CREEP INTERMETALICKÉ SLITINY TiAl PRI VELMI MALÝCH RYCHLOSTECH DEFORMACE. CREEP OF INTERMETALLIC ALLOY TiAl AT VERY LOW STRAIN RATES

Transkript

1 CREEP INTERMETALICKÉ SLITINY TiAl PRI VELMI MALÝCH RYCHLOSTECH DEFORMACE CREEP OF INTERMETALLIC ALLOY TiAl AT VERY LOW STRAIN RATES Petr Marecek a Luboš Kloc b Jaroslav Fiala a a Faculty of Chemistry, Brno University of Technology, Purkynova 118, CZ-61200, Brno b Institute of Physics of Materials AS CR, Žižkova 22, CZ Brno, Czech Republic Abstrakt Intermetalické slitiny jsou perspektivní materiály pro vysokoteplotní aplikace. Svými vlastnostmi v mnoha ohledech predcí dosud používané žárupevné oceli. Predmetem této práce bylo creepové chování slitiny TiAl pri teplotách C a napetích nižších než 100 MPa. Za techto podmínek je rychlost creepové deformace menší než 10-9 s -1 a práve takové podmínky jsou duležité pro technickou praxi. Výsledky ukazují, že podobne jako u žárupevných ocelí, kde byla pri rychlostech deformace pod s -1 prokázána zmena deformacního mechanismu, intermetalikum TiAl vykazuje pri velmi malých rychlostech deformace prechod k mechanismu s nižším napetovým exponentem. Prechod je však méne výrazný než u ocelí. Abstract Intermetallic alloys are very advanced materials for high-temperature applications. There are series of attractive properties exceed coventional up to now used creep resistance steels. The creep behaviour of TiAl alloy was investigated under an applied stress lower than 100 MPa at temperatures C. The strain rate was lower than 10-9 s -1 under testing conditions, which have importance for technical applications. In relation to results, the creep behavior of intermetallic alloy TiAl shows a transition to a mechanism with low stress exponent in the range of minimum strain rates, similar to creep resistance steels with evidence change of deformation mechanism under strain rate s -1. However, this transition in TiAl alloys is not as clear as in creep resistance steels. 1. ÚVOD V prubehu posledních nekolika let probehl rozsáhlý výzkum v oblasti creepového chování TiAl intermetalických slitin [1]. Predevším duležité jsou experimenty v oblastech teplot v rozsahu 600 C až 900 C a nízkých napetí pod 200 MPa, nebot práve tyto podmínky jsou nejcastejší v technických aplikacích. Procesy a rídící mechanismy ovlivnující creepové chování TiAl jsou stále ješte predmetem výzkumu. TiAl slitiny nachází široké uplatnení v letectví a automobilovém prumyslu. 1

2 2. EXPERIMENT 2.1. Experimentální slitina Tato studie byla provedena se vzorky vyrobenými z odlitku o nominálním složení Ti48Al2CrNbTa (vše v at%, dále jen Ti-48Al). Slitina byla pripravena na katedre slévárenství ÚMI FS VUT indukcním tavením v ochranné atmosfére argonu pri teplote cca 1600 C v korundmullitovém kelímku opatreném zevnitr náterem CaO. Následné lití bylo provedeno do zirkon-molochitové formy v rámu o teplote cca 500 C. Doba chlazení odlitku na pokojovou teplotu nebyla zjištována. Velikost zrna se pohybovala kolem 80 µm Experimentální metoda Vzorky slitiny -TiAl byly testovány na speciální aparature pro torzní namáhání pri velmi malých rychlostech deformace, zkonstruované na Ústavu fyziky materiálu v Brne. Prurez vzorku byl 3,2 3,2 mm a merná délka 80 mm. Namáhání vzorku se provádelo pri zatežovacích napetích 41,6 MPa a 13 MPa po dobu nekolika dní pri teplote 850 C.Pro tento úcel vyvinutý software zpracovával data z detektoru, snímajícího deformacní úhel vzorku. Zarízení vykazuje relativne velmi presné hodnoty i pri velmi nízkých deformacních rychlostech. Maximální napetí u vzorku ctvercového prurezu pusobí v stredové ose stran vzorku [2]. Další experiment se stejným vzorkem byl proveden pri napetí 13 MPa a teplote 750 C. Soucasne s tímto experimentem probíhala tahová zkouška na speciální creepové aparature pri teplote 700 C a napetích 100 MPa a 50 MPa. 3. VÝSLEDKY V nekolika predešlých studiích creepového chování žárupevných ocelí byla prokázána duležitá teplotní závislost napetového exponentu n stejne jako aktivacní energie Q na napetí. Rychlost deformace e závisí na aplikovaném napetí a teplote. Vysoká hodnota aktivacní energie Q a napetového exponentu n potvrzují, že v oblasti vysokých napetí je creepová deformace kontrolována pohybem dislokací a interakcí dislokací a cástic. V oblasti nízkých napetí byla prokázána významná zmena napetového exponentu, která svedcí o viskózním charakteru deformace pri velmi nízkých rychlostech deformace. U austenitické oceli byla v predešlé práci [2] pri studiu creepového chování overena aplikace helikoidního vzorku se ctvercovým prurezem drátu pri nízkých napetích a pomerne nízkých teplotách. Z výsledku vyplynulo, že pri teplotách kolem 700 C a stredním prumeru zrna okolo 100 µm se v intervalu napetí od 0,5 23 MPa realizoval Nabarruv-Herringuv difúzní creep vyznacující se Binghamovým chováním. Na Obr.1 je možno videt prubehy deformace v závislosti na case pri torzním namáhání vzorku. 2

3 2.50E E E C/41,6MPa 850 C/13MPa 1.50E E E E E E E E E E E E+0 0E+0 1E+6 2E+6 3E+6 4E+6 5E E C/13MPa 2.00E E E+0 0E+0 1E+6 2E+6 3E+6 4E+6 5E+6 Obr. 1. Krivky deformace v závislosti na case pro teploty 850 C a 750 C a napetí 41,6 MPa a 13 MPa. Fig. 1. Creep strain vs. time curves at 850 C and 750 C and stress 41,6 MPa and 13 MPa. Hodnota maximálního napetí t max byla vypoctena podle vztahu [2]: 48 max M. (1) 2 a 3 kde a je délky strany ctvercového prurezu vzorku a M je zatížení vzorku v Nm. Hodnoty deformace byly vypocteny podle vztahu pro úhel zkroucení prutu nekruhového prurezu M k l. (2) b 3 hg 3

4 kde b a h jsou strany ctvercového prurezu, l je délka vzorku, M k je kroutící moment, G je modul pružnosti ve smyku a je soucinitel závislý na pomeru stran, pro ctverec má hodnotu 0,1406 [3]. Na Obr. 2 jsou výsledky casove závislé deformace namerené pri tahové zkoušce. 2.40E C/100MPa 1.40E C/50MPa 2.20E E E E E E E E E E-4 0E+0 4E+6 8E+6 1E+7 2E+7 Obr.2. Krivky deformace v závislosti na case pri teplote 700 C a napetí 100 MPa a 50 MPa. Fig.2. Creep strain vs. time curves at 700 C and 100 MPa and 50 MPa. 4. DISKUZE Z experimentálních dat nekolika slitin -TiAl vyplývá, že creepové chování v oblasti nízkých napetí neodpovídá modelu skluzu dislokací, napetový exponent vykazuje nízké hodnoty kolem n ~ 2, což podporuje myšlenku creepu kontrolovaného skluzem po hranicích zrn [4] min A A0d. (3) A a A o jsou materiálové konstanty, kde parametr A má rozmer s -1 MPa -2. Parametr A o lze vyjádrit následujícím vztahem v závislosti na teplote Qgb A 0 Dgb0 exp. (4) RT Kde konstanta D gbo je rovna 63,4 µm 2 s -1 MPa -2 a hodnota energie difúze po hranicích zrn Q gb je 218 kj/mol, což je hodnota odpovídající teorii pro aktivacní energii difúze po hranicích zrn [4]. Rychlost creepové deformace pro TiAl slitiny je vzhledem ke skluzu po hranicích zrn popsána vztahem min ( GB) = Qgb D gb0 exp d -2 s 2. (5) RT Kde hodnota D gbo je 63,4 µm 2 s -1 MPa -2 pro vetšinu TiAl slitin. 4

5 K objasnení modelu skluzu po hranicích zrn v oblastech nízkých napetí a nízkých teplot je zapotrebí ješte mnoha experimentálních dat, nebot tento mechanismus nebyl v techto oblastech ješte rádne objasnen [1]. Tato studie poskytuje nekolik srovnávacích hodnot casove závislých prubehu deformace trámecku intermetalické slitiny -TiAl, namáhaných pri teplotách v rozmezí 700 až 850 C na speciální aparature pro torzní namáhání pri velmi malých rychlostech deformace a aparature pro tahovou zkoušku.pri merení byla zvolena nízká zatežovací napetí do 50 MPa, což jsou práve hodnoty casto se vyskytující v technické praxi. U -TiAl mikrostruktur se ukazuje, že velikost zrna je pravdepodobne limitujícím faktorem v oblastech nízkých i vysokých napetí. Minimální rychlost deformace klesá s rostoucí velikostí zrna [4]. Na obr.3 je možno videt nekolik namerených hodnot rychlostí deformace v závislosti na napetí a srovnání s experimentálními daty jiných studií. 1.00E-5 rate 1.00E E E E C 850 C 700 C 760 C [4] 760 C [1] 700 C [4] 850 C [4] 1.00E E Stress [MPa] Obr.3. Závislost rychlosti deformace -TiAl na napetí pri teplotách 700 C C. Fig.3. Creep rates of -TiAl alloys as a function of stress at 700 C 850 C. Creep v intermetaliku TiAl je v oblastech vyšších napetí kontrolován skluzem dislokací. Hodnota napetového exponentu je vysoká n > 5. Namerené hodnoty jsou relativne v souladu s ostatními autory a podporují tak myšlenku modelu skluzu po hranicích zrn pri nízkých napetích (<100 MPa). Hodnota napetového exponentu pri techto napetích se pohybuje v rozmezí 1,5~2. Nicméne detaily tohoto mechanismu nejsou doposud objasneny. 5

6 5. ZÁVER Výsledky této studie podporují myšlenku, že u intermetalické slitiny -TiAl dochází v rozsahu nízkých napetí a relativne nízkých teplot ke zmene creepového mechanismu na mechanismus s nízkým napetovým exponentem v oblasti minimálních rychlostí creepové deformace. PODEKOVÁNÍ Autori chtejí podekovat Grantové agenture AV, nebot práce byla podporována grantem GA AV císlo A LITERATURA [1] ZHANG, W.J.,DEEVI, S.C. The controlling creep processes in TiAl alloys at low and high stresses. Intermetallics, 2002, 10, s [2] NOVOTNÝ, J., FIALA, J., CADEK, J. Studium creepu pri nízkých napetích technikou helikoidních vzorku: Aplikace vzorku tvorených drátem ctvercového prurezu. Kovové materiály, 1985, roc.3, s [3] MRNÁK, L., DRDLA, A. Mechanika pružnost a pevnost. 1.vyd. Praha: SNTL, s. [4] ZHANG, W.J.,DEEVI, S.C. Analysis of the minimum creep rates of TiAl alloys. Mater. Sci. Eng., 2003, A362, s