Низкотемпературная деформация и разрушение объемного наноструктурного титана, полученного интенсивной пластической деформацией с помощью равноканального углового прессования

Abstract

Изучены низкотемпературная пластичность и разрушение поликристаллов крупнозернистого (КЗ) и наноструктурного (НС) титана технической чистоты двух структурных модификаций с размером зерна 0,3 и 0,1 мкм, приготовленных методом равноканального углового прессования (РКУП) с дополнительной термомеханической обработкой. Измерения проводили при температурах 300, 77 и 4,2 К в режиме одноосного сжатия со скоростью деформации 4×10⁻⁴ c⁻¹. Получены кривые упрочнения "напряжение-пластическая деформация", измерены макроскопический предел текучести и ресурс пластичности для образцов с ориентациями оси сжатия вдоль и поперек оси РКУП. Обнаружено возрастание предела текучести в 1,5-2 раза при переходе от КЗ к НС титану и при охлаждении от 300 до 4,2 К. Наблюдается также анизотропия пластичности НС титана - возрастание предела текучести в 1,2-1,5 раза при переходе от ориентации оси сжатия вдоль к ориентации поперек оси РКУП. Ресурс пластичности при таких изменениях структуры образцов и условий эксперимента систематически понижается, однако деформация до разрушения остается выше 4%. Нанoструктурный титан не обнаруживал хладноломкости вплоть до температуры жидкого гелия, но при 4,2 К пластическое течение приобретало скачкообразный характер, как и в КЗ титане. Установлено, что при низкотемпературном одноосном сжатии происходит разрушение НС титана в результате неустойчивого пластического сдвига, сопровождающегося локальным адиабатическим разогревом материала. Такое явление не свойственно КЗ титану. Изучение морфологии поверхностей сдвигового разрушения с помощью сканирующего электронного микроскопа выявило характерный "венный" узор, свидетельствующий о локальном разогреве при температуре ≥ 800 °С. Установлен термически активированный характер пластической деформации НС титана при низких температурах. Показано влияние на величину предела текучести микроструктурных внутренних напряжений термической анизотропии и возможного микродвойникования.

The low-temperature plasticity and fracture of polycrystals of coarse-grained (CG) and nanostructural (NS) technical-grade titanium of two structural modifications with grain size 0.3 and 0.1 μm, which were prepared by equal channel angular pressing (ECAP) with additional thermomechanical treatment are studied. The measurements are performed at temperatures 300, 77, and 4.2 K with uniaxial compression at deformation rate 4×10⁻⁴ c⁻¹ . The “stress-plastic deformation” hardening curves are obtained, the macroscopic yield stress, and the ultimate plasticity are measured for samples with compression axis orientations parallel and transverse to the ECAP axis. It is found that the yield stress for NS titanium is 1.5–2 times higher than for CG titanium and the yield stress on cooling from 300 to 4.2 K. Plasticity anisotropy is also observed in NS titanium—the yield stress is 1.2–1.5 times greater when the compression axis is oriented perpendicular to the ESAP axis than for parallel orientation. The ultimate plasticity with such changes in the structure of samples and under the experimental conditions systematically decreases, but the deformation to fracture remains above 4%. Nanostructural titanium does not show cold-brittleness right down to liquid-helium temperatures, but at 4.2 K plastic flow becomes jumplike, just as in CG titanium. It is established that for low-temperature uniaxial compression NS titanium fractures as a result of unstable plastic shear accompanied by local adiabatic heating of the material. This phenomenon is not characteristic of CG titanium. A study of the morphology of the shear-fracture surfaces using a scanning electron microsope shows a characteristic “vein” pattern, attesting to local heating at temperatures ≥ 800 ° C . It is established that plastic deformation in NS titanium is thermally activated at low temperatures. It is shown that microstructural internal stresses due to thermal anisotropy and possible microtwinning affect the yield stress.

Вивчено низькотемпературну пластичність та руйнування полікристалів крупнозернистого (КЗ) і наноструктурного (НС) титану технічної чистоти двох структурних мо- дифікацій з розміром зерна 0,3 і 0,1 мкм, виготовлених методом рівноканального вуглового пресування (РКВП) з додатковою термомеханічною обробкою. Вимірювання проведено при температурах 300, 77 та 4,2 К у режимі одноосьового стискування при швидкості деформування 4×10⁻⁴ c⁻¹ . Одержано криві зміцнення «напруження пластична деформація», виміряно макроскопічну границю плинності та ресурс пластичності для зразків з орієнтаціями осі стиснення вздовж і поперек осі РКВП. Виявлено зростання границі плинності у 1,5 2 рази при переході від КЗ до НС титану і при охолодженні від 300 до 4,2 К. Спостережено також анізотропію пластичності НС титану зростання границі плинності в 1,2 1,5 разiв при переході від орієнтації осі стиснення вздовж до орієнтації поперек осi РКВП. Ресурс пластичності при таких змінах структури зразків та умов експерименту систематично зменшується, однак деформація до руйнування залишається вище ніж 4 %. На- ноструктурний титан не виявляв холодноламкості впритул до температури рідкого гелію, але при 4,2 К пластична плинність набувала стрибкоподібного характеру, як і у КЗ титані. Встановлено, що при низькотемпературному одноосьовому стискуванні відбувається руйнування НС титану як наслідок нестійкого пластичного зсуву, котрий супроводжується локальним адіабатичним розігрівом матеріалу. Таке явище не властиво КЗ титану. Вивчення морфології поверхні зсувного руйнування за допомогою сканіруючого електронного мікроскопа виявило характерний «венний» візерунок, який свідчить про локальний розiгрів при температурi ≥ 800 ° C. Виявлено термічно активований характер пластичної де- формації НС титану при низьких температурах. Показано вплив на величину границі плинності мікроструктурних внутрішніх напружень термічної анізотропії і можливого мікродвійникування.