Structural and phase transformations and crystallographic texture in industrial Ti–6Al–4V alloy with globular morphology of α-phase grains: plate’s transverse section perpendicular to rolling direction

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The microtexture and microstructure of the industrial Ti–6Al–4V alloy almost in the single-phase α state, obtained using the thermomechanical treatment including the hot rolling, are studied by the X-ray diffraction analysis method and optical and transmission and scanning electron microscopy. It is established that the layered fine-grained microstructure in the cross section of the plate perpendicular to the rolling direction is characterized by selection of equiaxed globular α grains that obey Burgers orientation relationships and twinning orientations. The revealed distributions of α grains over dimensions and crystallographic orientations in the plate’s cross section are related to the peculiarities of distributions established for the plane of plate rolling. The structural mechanisms of generating the microtexture regions in the alloy are discussed.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, низкая плотность, высокая удельная и усталостная прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость определяют привлекательность и нарастающее использование в последние 60 лет легких титановых сплавов в авиакосмической технике и на транспорте [1–3]. Формирование микроструктуры, объемной доли, размеров и пространственного распределения гексагональной (ГПУ) α-фазы глобулярной или пластинчатой морфологии в β (ОЦК)-матрице объемных титановых сплавов обеспечиваются термическими (ТО) и термомеханическими (ТМО) обработками [3–6]. ТМО с применением горячей прокатки особенно благоприятна с учетом эффекта сверхпластичности, проявляемого в титановых сплавах с β→α-полиморфным превращением (ПП) при повышенных температурах [7, 8]. Данные титановые сплавы характеризуются низкими уровнями упругих свойств (модулей Юнга и сдвига поликристаллов и упругих констант монокристаллов) и их аномальным уменьшением в ряде сплавов при охлаждении, а как следствие, снижением термодинамической и механической устойчивости решетки β-фазы при пониженных температурах [3–5]. При закалке эти сплавы испытывают бездиффузионное мартенситное β→α′-превращение, а в процессе ТО или ТМО при температуре ниже ТПП-диффузионно-контролируемое β→α-ПП с образованием α-фазы пластинчатой [9–11] или глобулярной морфологии [7, 8, 12–13]. При этом сплавы титана отличаются гигантским анизотропным термическим расширением α-фазы [14]. Как известно, для α-фазы пластинчатой морфологии выполняются ориентационные соотношения (о.с.) Бюргерса [3–5, 9, 10], но для глобулярной α-фазы, часто называемой первичной, о.с. не установлены.

Широко используемые в газотурбинных двигателях (ГТД) детали и узлы, изготовленные из сплавов титана, испытывают при эксплуатации вращение и вибрации и должны иметь высокую усталостную прочность [15–19]. Длительность циклических нагрузок в ГТД может достигать более 85% времени эксплуатации сплавов [12]. При выдержке под нагрузкой, моделирующей циклические режимы при авиационном взлете, как и в реальных условиях полета, в титановых сплавах развивается необычное явление, известное как “холодная усталость при выдержке” (cold dwell fatigue) [15–20]. К резкому сокращению долговечности приводит преждевременное зарождение и рост так называемых фасеточных трещин [20–23]. Им предшествуют особые микротекстурные области (МТО), трансформирующиеся в макрозоны при усталостных испытаниях или, возможно, даже ранее присутствовавшие в исходном состоянии [24–26]. Достаточно подробное изучение влияния деформации при различных температурах на структуру и текстуру, а также на эволюцию МТО при усталостных испытаниях было выполнено на промышленном сплаве Ti–6Al–4V (мас.%) [11–13, 27–31]. В качестве МТО рассматривают кластеры несвязанных соседних (или соприкасающихся) зерен α-фазы с близкой или подобной ориентацией или одно зерно, протяженностью вплоть до нескольких миллиметров. МТО могут отличаться возможностью как “легкого”, так и “жесткого” скольжения, присущей ГПУ-решетке. Однако причины появления МТО до сих пор остаются не выясненными [25].

Понимание природы и закономерностей формирования микроструктуры и текстуры, в том числе МТО, зарождения и роста трещин, образующихся при испытаниях на малоцикловую усталость (МЦУ) с выдержкой или без нее в титановых сплавах является важной задачей. Кроме того, разработка методов аттестации и контроля микроструктуры и текстуры в условиях производства и эксплуатации ГТД становится необходимой для оценки ресурса их безопасного использования. Очевидно также, что современное моделирование механического поведения титановых сплавов при МЦУ (и особенно с выдержкой) должно учитывать микроструктурные аспекты зарождения и кинетики роста новой фазы, как и эволюции микроструктурных дефектов, наряду с макроскопическим феноменологическим описанием процессов пластичности и разрушения [30–33].

Целью данной работы — продолжение комплексного анализа микроструктуры и текстуры исходного промышленного титанового сплава Ti–6Al–4V в трех проекциях — продольной плоскости прокатки [34] и двух поперечных сечениях (вдоль и поперек направления прокатки в плиту).

Неблагоприятный эффект анизотропной внутризеренной пакетно-пластинчатой морфологии α-фазы удалось исключить за счет специально разработанной ТМО, обеспечивающей получение в сплаве доминирующей глобулярной мелкозернистой (МЗ) структуры α-фазы. Средний размер зерен в МЗ-структуре, зафиксированной в плоскости прокатки, составил 12 мкм, а объем остаточной β-фазы стал менее 5 мас.% [31, 34]. Было обнаружено, что в плоскости прокатки взаимная кристаллографическая ориентация α-зерен и их текстура преимущественно определяются отбором кристаллов α-фазы по о.с. Бюргерса: {110}β||(0001)α; <11¯1>β||[112¯0]α, а также механическим двойникованием. Это оказалось возможным за счет действия механизма гетерогенного ориентированного зарождения и последующего роста α-зерен путем глобуляризации в деформируемой β-матрице. Важно, что горячая прокатка при температурах ниже TПП, обеспечивая нарастание степени пластической деформации, привела к интегральному повышению на порядок разориентации зерен α-фазы до 10°–15° для каждой группы зерен близких ориентировок, соответствующих одному из о.с. Бюргерса. Но, кроме того, были выявлены специфические, вытянутые вдоль и поперек направления прокатки прекурсоры (или зародыши) МТО, в которых индивидуальные α-зерна выделены общими о.с. Бюргерса, в результате чего кристаллографически идентичные плоскости почти параллельны. Количество таких МТО не превысило 10 на 1 мм2, но их протяженность варьировалась в широких пределах (от десятков до нескольких сотен микрометров). Зародыши МТО морфологически несовершенны и индивидуально обособлены межкристаллитными границами и встроенными α-зернами иных ориентаций.

Для получения достоверных результатов по всему 3D-объему изучаемых материалов, очевидно, необходимы систематические исследования образцов не только, например, в плоскости прокатки, но и в других, в данном случае поперечных сечениях плиты. В настоящей статье комплексное изучение текстуры, микроструктуры и фазового состава сплава было продолжено на образцах сплава в поперечном сечении, обозначенном как (RD), объемной плиты, перпендикулярном направлению прокатки RD. Материал и методы исследования подробно описаны в [34].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 1 приведена типичная дифрактограмма, полученная с помощью θ/2θ-рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА), которая в меньших углах дифракции 2θ содержит наиболее интенсивные брэгговские отражения 0002, 101¯1 и 101¯0 α-фазы, демонстрируя выраженную текстуру кристаллографических ориентаций α-зерен в сечении (RD), поперечном плоскости прокатки. α-фаза является ключевой фазовой составляющей в плите изучаемого сплава. Малый по интенсивности и практически единственный рефлекс исходной β-фазы 110 в виде “наплыва” на соседний рефлекс 101¯1 α-фазы позволяет сделать вывод, что количество остаточной β-фазы выявляется на пределе разрешения метода и не превышает 3–5 мас.% (рис. 1).

 

Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма, полученная в сечении, поперечном плоскости прокатки (RD) и перпендикулярном направлению прокатки RD, плиты сплава Ti–6Al–4V и штрихдиаграммы рефлексов α- и β-фаз.

 

По данным РСФА кристаллографическая текстура α-зерен в поперечном сечении (RD) имеет две основные компоненты: базисную {0001} пирамидальную {101¯1} и с меньшей долей, чем для плоскости прокатки [34], призматическую {101¯0}. По качественной оценке при учете факторов повторяемости, различных при дифракции для данных атомных плоскостей, заметно преобладают α-зерна с базисными и пирамидальными плоскостями, параллельными изучаемому поперечному сечению (RD) плиты.

Микроструктурный анализ в данном поперечном сечении (RD) плиты сплава был выполнен как ранее для плоскости прокатки (ND) [34], используя различные методические возможности современной оптической металлографии (ОМ), растровой (РЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии. На рис. 2 представлены ОМ- (рис. 2а) и РЭМ- (рис. 2в) изображения (РЭМ в режиме вторичных электронов SE). ОМ-изображение равноосной МЗ α-фазы приведено в цветовой кодировке, соответствующей цветам столбцов гистограммы распределения по размерам (рис. 2а, б). По РЭМ SE-данным кристаллиты α-фазы также имеют практически равноосную глобулярную форму со средним размером, близким 12 мкм. МЗ-структура характеризуется узким распределением α-зерен по размерам, (ширина распределения не превышает величины двух средних размеров зерен при анализе площади 1 мм2) (рис. 2г). При съемке РЭМ SE-изображений с большей на порядок площади образцов были также выявлены редко расположенные более крупные α-зерна (рис. 2д). Наконец, при анализе РЭМ-изображений на рис. 2в визуально обнаруживается тенденция к формированию планарной слоистой морфологии α-зерен в направлении, параллельном TD, которое является нормалью к RD и ND.

 

Рис. 2. ОМ- (а) и РЭМ SE-изображения (в) структуры сплава в поперечном сечении (RD) плиты и гистограммы распределения α-зерен по размерам (б, г, д). Указано направление TD, перпендикулярное нормали к плоскости прокатки (ND) и RD, как и на других представленных РЭМ-изображениях (рис. 5–8).

 

Ориентационная РЭМ (ОРЭМ) по методу дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ) позволила выполнить количественный анализ степени взаимной угловой кристаллографической разориентации α-зерен в сплаве, представленный, например, на рис. 3а соответствующей гистограммой частоты их встречаемости по угловой разориентации. Из рис. 3а следует, что гистограмму отличает немонотонное распределение ориентаций α-зерен в поперечном сечении (RD) плиты. Как отмечалось, пластинчатые кристаллиты α-фазы связаны с β-матрицей о.с. Бюргерса [3–5, 9–10]. Известно также, что при ТМО в широком интервале температур титан и его сплавы наряду со скольжением дислокаций как в β, так и в α-фазах, способны испытывать механическое двойникование по различным кристаллографическим системам [35]. Нами модельный расчет гистограмм разориентаций, представленных на рис. 3б, а также на рис. 10б для плоскости прокатки в работе [34], был основан на использовании функции Гаусса для описания спектров частоты встречаемости α-зерен по углам разориентации, отвечающих, во-первых, о.с. Бюргерса и, во-вторых, двойникам в α-фазе [10, 34, 35]. Видно, что имеет место хорошее количественное совпадение данных, полученных экспериментально методом ДОРЭ и расчетным моделированием пиков угловой разориентации. Это доказывает, что и в поперечном сечении (RD) в исследуемой плите сплава, подвергнутого ТМО, кристаллиты глобулярной α-фазы отличаются ориентационной взаимосвязью, определяемой о.с. Бюргерса и двойниковым соответствием друг с другом. Различие экспериментального и расчетного спектров встречаемости выявляет некоторое распределение по углу разориентации кристаллитов произвольно ориентированной α-фазы. Можно заключить, что при ТМО, включающей горячую прокатку, особая роль реализации о.с. Бюргерса и двойникования связана не только собственно с механизмом ориентированного зарождения и роста кристаллитов α-фазы, но и с действующими аккомодационными процессами, в том числе за счет имеющих место взаимных комбинаций двойников, характеризующихся разными углами разориентации 35° и 85° или 57°, 64° и 77° (отличающихся растяжением или сжатием вдоль оси с соответственно) [34, 35]. Более детальный количественный анализ особенностей углового распределения ориентаций α-зерен на гистограммах, полученных в плоскости прокатки (ND) и поперечных сечениях (RD иTD), будет выполнен в другой работе.

 

Рис. 3. Экспериментальная (а) и расчетные (б) гистограммы распределения угла разориентации α-кристаллитов в поперечном сечении (RD) плиты сплава Ti–6Al–4V. Сплошная линия черного цвета соответствует экспериментальной гистограмме, жирная сплошная линия красного цвета — суммарной функции Гаусса, состоящей из функций Гаусса для о.с. Бюргерса (сплошные тонкие линии) и для двойниковых ориентаций (пунктирные линии).

 

ОРЭМ через построение ДОРЭ-карт в углах Эйлера более отчетливо, чем метод SE, выявляет в поперечном сечении (RD) планарное слоистое расположение α-зерен параллельно плоскости прокатки (ср. рис. 2в и 4). Но более важно, что метод ДОРЭ позволяет определить характер изменения разориентаций кристаллитов, как видно на изображении микроструктуры, приведенном на рис. 4. Основное преимущество способа кодирующей окраски шкалы Эйлера (на вставке к рис. 4а) и на цветовой диаграмме Родригеса–Франка (рис. 4б) заключается в возможности сопоставить внутреннюю систему координат, привязанную к кристаллиту, с внешней системой координат, определяющей положение шлифа на рабочем столике в РЭМ и задающей разориентировку микрокристаллитов по цвету или даже по расчету угла между вектором в кристалле и нормалью Z||RD. На рис. 4а отчетливо виден полосовой слоистый характер микроструктуры в сечении (RD), слои направлены по TD, в отличие от микроструктуры в плоскости прокатки плиты (ND), где цветовое полосовое слоистое распределение по разориентациям слабо выражено, указывая на случайный характер взаимных разориентировок зерен α-фазы [34].

 

Рис. 4. ДОРЭ-карта в углах Эйлера (a), цветовая шкала углов Эйлера (на вставке к рисунку а) и цветовая диаграмма Родригеса–Франка разворотов α-кристаллитов в зависимости от углов Эйлера (б) в поперечном сечении (RD) плиты сплава Ti–6Al–4V.

 

На рис. 5 представлены ДОРЭ-карты в другой модификации: в виде карт распределения α-зерен по кристаллографическим ориентациям, в том числе в виде увеличенных фрагментов ДОРЭ-карты (рис. 5б–г). Совпадение цвета различных α-зерен на ДОРЭ-картах (рис. 5), определяемого стандартным треугольником обратной полюсной фигуры (ОПФ), и совпадение проекций элементарной ячейки α-ГПУ фазы характеризуют близость кристаллографической ориентации данных зерен. Видно, что доминируют более широкие слои близко ориентированных вдоль TD α-зерен с красно-розовой окраской (с полюсами ОПФ, близкими 0001 и 011¯1). Но есть и короткие цепочки зерен одного цвета, которые имеют синюю (полюс 011¯0) или зеленую (полюс 1¯21¯0) цветовые кодировки на ОПФ. Все они отвечают, соответственно, базисной, пирамидальной и призматической плоскостям, которые параллельны плоскости поперечного сечения (RD). Установлено, что при размерной близости α-зерен в плоскости прокатки (ND) и поперечном сечении (RD) их распределение по кристаллографическим ориентациям, определяющее текстуру, принципиально отличается [34].

 

Рис. 5. ДОРЭ-карты в цветах ОПФ (а, б), увеличенные фрагменты с обозначением ориентации цветом и проекциями элементарной ячейки α-фазы (в, г), полученные с поперечного сечения (RD) плиты сплава Ti–6Al–4V, а также стандартный стереографический треугольник ОПФ ГПУ α-фазы.

 

Рис. 6 представляет другой вариант ДОРЭ-карт — распределение зерен по размерам и их границ по углам разориентации. Здесь изображаются распознаваемые программой как целое зерно большие области мелких равноосных α-зерен, которые выделены общим (зеленым или оранжевым) цветом в группе (или кластере) по наличию между ними границ малоугловой разориентации (2–15°). Слева под рисунком отдельным цветом кодируются интервалы большеугловых разориентаций в диапазонах углов (15°–58°, 58°–62°, больше 62°). Синим цветом выделен основной массив достаточно произвольно ориентированных α-зерен, не образующих кластеры, диапазон их разоориентации составляют 15°–58° согласно цвету их границ. Планарные направленные вдоль TD крупные кластеры α-зерен, как и в случае микроструктуры в плоскости прокатки [34], скорее попадают под определение зародышей (называемых в литературе прекурсорами, мотиваторами или инициаторами) МТО и еще не являются сплошным “связным” α-зерном. Все-таки внутри кристаллиты индивидуально обособлены не только границами, но и “вставками” α-зерен других ориентаций. Количество таких зародышей МТО невелико (менее 10/мм2). Можно заключить, что сравнительно близко ориентированные α-зерна в пределах МТО для данного поперечного сечения (RD) характеризуются близким направлением оси c||RD и призматической плоскостью “легкого” скольжения вдоль RD, но, напротив, ориентировкой базисной плоскости (0001) в направлении TD (рис. 5, 6). В согласии с [12], такая ориентация базисной плоскости является “жесткой”.

 

Рис. 6. ДОРЭ-карты распределения α-зерен по размерам (a) и ее увеличенные фрагменты зеренно-субзеренной структуры с обозначением угла разориентации на границах различных кристаллитов α-фазы в поперечном сечении (RD) плиты (б–г).

 

На рис. 7 приведены интегральная ДОРЭ-карта (рис. 7а) и прямая полюсная фигура (ППФ) (рис. 7г), на рис. 7б выделены α-зерна только той ориентации, которая представлена полюсом, отвечающим нормали к базисным плоскостям α-фазы на соответствующей частичной ППФ (рис. 7д). Т. е. как и в предыдущем анализе ДОРЭ-карт установлено, что преобладают α-зерна, залегающие базисными плоскостями в поперечном сечении (RD), и, соответственно, им перпендикулярны оси с, параллельные RD. В свою очередь, рис. 7в, е демонстрируют наличие α-зерен с плоскостью, близкой призматической, в поперечном сечении (RD).

 

Рис. 7. ДОРЭ-карты (а, б, в), интегральная карта (а) и соответствующая ей ППФ (г), а также ППФ с одним выделенным полюсом (д, е), которым отвечают ДОРЭ-карты (б, в) в поперечном сечении плиты сплава.

 

На рис. 8 построены типичные стандартные треугольники обратных полюсных фигур в трех ортогональных проекциях (при Z||RD). Они определяют кристаллографические ориентации α-зерен, залегающих в поперечном сечении (RD). Параллельно оси Z в α-зернах преимущественно ориентированы нормали к базисной плоскости (0001), т.е. c||Z, а при условиях анализа вдоль двух других осей X и Y определяется повышенная полюсная плотность нормалей к указанным на ОПФ призматическим плоскостям (011¯0) или (1¯21¯0). На рис. 8 наряду с основными полюсами также присутствуют многочисленные “рассеянные” полюса, кодируемые желто-красным цветом, заполняющим поля всех треугольников ОПФ. Эти полюса получены от статистически произвольно ориентированных α-зерен.

 

Рис. 8. Типичные треугольники ОПФ в трех проекциях для поперечного сечения (Z||RD) плиты сплава.

 

В заключение на рис. 9 показаны карты распределения химических элементов Al, Ti, V, полученные методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС). Как и в случае плоскости прокатки (ND) для поперечного сечения RD подтверждается локальное обогащение ванадием приграничных областей α-зерен шириной до 2 мкм (рис. 9г), в то время как в теле зерен выше концентрация алюминия и титана (рис. 9б, в).

 

Рис. 9. РЭМ-изображение (SE) микроструктуры (а) и карты распределения химических элементов (б — Al, в — Ti, г — V) в поперечном сечении образца (RD). Карты получены методом ЭДС в характеристическом излучении Ka.

 

Наконец, светло- и темнопольное ПЭМ-изображения иллюстрируют пакетную морфологию расположенных параллельно тонких двойниковых по плоскости {101¯1} α-пластин (рис. 10а, б), а также дислокационное скопление у границы α-зерен (рис. 10г). Отвечающая двойниковой структуре микроэлектронограмма в плоскости обратной решетки (301) приведена на рис. 10в. В соответствии с ней на рисунке 10а даны результаты следового ориентационного анализа. Дополнительные рефлексы от двойников на микроэлектронограмме не обнаружены, но есть закономерно размытые вдоль одного направления рефлексы a-матрицы.

 

Рис. 10. Cветло- (а, г) и темнопольное (б–в рефлексе 113¯) ПЭМ-изображения двойников типа K1||(101¯1) в α-фазе, соответствующая микроэлектронограмма в плоскости обратной решетки (301) (в) и изображение дислокационной субструктуры (г) в поперечном сечении плиты сплава. На вставке к рис. 10а приведен увеличенный фрагмент с изображением тонких двойников. К1 — плоскость двойникования.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные в работе на поперечном сечении образца, прокатанного сплава Ti–6Al–4V, экспериментальные результаты по изучению МТО в целом не противоречат данным, установленным ранее в плоскости прокатки [34], но выявляют и ряд важных особенностей. Как и в плоскости прокатки обнаружено наличие о.с. Бюргерса и двойниковых ориентаций в α-зернах. Заметное рассеяние кристаллографических ориентировок α-зерен, очевидно, обусловлено механизмами гетерогенного ориентированного зарождения и последующего роста α-зерен в β-матрице, их конкурентной динамической глобуляризации в условиях развивающейся пластической деформации при горячей прокатке в процессе ТМО. Как следствие ТМО, осуществляется процесс необходимого формоизменения в плиту. При этом практически исчезает остаточная β-матрица (<5 мас.%), трансформируясь в МЗ равноосную α-фазу. Можно предположить, что появление α-зерен с произвольными ориентациями, отличающимися от о.с. Бюргерса и двойниковых ориентаций, является следствием динамической рекристаллизации при ТМО.

Отметим, что по всей толщине плиты параллельно плоскости прокатки формируется слоистая микроструктура α-зерен, выделяющаяся специфической кристаллографической текстурой. Слоисто-глобулярная кристаллографическая текстура α-сплава после ТМО содержит также микроскопические текстурные кластеры α-зерен, являющиеся зародышами МТО, вытянутые в поперечном (RD) сечении по TD. Таким образом, особый слоистый характер кристаллографической текстуры α-зерен принципиально отличает структуру сплава в поперечном сечении плиты от микроструктуры и текстуры в плоскости прокатки (ND) [34].

ВЫВОДЫ

Анализ результатов, полученных на образцах в поперечном сечении (RD) по всей глубине плиты промышленного сплава Ti–6Al–4V, позволяет сделать следующие основные выводы:

  1. ТМО, выполненная с использованием многопроходной горячей прокатки при температурах ниже Тпп, обеспечивает во всей плите почти полное β→α ПП с образованием практически равноосных однородных по размерам зерен α-фазы.
  2. Как и в случае исследований, в плоскости прокатки (ND) в поперечном сечении (RD) образца сплава после ТМО средний размер зерен составляет 12 мкм, и реализуются взаимные кристаллографические ориентации глобулярных кристаллитов-зерен α-фазы в соответствии с о.с. Бюргерса: {110}β||(0001)α, <111>β||[112¯0]α и двойниковыми ориентациями.
  3. Для поперечного сечения (RD) также типичным является значительное рассеяние (до 10°–15°) кристаллографических ориентаций α-зерен, вызванное ТМО, в каждой группе выделенных кристаллографических ориентировок.
  4. Микроструктура в поперечном сечении (RD) является слоистой по отношению к микроструктуре в плоскости прокатки (с толщиной слоя в десятки α-зерен). В пределах чередующихся слоев α-зерна ориентационно выделены в локализованные области, которые в плоскости (RD) направлены вдоль TD. При этом данной плоскости параллельны кристаллографические плоскости зерен α-фазы базисная {0001}, призматическая {101¯0} или пирамидальная {101¯1} (входящие в о.с. Бюргерса).
  5. В слоистой микроструктуре из α-зерен присутствуют также специфические вытянутые поперек направления прокатки по TD кластеры (или зародыши) МТО (не более 10/мм2), выделенные общими о.с. Бюргерса. Планарные МТО, как правило, не являются “связными” цельными протяженными α-зернами, а, напротив, кристаллиты в них индивидуально разделены малоугловыми границами и встречающимися зернами других ориентаций.
  6. По глубине поперечного сечения (RD) сохраняется высокая локализация атомов ванадия в окрестностях границ α-зерен, сопровождаемая обеднением ванадием самих зерен и, соответственно, обогащением на несколько атомных процентов титаном и, особенно, алюминием.

Работа выполнена в рамках Госзадания (шифр “Структура”) Г.р. № 122021000033-2 ИФМ УрО РАН научными сотрудниками ИФМ УрО РАН с использованием научного оборудования отдела электронной микроскопии ЦКП ИФМ УрО РАН и при поддержке РНФ № 21-79-30041 “Закономерности критичности в материалах с дефектами, разработка подходов по мониторингу и прогнозированию ресурса при широкодиапазонном силовом и энергетическом воздействии (приложения в авиационном моторостроении)”. В рамках РНФ были поставлены и сформулированы цели и задачи исследования, изготовлен сплав в однофазном мелкозернистом состоянии α-фазы методом ТМО, проведено металлографическое изучение и комплексное обсуждение всех полученных в работе результатов.

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

About the authors

V. G. Pushin

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108; Perm, 614013

D. Yu. Rasposienko

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

Yu. N. Gornostyrev

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108; Perm, 614013

N. N. Kuranova

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

V. V. Makarov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

A. E. Svirid

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

O. B. Naimark

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Perm, 614013

A. N. Balakhnin

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Perm, 614013

V. A. Oborin

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pushin@imp.uran.ru
Russian Federation, Perm, 614013

References

  1. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Мир, 1979. 512 с.
  2. Полькин И.С. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов. М.: Металлургия, 1984. 96 с.
  3. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. 304 с.
  4. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 368 с.
  5. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС, 2009. 520 с.
  6. Banerjee D., Williams J.C. Perspectives of titanium science and technology // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 844–879.
  7. Mosheh A.O., Mikhaylovskaya A.V., Kotov A.D., Kwame J.S., Aksenov S.A. Superplasticity of Ti-6Al-4V titanium alloy: macrostructure evolution and constitutive modelling // Materials. 2019. V. 12. P. 1756.
  8. Котов А.Д., Михайловская А.В., Мослех А.О., Пурсело Т.П., Просвиряков А.С., Портной В.К. Сверхпластичность ультрамелкозернистого титанового сплава Ti-4% Al-1% V-3% Mo // ФММ. 2019. Т. 120. № 1. С. 63–72.
  9. Bohemen S.M.C., Kamp A., Petrov R.N., Kestens L.A.I., Sietsma J. Nucleation and variant selection of secondary α-plates in β Ti alloy // Acta Mater. 2008. V. 56. P. 5907–5914.
  10. Glavicic M.G.G., Barta B.B.B., Jha S.K.K., Szczepanski C.Y.Y. The origin ofmicrotexture in duplex Ti-alloys // Mater. Sci. Eng. 2009. V. A513–514. P. 325–328.
  11. Warwick J.L.W., Jones N.G., Bantounas I., Preuss M., Dye D. In-situ observation of texture and microstructure evolution during rolling and globularisation on Ti-6Al-4V // Acta Mater. 2013. V. 61. Р. 603–1615.
  12. Tympel P.O., Lindley T.C., Saunders E.A., Dixon M., Dye D. Influence of complex LCF and dwell load regimes on fatigue of Ti-6Al-4V // Acta Mater. 2016. V. 103. P. 77–88.
  13. Modina I.M., Dyakonov G.S., Stotskiy A.G., Yakovleva T.V., Semenova I.P. Effect of the texture of the ultrafine-grained Ti-6Al-4V titanium alloy on impact toughness // Materials. 2023. V. 16. P. 1318.
  14. Bonisch M., Panigrahi A., Stoica M., Calin M., Ahrens E., Zehetbauer M., Skrotzki M., Eckert J. Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys // Nature Comm. 2017. V. 8. P. 1429.
  15. Evans W.J., Gostelow C.R. The effect of hold time on the fatigue properties of a β-processed titanium alloy // Metall. Trans. A. 1979. V. 10. P. 1837–1846.
  16. Evans W.J., Bache M.R. Dwell-sensitive fatigue under biaxial loads in the near-alpha titanium alloy IMI685 // Int. J. Fatig. 1994. V. 16. P. 443–452.
  17. Bache M., Cope M., Davies H., Evans W., Harrison G. Dwell sensitive fatigue in a near alpha titanium alloy at ambient temperature // Int. J. Fatigue. 1997. V. 19(93). P. 83–88.
  18. Bache M.R. A review of dwell sensitive fatigue in titanium alloys: the role of microstructure, texture and operating conditions // Int. J. Fatig. 2003. V. 25. P. 1079–1087.
  19. Sinha V., Mills M.J., Williams J.C. Understanding the contributions of normal-fatigue and static loading to the dwell fatigue in a near-alpha titanium alloy // Metall. Mater. Trans. A. 2004. V. 35. № 10. P. 3141–3148.
  20. Toubal L., Bocher P., Moreau A. Dwell-fatigue life dispersion of a near alpha titanium alloy // Int. J. Fatigue. 2009. V. 31. P. 601–605.
  21. Pilchack A.L. Fatigue crack growth rates in alpha titanium: Faceted vs. striation growth // Scripta Mater. 2013. V. 68. P. 277–280.
  22. Pilchack A.L. A simple model to account for the role of microtexture on fatigue and dwell fatigue lifetimes of titanium alloys // Scripta Mater. 2014. V. 74. P. 68–71.
  23. Cuddihy M.A., Stapleton A., Williams S., Dunne F.P.E. On cold dwell facet fatigue in titanium alloy aero-engine components // Int. J. Fatig. 2017. V. 97. P. 177–189.
  24. Xu Y., Joseph S., Karamched P., Fox K., Rugg D., Dunne F.P.E., Dye D. Predicting dwell fatigue life in titanium alloys using modelling and experiment // Nature Comm. 2020. V. 11. P. 5868.
  25. Hu Z., Zhou X., Liu H., Yi D. The formation of microtextured region during thermo-mechanical processing in a near-β titanium alloy Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe // J. All. and Comp. 2021. V. 853. P. 156964.
  26. Rezaei M., Zarei-Hanzaki A., Anousheh A.S., Abedi H.R., Pahlevani F., Hossain R., Sahajwalla V., Berto F. On the damage mechanisms during compressive dwell-fatigue of β-annealed Ti-6242S alloy // Int. J. Fatig. 2021. V. 146. P. 106158.
  27. Britton T.B., Birosca S., Preuss M., Wilkinson A.J. Electron backscatter diffraction study of dislocation content of a macrozone in hot-rolled Ti-6Al-4V alloy // Scr. Mater. 2010. V. 62. № 9. P. 639–642.
  28. Littlewood P.D., Wilkinson A.J. Local deformation patterns in Ti-6Al-4V under tensile, fatigue and dwell fatigue loading // Int. J. Fatigue. 2012. V. 43. P. 111–119.
  29. Kulkarni G., Hiwarkar V., Singh R. Texture evolution of Ti6Al4V during cold deformation // Int. J. Mater. Mechan. Manufacturing. 2019. V. 7. № 6. P. 250–253.
  30. Muth A., John R., Pilchak A., Kalidindi S.R., McDowell D.L. Analysis of Fatigue Indicator Parameters for Ti-6Al-4V microstructures using extreme value statistics in the transition fatigue regime // Int. J. Fatigue. 2021. V. 153. P. 106441.
  31. Oborin V., Balakhnin A., Naimark O., Gornostyrev Y., Pushin V., Kuranova N., Rasposienko D., Svirid A., Uksusnikov A., Inozemtsev A., Gabov I. Damage-failure transition in titanium alloy Ti-6Al-4V under dwell fatigue loads // Fratturaed Integrità Strutturale. 2024. V. 18. № 67. P. 217–230.
  32. Naimark O., Bayandin Yu., Uvarov S., Bannikova I., Saveleva N. Critical Dynamics of Damage-Failure Transition in Wide Range of Load Intensity // Acta Mechanica. 2021. V. 232. P. 1943–1959.
  33. Naimark O., Oborin V., Bannikov M., Ledon D. Critical Dynamics of Defects and Mechanisms of Damage-Failure Transitions in Fatigue // Materials. 2021. V. 14. № 10. P. 2554.
  34. Пушин В.Г., Распосиенко Д.Ю., Горностырев Ю.Н., Куранова Н.Н., Макаров В.В., Марченкова Е.Б., Свирид А.Э., Наймарк О.Б., Балахнин А.Н., Оборин В.А. Cтруктурно-фазовые превращения и кристаллографическая текстура в промышленном сплаве Ti-6Al-4V с глобулярной морфологией зерен α-фазы. Плоскость прокатки // ФММ. 2024. Т. 125. № 6. С. 686–698.
  35. Laine S. The role of twinning deformation of α-phase titanium. Cambridge: University of Cambridge, 2017. 224 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. X-ray diffraction pattern obtained in a section transverse to the rolling plane (RD) and perpendicular to the rolling direction RD of a Ti–6Al–4V alloy plate and line diagrams of α- and β-phase reflexes.

Download (4KB)
3. Fig. 2. OM (a) and SEM SE images (c) of the alloy structure in the cross section (RD) of the plate and histograms of the α-grain size distribution (b, d, e). The direction TD, perpendicular to the normal to the rolling plane (ND) and RD are indicated, as in the other presented SEM images (Figs. 5–8).

Download (135KB)
4. Fig. 3. Experimental (a) and calculated (b) histograms of the distribution of the angle of misorientation of α-crystallites in the cross section (RD) of the Ti–6Al–4V alloy plate. The solid black line corresponds to the experimental histogram, the thick solid red line corresponds to the total Gaussian function, consisting of the Gaussian functions for the Burgers OS (solid thin lines) and for twin orientations (dashed lines).

Download (35KB)
5. Fig. 4. DORE map in Euler angles (a), color scale of Euler angles (in the inset to Fig. a) and Rodriguez–Frank color diagram of α-crystallite rotations depending on Euler angles (b) in the cross section (RD) of a Ti–6Al–4V alloy plate.

Download (126KB)
6. Fig. 5. DOES maps in OPF colors (a, b), enlarged fragments with orientation indicated by color and projections of the unit cell of the α-phase (c, d), obtained from the cross section (RD) of the Ti–6Al–4V alloy plate, as well as the standard stereographic triangle of the OPF of the hcp α-phase.

Download (219KB)
7. Fig. 6. DOE maps of the α-grain size distribution (a) and its enlarged fragments of the grain-subgrain structure with the designation of the misorientation angle at the boundaries of different α-phase crystallites in the cross-section (RD) of the plate (b–d).

Download (128KB)
8. Fig. 7. DOES maps (a, b, c), integral map (a) and the corresponding PPF (g), as well as PPF with one isolated pole (d, e), which correspond to DOES maps (b, c) in the cross-section of the alloy plate.

Download (100KB)
9. Fig. 8. Typical triangles of the OPF in three projections for the cross-section (Z||RD) of the alloy plate.

Download (20KB)
10. Fig. 9. SEM image (SE) of the microstructure (a) and maps of the distribution of chemical elements (b — Al, c — Ti, d — V) in the cross section of the sample (RD). The maps were obtained by the EDS method in characteristic Ka radiation.

Download (96KB)
11. Fig. 10. Light- (a, d) and dark-field (b–c reflection 1) TEM images of twins of the K1||(101) type in the α-phase, the corresponding microelectron diffraction pattern in the reciprocal lattice plane (301) (c) and an image of the dislocation substructure (d) in the cross-section of the alloy plate. The inset to Fig. 10a shows an enlarged fragment with an image of thin twins. K1 is the twinning plane.

Download (49KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».