Эволюция в пространстве и во времени деформационных полей в поверхностном слое в области сварного шва титанового сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии

При изготовлении современных конструкций и механизмов часто используют соединения элементов при помощи сварки [1]. В настоящее время очень актуальны исследования сварных соединений металлов и сплавов в нано- и субмикрокристаллическом состояниях, однако таких работ не много [2]. Следует отметить, что подобные сплавы образуют своеобразные структурно-фазовые состояния в области сварного шва [2], что находит отражение в механических свойствах сварных швов в сплавах в нано- и субмикрокристаллическом состояниях.

Целью настоящей работы явилось исследование распределения деформационных полей в области сварного шва, полученного электронно-лучевой сваркой, при деформации растяжением титанового сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии.

Методика проведения эксперимента

Испытание образцов на растяжение осуществлялось на испытательной машине «INSTRON 3386» с максимальным растягивающим усилием 100 кН (10,19 тс). Деформирование проводилось с постоянной скоростью 80 c-1. Для определения эволюции распределения деформаций в приповерхностных слоях образца использовалась оптическая измерительная система Vic-3D [3].

Титан субмикрокристаллического строения был приготовлен путем многократного одноосного прессования ( abc -прессование) в сочетании с прокаткой. Описание спекл-картины на поверхности образцов приведено в [2].

Результаты и обсуждение

На рис. 1 приведена деформационная кривая в координатах «напряжение -относительная деформация» (σ = f(ε)), полученная при растяжении образца из титанового сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии. Представленная на рис. 1 деформационная кривая совпадает с растяжении образца из титанового сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии. Деформационная кривая совпадает с приведенными в литературе кривыми [4]. На зависимости σ = f(ε) (рис. 1, кривая А) можно выделить ряд стадий. Упругая стадия I имеет линейный характер σ = Еε (Е - модуль нормальной упругости). Далее следует стадия II, которая соответствует переходу от упругой деформации к пластической. Стадия III соответствует пластической деформации сплава. На этой стадии ко- эффициент деформационного упрочнения имеет невысокие значения, характерные для титановых сплавов [4].

На рис. 2 представлены картины распределения деформационных полей на приповерхностном слое пластины сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии со сварным швом на разных стадиях деформационной зависимости с = f( s ) (кривая Б , рис. 1б). Анализ картин распределения деформационных полей на приповерхностных слоях образца на стадии I при растяжении позволил выявить ряд интересных особенностей.

Рис. 1. Диаграммы деформирования титанового сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии: а - исходный образец; б - в увеличенном масштабе деформационные кривые исходного образца (кривая А ) и образца со сварным швом ( Б ). Цифры соответствуют положению картин деформационных структур на кривой Б рис. 2. I - стадия упругой деформации; II - переходная стадия; III - стадия пластической деформации

Во-первых, на начальном этапе на I стадии в районе сварного шва наблюдаются два локализованных участка с отрицательными значениями упругой деформации (рис. 1б, точка 1 и рис. 2, картина 1). Тогда как, по всей поверхности образца вдали от сварного шва наблюдаются хаотически расположенные очаги с положительными, отрицательными и нулевыми значениями деформации. В этих локальных очагах значения деформации соответствуют упругой стадии.

Во-вторых, с дальнейшим увеличением приложенного растягивающего напряжения в пределах стадии I (переход из точки 1 в точку 2 на деформационной кривой, рис. 1б), две макроскопические локальные области в районе сварного шва с отрицательными значениями сливаются в одну протяженную область с положительным значением деформации. Причем, в районе сварного шва деформационная область имеет более низкие значения, чем на поверхности образца вдали от сварного шва. При этом макроскопические по своим размерам очаги пластической деформаций и локальные упругодеформированные участки, которые наблюдались на картине 1 (рис. 2), трансформируются на основной части поверхности образца в микроскопические очаги с более высокими значениями деформации (картина 2 на рис. 2).

Рис. 2. Картины распределений вертикальных относительных деформаций на поверхности образца со сварным швом сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии. Цифры на диаграмме рис. 1 соответствуют деформационно-напряженным состояниям образца

В-третьих, переход на деформационной кривой от стадии I к стадии II (точки 3 и 4 на кривой Б , рис. 1 б ) сопровождается появлением в районе сварного шва очагов пластической деформации с высокими значениями деформации, которые в 3 - 4 раза превышают значения на поверхности образца вне сварном шве (картины 3 и 4 на рис. 2).

В-четвертых, пластическая деформация на III стадии на кривой σ =f( ε ) проявляется в увеличении более чем на порядок пластической деформации в локальной области сварного шва относительно деформации по поверхности образца вне его (картины 5 и 6 на рис. 2).

Таким образом, при помощи оригинальной цифровой оптической системы Vic-3D получены уникальные данные по эволюции в пространстве и во времени деформационных полей в приповерхностном слое сплава ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии при растяжении образца со сварным швом, полученным электронно-лучевой сваркой. Установлено, что при растяжении образца в районе сварного шва на начальной стадии в области упругой деформации образуются локализованные очаги деформации с отрицательными значениями упругой деформации.