Микротвердость титана, легированного атомами металлов

Так как кристаллизация расплава титана при наличии в нем атомов легирующих элементов происходит в условиях сверхскоростного охлаждения, что обеспечивает формирование микрокристаллической структуры, а также повышенную плотность дислокаций, увеличение микротвердости его поверхностного слоя также происходит за счет зернограничного и дислокационного механизмов упрочнения.

Повышение микротвердости до 4,2 ГПа в поверхностном слое титана при глубине индентирования около 2 мкм наблюдается при его легировании атомами молибдена в результате воздействия КПП в атмосфере водорода при Q = 17 Дж/см2 (рис. 6.2). Данный режим воздействия КПП приводит к формированию однофазной системы на основе твердого раствора P-Ti(Mo). При повышении Q до 21 Дж/см2 в данном случае микротвердость поверхностного слоя толщиной около 2 мкм снижается до 3,9 ГПа, что является следствием уменьшения объемного содержания твердого раствора (3-Ti(Mo).

При увеличении Q до 32 Дж/см2 (рис. 6.2) микротвердость поверхностного слоя титана при глубине индентирования 2,5 мкм снижается до 2,9 ГПа. При данном режиме воздействия концентрация молибдена не позволяет стабилизировать высокотемпературную P-фазу титана, в результате чего легированный слой представляет собой низкотемпературную a-фазу. Упрочнение в данном случае по сравнению с исходным титаном обусловлено преимущественно зернограничным и дислокационным механизмами. Согласно теории Мотта-Набарро [70, 230], упрочнение титана в результате формирования твердого раствора связано с появлением локальных полей внутренних напряжений, вы-

званных присутствием атомов растворенных элементов. В этом случае возникает энергетический барьер, препятствующий передвижению дислокаций.

В случае воздействия на систему Mo/Ti КПП в атмосфере азота (рис. 6.3) дополнительное поверхностное упрочнение связано с формированием нитридной фазы 5-(Ti, Mo)N. и твердого раствора a-Ti(N). В случае воздействия КПП при Q = 13 Дж/см2 микротвердость поверхностного слоя на глубине около 2 мкм составляет 4,2 ГПа и снижается до 3,5 ГПа в случае воздействия КПП при Q-35 Дж/см2.

На глубинах индентирования от 4,0 до 5,5 мкм значения микротвердости титана, обработанного КПП с Q = 13 и 35 Дж/см2, сравнимы друг с другом (с учетом погрешности определения) (рис. 6.3).

Упрочнение поверхностного слоя титана происходит в результате твердорастворного механизма и в случае его легирования р-эвтектоидными элементами (Cr, Ni), когда происходит образование твердых растворов p-Ti(Cr) и p-Ti(Ni) соответственно.

Легирование поверхностного слоя титана атомами хрома позволяет повысить его микротвердость до 6,4 ГПа на глубине ин- дентирования до 2 мкм в результате воздействия КПП в атмосфере азота при Q = 13 Дж/см2 (рис. 6.4). При повышении Q до 35 Дж/см2 микротвердость поверхностного слоя на соответствующей глубине снижается до 3,8 ГПа, превосходя при этом микротвердость исходного титана. Указанная зависимость микротвердости поверхностного слоя от плотности поглощенной энергии КПП, так же как и в случае микротвердости системы Mo/Ti, коррелирует с глубиной азотированного слоя и содержанием нитрида 8-(Ti, Cr)N и твердого раствора a-Ti(N).

Значение микротвердости (6,4 ГПа) поверхностного слоя титана, легированного атомами хрома в результате воздействия КПП в атмосфере азота при Q= 13 Дж/см2, превышает значение микротвердости (4,2 ГПа) титана, легированного атомами молибдена при аналогичных режимах воздействия.

В системе Cr/Ti после воздействия КПП происходит также образование дисперсных частиц интерметаллидного соедине-

ния TiCrr Их присутствие в поверхностном слое обеспечивает возникновение дополнительных внутренних напряжений, препятствующих движению дислокаций при пластической деформации [70].

При повышении Q до 35 Дж/см2, при которой основной фазой, присутствующей в поверхностном слое, является низкотемпературная фаза a-Ti, микротвердость поверхностного слоя составляет 3,8 ГПа на глубине индентирования около 2 мкм, что соответствует микротвердости нелегированного титана после воздействия КПП с Q - 35 Дж/см2 (рис. 6.1).

В системе Ni/Ti после воздействия КПП с Q = 13-19 Дж/см2 наряду с твердым раствором p-Ti(Ni) происходит формирование интерметаллидных соединений Ti2Ni и TiNi. Микротвердость данной системы на глубине индентирования 1,2 мкм составляет 7,2 ГПа при Q = 13 Дж/см2 и 6,0 ГПа - при Q = 19 и 23 Дж/см2 (рис. 6.5).

Микротвердость на глубине до 2 мкм определяется преимущественно поверхностным слоем, содержащим нитрид титана

5-(Ti, Ni)Nv и твердый раствор a-Ti(N). Однако значение микротвердости этого слоя во многом зависит от микротвердости нижележащего слоя [229]. Согласно результатам РСА при Q = 13 и 19 Дж/см2, в приповерхностном слое происходит формирование никелида титана TiNi, микротвердость которого по результатам работы [231] составляет 4,8 ГПа, и его содержание максимально при Q = 13 Дж/см2. Именно формированием нижележащего слоя никелида титана и объясняется более высокая микротвердость системы Ni/Ti после воздействия КПП с Q = 13 Дж/см2.

Таким образом, в случае легирования титана атомами Р-изо- морфного (Мо), а также р-эвтектоидных (Cr, Ni) элементов увеличение микротвердости поверхностного легированного слоя происходит помимо зернограничного, дислокационного и дисперсионного механизмов упрочнения также за счет твердорастворного механизма, связанного с формированием твердых растворов на основе высокотемпературной фазы титана.

В предположении, что при небольшом содержании легирующих элементов (табл. 3.1) модуль сдвига G слабо зависит от их концентрации, основной вклад в увеличение предела текучести в результате твердорастворного механизма упрочнения вносит величина, представляющая собой произведение концентрации легирующего элемента на параметр несоответствия Ъа. Тогда согласно (6.3)-(6.5), наиболее эффективное упрочнение поверхностного слоя титана за счет формирования твердого раствора на основе высокотемпературной (3-фазы титана происходит в случае его легирования атомами хрома, для которого характерно максимальное значение параметра несоответствия при полученных концентрациях легирующих элементов после воздействия КПП с плотностью поглощенной энергии 13 Дж/см2 (табл. 6.1).

Легирование поверхностного слоя титана атомами нейтральных элементов, в частности атомами циркония, не позволяет стабилизировать высокотемпературную фазу титана при комнатной температуре, вследствие чего упрочнение в данном случае обусловливается формированием твердого раствора на основе низкотемпературной фазы a-Ti(Zr), а также диспергированием микроструктуры и повышенной плотностью дислокаций (рис. 6.6).

Таблица 6.1. Параметр несоответствия для твердых растворов p-Ti(Me), сформированных в результате воздействия КПП (Q = 13 Дж/см2)

Легирующий

элемент

Параметр решетки (а), нм

Концентрация легирующего элемента (с)

Параметр несоответ-

/ Л 4/3 С ( сс

ствия — -

аУда)

Сг

0,3220

0,068

0,68

Ni

0,3200

0,112

0,46

Мо

0,3220

0,107

0,30

При воздействии КПП на систему Zr/Ti максимальная микротвердость достигается при Q = 13 Дж/см2 и составляет 5,4 ГПа на глубине индентирования около 1,5 мкм (рис. 6.6). При увеличении Q до 35 Дж/см2 происходит снижение микротвердости до 4,8 ГПа на соответствующей глубине индентирования.

Так как во всем отмеченном диапазоне Q происходит формирование твердого раствора a-Ti(Zr), снижение микротвердости при увеличении Q до 35 Дж/см2 может быть обусловлено уменьшением содержания азота, а также концентрации циркония в твердом растворе.

Микротвердость титана, легированного атомами циркония в результате воздействия КПП в атмосфере азота при Q= 13 Дж/см (/), Q= 19 Дж/см

Рис. 6.6. Микротвердость титана, легированного атомами циркония в результате воздействия КПП в атмосфере азота при Q= 13 Дж/см2 (/), Q= 19 Дж/см2

(2) и Q = 35 Дж/см2 (2)

Сформированный в результате воздействия КПП в атмосфере азота твердый раствор a-Ti(Zr) характеризуется параметром гексагональности (с/d), равным 1,61. В этом случае пластическая деформация осуществляется преимущественно по базисным плоскостям скольжения. Повышение отношения da в гексагональной кристаллической решетке титана по отношению к исходному образцу позволяет снизить число систем наилучшего скольжения [5]. Это способствует увеличению микротвердости модифицированного слоя, что и характерно для твердого раствора a-Ti(Zr), сформированного в результате воздействия КПП.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >