Влияние концентрации ванадия на структуру и свойства сплавов Ti–V после кручения под высоким давлением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовано влияние предварительного отжига при 1000°C и последующего кручения под высоким давлением (КВД) на фазовый состав и механические свойства сплавов титана с 2, 4, 6 и 8 вес.% ванадия. Повышение концентрации ванадия в исходном сплаве приводит к увеличению объемной доли фазы β-Ti и уменьшению объемной доли фазы ω-Ti после КВД-обработки. Методом наноиндентирования были измерены нанотвердость Н и модуль Юнга Е. После КВД величины Н и Е выше, чем после предварительного отжига соответственно на 44 и 20%. Значения нанотвердости и модуля Юнга исследованных сплавов после КВД не зависят от доли второго компонента и составляют Н = 6.2±0.2 ГПа и Е = 138±3 ГПа. Однако твердость сплавов после КВД, измеренная с помощью микроиндентирования, также не зависит от доли второго компонента. В то же время предельная прочность и модуль Юнга, измеренные методом трехточечного изгиба, имеют существенные отличия, уменьшаясь с увеличением концентрации ванадия в сплаве от 3.1 до 2.4 ГПа и от 204 до 165 ГПа. Это уменьшение коррелирует с изменением долей фаз ω-Ti и β-Ti. Экспериментально была установлена связь между содержанием ванадия, фазовым составом и предельной прочностью образцов после КВД-обработки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. С. Давдян

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН; Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Автор, ответственный за переписку.
Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432; Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049

А. С. Горнакова

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Б. Б. Страумал

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН; Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432; Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049

В. И. Орлов

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Н. С. Афоникова

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

А. И. Тюрин

Научно-исследовательский институт Нанотехнологий и Наноматериалов, Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Советская, 106/5, Тамбов, 392000

А. В. Дружинин

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: faberest@yandex.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

А. Кильмаметов

Лаборатория технологических и материаловедческих исследований

Email: faberest@yandex.ru
Франция, Вильтанез, 93430

С. Соммадосси

Институт исследований в области инженерных наук и технологий Национального университета Комауэ Национального совета по научным и техническим исследованиям

Email: faberest@yandex.ru
Аргентина, ул. Буэнос Айрес 1400 (Q8300IBX), Неукен — Патагония, 1400

Список литературы

  1. Страумал Б.Б., Заворотнев Ю.Д., Давдян Г.С. Кручение под высоким давлением и фазовые превращения в металлических сплавах // Физика и техника высоких давлений. 2022. Т. 32. № 4.
  2. Cao Y., Ni S., Liao X., Song M., Zhu Y. Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation // Mater. Sci. Eng.: R: Reports. 2018. V. 133. P. 1–59.
  3. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress Mater. Sci. 2000. V. 45. № 2. P. 103–189.
  4. Langdon T.G. Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional properties through grain refinement // Acta Mater. 2013. V. 61. № 19. P. 7035–7059.
  5. Vinogradov A., Estrin Y. Analytical and numerical approaches to modelling severe plastic deformation. // Progress in Mater. Sci. 2018. V. 95. P. 172–242.
  6. Edalati K., Horita Z. A review on high-pressure torsion (HPT) from 1935 to 1988 // Mater. Sci. Engineering: A. 2016. V. 652. P. 325–352.
  7. Rogachev S.O., Sundeev R.V., Nikulin S.A. Effect of severe plastic deformation by high-pressure torsion at different temperatures and subsequent annealing on structural and phase transformations in Zr-2.5% Nb alloy // J. Alloys Compounds. 2021. V. 865. P. 158874.
  8. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications // Progress in Mater. Sci. 2008. V. 53. № 6. P. 893–979.
  9. Shirooyeh M., Xu J., Langdon T.G. Microhardness evolution and mechanical characteristics of commercial purity titanium processed by high-pressure torsion // Mater. Sci. Eng.: A. 2014. V. 614. P. 223–231.
  10. Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Y., Mazilkin A.A., Valiev R.Z., Afonikova N.S., Gornakova A.S., Hahn H. Diffusive and displacive phase transitions in Ti–Fe and Ti–Co alloys under high pressure torsion // J. Alloys Compounds. 2018. V. 735. P. 2281–2286.
  11. Cvijović-Alagić I., Rakin M., Laketić S., Zagorac D. Microstructural study of Ti45Nb alloy before and after HPT processing using experimental and ab initio data mining approach // Mater. Characteriz. 2020. V. 169. P. 110635.
  12. Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Kopacz S., Szczerba M., Cios G., Lityńska-Dobrzyńska L., Chulist R. Phase transitions and mechanical behavior of Ti-3wt.% Nb alloy after high pressure torsion and low-temperature annealing // Mater. Sci. Eng.: A. 2022. V. 857. P. 144096.
  13. Kilmametov A., Ivanisenko Y., Straumal B., Mazilkin A.A., Gornakova A.S., Kriegel M.J., Fabrichnaya O.B., Rafaja D. Hahn H. Transformations of α'martensite in Ti–Fe alloys under high pressure torsion // Scripta Mater. 2017. V. 136. P. 46–49.
  14. Jiang B., Men D., Emura S., Tsuchiya K. Microstructural response and mechanical properties of α-precipitated Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr alloy processed by high-pressure torsion // J. Mater. Research Techn. 2023. V. 23. P. 564–576.
  15. Kerber M., Waitz T., Matsuda M. Structural changes of TiPt high-temperature shape memory alloys induced by high pressure torsion // J. Alloys Compounds. 2023. V. 935. P. 168037.
  16. Sun K., Sun B., Yi X., Yaqian Y., Meng X., Gao Z., Cai W. The microstructure and martensitic transformation of Ti-13V-3Al light weight shape memory alloy deformed by high-pressure torsion // J. Alloys Compounds. 2022. V. 895. P. 162612.
  17. Roy S., Sharma A., Chaudhuri A., Huang Y., Langdon T.G., Suwas S. Microstructure evolution and mechanical response of a boron-modified Ti-6Al-4V alloy during high-pressure torsion processing // Mater. Sci. Eng.: A. 2022. V. 86. P. 144124.
  18. Gornakova A.S., Straumal B.B., Mazilkin A.A., Afonikova N.S., Karpov M.I., Novikova E.A., Tyurin A.I. Phase composition, nanohardness and young’s modulus in Ti–Fe alloys after heat treatment and high pressure torsion // Metals. 2021. V. 11. № 10. P. 1657.
  19. Shen J., Nagasaka T., Tokitani M., Muroga T., Kasada R., Sakurai S. Effects of titanium concentration on microstructure and mechanical properties of high-purity vanadium alloys // Mater. Design. 2022. V. 224. P. 111390.
  20. Deng G., Bhattacharjee T., Chong Y., Zheng R., Bai Y., Shibata A., Tsuji N. Influence of Fe addition in CP titanium on phase transformation, microstructure and mechanical properties during high pressure torsion // J. Alloys Compounds. 2020. V. 822. P. 153604.
  21. Sinha S., Sahu V.K., Beura V., Sonkusare R., Kalsar R., Das A.K., Basu J., Gurao N.P., Biswas K. Initial texture dependence of nanocrystalline omega phase formation during high pressure torsion of commercially pure titanium // Mater. Sci. Eng.: A. 2021. V. 802. P. 140687.
  22. Barjaktarević D., Bajat J., Cvijović-Alagić I., Dimić I., Hohenwarter A., Đokić V., Rakin M. The corrosion resistance in artificial saliva of titanium and Ti-13Nb-13Zr alloy processed by high pressure torsion // Procedia Struct. Integrity. 2018. V. 13. P. 1834–1839.
  23. Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Gondek Ł., Wierzbicka-Miernik A., Lityńska-Dobrzyńska L., Cios G., Chulist R., Zięba P. Thermal stability and microhardness of metastable ω-phase in the Ti-3.3 at.% Co alloy subjected to high pressure torsion // J. Alloys Compounds. 2020. V. 834. P. 155132.
  24. Gunderov D., Prokoshkin S., Churakova A., Sheremetyev V., Ramazanov I. Effect of HPT and accumulative HPT on structure formation and microhardness of the novel Ti18Zr15Nb alloy // Mater. Letters. 2021. V. 283. P. 128819.
  25. Wang Y.C., Langdon T.G. Effect of heat treatment on microstructure and microhardness evolution in a Ti-6Al-4V alloy processed by high-pressure torsion // J. Mater. Sci. 2013. V. 48. P. 4646–4652.
  26. Носова Г.И. Фазовые превращения в сплавах титана. М.: Металлургия, 1968. С. 1–181.
  27. Цвиккер У. Титан и его сплавы. 1979.
  28. Murray J.L. The Ti– V (titanium-vanadium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2. № 1. P. 48–55.
  29. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. 2009.
  30. Hu B., Sridar S., Hao L, Xiong W. A new thermodynamic modeling of the Ti–V system including the metastable ω phase // Intermetallics. 2020. V. 122. P. 106791.
  31. Davdian G.S., Gornakova A.S., Straumal B.B., Korneva A., Afonikova N.S., Novikova E.A., Tyurin A.I. Effect of pre-annealing on the formation of the ω-phase in the Ti-2 wt% V alloy after high-pressure torsion // J. Mater. Sci. 2024. P. 1–16.
  32. Ho W.F., Ju C.P., Lin J.C. Structure and properties of cast binary Ti–Mo alloys // Biomaterials. 1999. V. 20. № 22. P. 2115–2122.
  33. Abdalla A.O., Amrin A., Muhammad S., Hanim M.A. Effect of heat treatment parameters on the microstructure and microhardness of Ti-6Al-4V alloy / In AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1865. № 1. AIP Publishing.
  34. Deng G., Zhao X., Su L., Wei P., Zhang L., Zhan L., Chong Y., Zhu H., Tsuji N. Effect of high pressure torsion process on the microhardness, microstructure and tribological property of Ti6Al4V alloy // J. Mater. Sci. Techn. 2021. V. 94. P. 183–195.
  35. Shirooyeh M., Xu J., Langdon T.G. Microhardness evolution and mechanical characteristics of commercial purity titanium processed by high-pressure torsion // Mater. Sci. Eng.: A. 2014. V. 614. P. 223–231.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Объемные доли α-, β- и ω-фаз в сплавах Ti–V после отжига (а) и после КВД (б).Исходя из фазовой диаграммы системы Ti–V, при увеличении концентрации ванадия в сплаве должна линейно увеличиваться доля остаточной β-Ti-фазы. В нашем исследовании мы наблюдали распределение фаз, изображенное на рис. 1а. После КВД образуется также и ω-Ti-фаза, доля которой составляет от 76 до 49 %.

Скачать (139KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограммы сплавов Ti–2 вес. % V (а), Ti–4 вес. % V (б), Ti–6 вес. % V (в), Ti–8 вес. % V (г), где черные линии соответствуют отожженным образцам, красные — образцам после КВД.

Скачать (277KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроструктуры сплавов Ti–2 вес. % V (а), Ti–4 вес. % V (б), Ti–6 вес. % V (в), Ti–8 вес. % V (г), отожженных при 1000°C.

Скачать (369KB)
Метаданные
5. Риc. 4. ПЭМ-изображения микроструктуры сплавов в светлопольном (сверху), темнопольном (в центре) виде и их электронограммы (снизу) Ti–2 вес. % V (а–в), Ti–4 вес. % V (г–е), Ti–6 вес. % V (ж–и), Ti–8 вес. % V (к–м), после КВД.

Скачать (839KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кривые нагружения сплавов Ti–V в процессе КВД.

Скачать (118KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кривые P–h-сплавов Ti–V после отжигов и после КВД, где Т°C соответствует 1000°C.

Скачать (120KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Твердость сплавов при наноиндентировании в зависимости от расстояния точки измерения от центра образца, для отожженных (черные квадраты) и обработанных КВД (красные квадраты) образцов Ti–2 вес. % V (а), Ti–4 вес. % V (б), Ti–6 вес. % V (в), Ti–8 вес. % V (г).

Скачать (291KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Модуль упругости сплавов при наноиндентировании в зависимости от расстояния точки измерения от центра образца, для отожженных (черные кружки) и обработанных КВД (красные кружки) образцов Ti–2 вес. % V (а), Ti–4 вес. % V (б), Ti–6 вес. % V (в), Ti–8 вес. % V (г).

Скачать (302KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Средние значения нанотвердости (а) и модуля упругости (б) для отожженных (черные символы) и обработанных КВД (красные символы ) исследуемых образцов Ti–V.

Скачать (112KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Средние значения микротвердости для отожженных (черные квадраты) и обработанных КВД (красные квадраты) исследуемых образцов Ti–V.

Скачать (71KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Результаты испытаний на трехточечный изгиб наиболее средних отожженных (а) и обработанных КВД (б) образцов.

Скачать (183KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Фотографии изломов образцов после КВД-обработки, образовавшихся при испытаниях на трехточечный изгиб: Ti–2 вес.% V (а, б), Ti–4 вес.% V (в, г), Ti–6 вес.% V (д, е) и Ti–8 вес.% V (ж, з).

Скачать (248KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Средний размер зерна в сплавах Ti–V после КВД.

Скачать (58KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Средние значения (а) условного предела текучести σ0.2 отожженных образцов, (б) предела прочности образцов σB после КВД, (в) модуля упругости на изгиб после отжигов и после КВД и (г) максимальной деформации перед разрушением образцов после КВД в зависимости от доли второго компонента (V) в сплаве.

Скачать (189KB)
Метаданные