С.И. Давыдов, А.А. Троянский и др. // Современная электрометаллургия. – 2007.– № 3.–С.3-6.
  • 7. Легирование титана кислородом из газовой фазы при камерном электрошлаковом переплаве титановой губки/ С.Н.Ратиев, О.А.Рябцева, А.А. Троянский и др. // Современная электрометаллургия.–2010.–№ 2.–С.8-12.
  • 8. Ратиев С.Н. Легирование титана кислородом при камерном электрошлаковом переплаве титановой губки / С.Н. Ратиев, О.А. Рябцева, Ф.Л. Леоха // Донбас-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: матеріали V науково – практичної конференції,(Донецьк, 25-27 травня 2010 р.). –Донецьк: ДонНТУ, 2010– С.209-214.
  Публикация №20
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ