Разработка концептуальных основ перехода к использованию новых ультрамелкозернистых металлических материалов повышенной конструктивной прочности

1. Провести анализ имеющихся данных, обобщив сведения о конструктивной прочности, стабильности структуры и закономерностях разрушения при различных видах нагружения УМЗ материалов с различным типом кристаллической решетки (ОЦК, ГЦК и ГПУ), а также опыт их практического использования.
2. Обосновать концепцию повышения комплекса механических свойств и стабильности структуры УМЗ материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решеткой за счет измельчения зерна, оптимизации структурно-фазового состояния и зернограничного дизайна.
3. Изучить комплекс механических и физических свойств, кинетику и механизм разрушения на различном масштабном уровне УМЗ материалов с различным типом кристаллической решетки при однократных и циклическом видах нагружения.
4. Обосновать влияние внешних факторов (температуры, электромагнитных полей, коррозионных сред и т.д.) на стабильность структуры и свойств УМЗ материалов.
5. Изучить изменение структуры и свойств УМЗ материалов в процессе изготовления изделий по цепочке «материал – полуфабрикат (заготовка) – изделие».
6. Разработать и обосновать концептуальный подход к повышению конструкционных свойств и стабильности структуры УМЗ материалов в изделиях и дать рекомендации по практическому использованию полученных результатов.

1.1. Показано, что РК сплава ВТ8М-1 по предложенному режиму формирует глобулярную структуру со средним размером субзерен ?-фазы от 200 до 300 нм. При этом твердость сплава повышается в 1,1 раза, прочностные свойства при растяжении – в 1,2 раза, а пластичность снижается в 1,4 раза. Понижение температуры испытания до -196 0С дополнительно повышает прочностные и незначительно снижает пластические свойства сплава в УМЗ состоянии.

1.2. Результаты усталостных испытаний образцов из сплава ВT8M-1 показали, что при одном и том же размахе нагрузки (?Р) общая долговечность образцов из УМЗ сплава ниже, чем образцов из КЗ сплава. Прямолинейный участок кинетических диаграмм усталостного разрушения сплава ВТ8М-1 аппроксимируется уравнением Пэриса с коэффициентом n, равным для КЗ сплава 3,5, а для УМЗ сплава 3,6. Причем, правый участок кинетических диаграмм сплава в УМЗ состоянии отклоняется от прямой линии. Такое отклонение совпадает с изменением направления распространения усталостной трещины. Авторы связывают данное явление с неоднородностью формирования структуры при РК. Микрорельеф усталостных изломов КЗ и УМЗ сплава состоит из плоских фрагментов, напоминающих чешуйки; встречаются усталостные бороздки.

1.3. Результаты испытания образцов из сплава ВТ8М-1 на статическую трещиностойкость показали, что значение К1С УМЗ сплава, полученного путем РК, в 1,4 раза ниже по сравнению с исходным КЗ состоянием. Микрорельеф статических изломов сплава как в КЗ, так и в УМЗ состоянии состоит из хаотично расположенных сравнительно гладких гребней. Морфология поверхности таких изломов, а также сильная локализация пластической деформации у поверхности изломов при отсутствии утяжки и наличие одной пластической зоны под поверхностью изломов указывают, по мнению авторов, на иной механизм образования таких гребней по сравнению с механизмом образования гребней при ямочном микрорельефе.

1.4. Используя рентгеноструктурный анализ, показано, что степень искаженности кристаллической структуры титанового сплава ВТ8М-1 после РК ниже, чем степень искаженности структуры сплава ВТ6 после РКУП. Рентгеновским методом определена глубина пластических зон под поверхностью изломов образцов из сплавов ВТ8М-1 и ВТ6 в КЗ и УМЗ состоянии, испытанных на К1С. Это позволило сравнить критерии реализации условия плоской деформации (ПД) hmax/t и t/(K1C/?0,2)2 для УМЗ и КЗ материалов с ГПУ решеткой. Впервые показано, что для материалов с ГПУ решеткой, как и для материалов с ГЦК решеткой, условие ПД реализуется при t/(K1С/?0,2)2 ?11. Ранее было показано, что для материалов с ОЦК решеткой условие ПД реализуется при t/(K1С/?0,2)2 ?5. Авторами высказано предположение, что различие в критериях реализации условий ПД в материалах с различным типом кристаллической решетки связано с наличием в материалах с ОЦК решеткой вязко-хрупкого перехода и отсутствием такового в материалах с ГПУ и ГЦК решеткой.

Поскольку в перспективе планируется исследовать структуру и свойства не только заготовок, но и полуфабрикатов и изделий, в качестве задела на данные исследования нами разработан комплект накостных пластин из УМЗ титана, позволяющий варьировать результирующую толщину изделия в зависимости от предполагаемой нагрузки на челюстную кость.

1.5.Подана заявка на полезную модель к патенту. По результатам работы в отчетном году сделаны 3 доклада на международных конференциях, опубликована статья в научном журнале (РИНЦ) и подготовлены 2 статьи к публикации в журналах, цитируемых в системе SCOPUS; подана заявка на полезную модель.