Влияние параметров ионного облучения на усталостную прочность псевдо-α-титановых сплавов

• Автор: Быков, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Глава 1. Ионная имплантация, как метод поверхностного упрочнения металлов. (Обзор)

1.1. Разрушение металлов

1.1.1. Модели зарождение микротрещин

1.1.2. Усталостное разрушение материалов

1.1.3. Методы повышения усталостной прочности

1.2. Ионная имплантация в металлы

1.2.1. Взаимодействие внедряемых ионов и твердого тела

1.2.2. Распыление и радиационно-индуцированная сегрегация

1.2.3. Применение метода ионной имплантации для изменения эксплуатационных свойств металлических изделий

1.3. Титан и его сплавы

1.3.1. Кристаллическая структура титана

1.3.2. Влияние легирующих примесей на характеристики титановых сплавов
1.3.3. Псевдо-а-титановые сплавы
1.4. Выводы
Глава 2. Образцы, способы обработки и методы исследования
2.1. Ионный ускоритель ИЛУ с сепарацией ионов по массе
2.2. Микротвердость и способ её измерения
2.3. Стенд для испытания на усталостную прочность
2.3.1. Расчет максимального напряжения по сечению образца
*2.4. Вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС)
2.4.1. Применение ВИМС для исследования поверхности
2.4.2. Масс-спектрометр МС7201М
2.4.3. Расшифровка масс-спектров и расчет концентраций элементов
2.5. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
2.5.1. Количественный анализ
2.5.2. Экспериментальная техника
2.6. Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
2.7. Образцы
2.8. Выводы
Глава 3. Влияние дозы облучения ионами кремния и аргона на изменение состава поверхностных слоев, топографию поверхности и механических свойств титанового сплава ОТ4-1
3.1. Изменение состава поверхностных слоев
3.2. Изменение морфологии поверхности
3.3. Изменение механических свойств
3.4. Механизм перераспределения компонентов сплава
3.5. Выводы
Глава 4. Влияние плотности тока имплантируемых ионов кремния и аргона на изменение состава поверхностных слоев и механических свойств титанового сплава ОТ4
4.1. Изменение состава поверхностных слоев
4.2. Изменение механических свойств
4.3. Механизм упрочнения
4.4. Выводы
Заключение Список литературы

Актуальность темы. Многие детали, узлы машин и целые конструкции в процессе эксплуатации постоянно подвергаются действию механических нагрузок, много меньших предела текучести материалов, под действием которых с поверхности развиваются трещины, приводящие, в конце концов, к разрушению изделия. Нагрузки можно подразделить на постоянные и переменные (знакопеременные или знакопостоянные). Если действие первых можно приближенно описать математически, то влияние последних не столь очевидно, поскольку усталостное разрушение металлических материалов, т.е. разрушение под действием циклически изменяющихся напряжений возможно при напряжениях как выше, так и ниже макроскопического предела текучести и зависит от ряда факторов: структурного состояния материала, частоты и асимметрии цикла нагружения, масштабного фактора, напряженного состояния, температуры испытания состояния поверхности, среды и т.д. [1]. Проблема усталости возникла более ста лет назад, и с тех пор интерес к ней все увеличивается. Это связано с тем, что многие ответственные детали и целые конструкции работают в условиях повторных нагрузок, и их ресурс целиком определяется циклической прочностью материалов, из которых они выполнены [2, 3]. Вместе с тем уровень циклической прочности, в общем случае, тем больше, чем выше теоретический предел прочности данного материала. Поэтому проблема повышения циклической прочности является частью более общей проблемы повышения характеристики статической прочности и вязкости разрушения материалов в реальных условиях эксплуатации. Это требует в свою очередь дальнейшего изучения природы усталостного разрушения.
За последние десятилетия существенное развитие получили вопросы физической природы усталости: установлен механизм образования и развития усталостных трещин, показаны решающая роль дефектов кристаллической решетки в' упрочнении и разрушении металлов ' и важное значение окислительных процессов в развитии усталости. Эти выводы были получены

Основными достоинствами этих сплавов являются: удовлетворительная технологическая пластичность при различных операциях листовой штамповки; хорошая свариваемость всеми видами сварки, применяемыми для титана; высокая термическая стабильность при длительных нагревах при рабочих температурах, в том числе и под напряжением.
Таблица 3: Химические и механические свойства псевдо-а-титановых ставов [78].
Марка сплава Содержание элементов, масс.% щ ов, МПа сод, МПа 5,% (не менее) 1тах,°С
А1 Мп
ОТ4-0 0,2-1,4 0,2-1,3 0,10 500 - 650 450 - 600 25
ОТ4-1 1,5-2,5 0,7-2,0 0,15 600 - 750 540 - 590 20
ОТ4 3,5 - 5,0 0,8 - 2,0 0,16 700 - 900 630 - 820 15
ВТ4 4,5 - 5,5 1,0-2,0 0,18 800 - 900 700 - 800 10
ОТ4-2 5,5 - 6,7 1,0-2,3 0,20 950- 1230 850- 1120 10
Обозначения: Кр - коэффициент стабилизации Р-фазы; ов - предел прочности; сод -условный предел текучести с допуском по деформации 0,2%; 5 - относительное удлинение; Iтах ~ максимальная рабочая температура.
Эти сплавы обладают умеренными характеристиками прочности и жаропрочности и удовлетворительной пластичностью. При комнатной температуре все сплавы этой группы имеют в основном структуру, состоящую из а-фазы; (3-фаза ввиду малого её количества металлографическим анализом при световых увеличениях не обнаруживается [72]. Температура а+Р<->Р-перехода в сплавах различна и зависит от содержания алюминия, повышающего температуру полиморфного превращения, а также от содержания марганца, который снижает её [72].
Листовые полуфабрикаты и прутки всех перечисленных сплавов имеют мелкозернистую ровноосную структуру. Некоторые полуфабрикаты, особенно больших сечений, имеют, как правило, пластинчатую или неравномерно проработанную структуру, включающие участки с крупным зерном.