Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University99010.18323/2782-4039-2024-4-70-3ArticlesСтатьиResearch ArticlePhase composition, structure and microhardness of the VT23 titanium alloy after deformation in a Bridgman chamberФазовый состав, структура и микротвердость титанового сплава ВТ23 после деформации в камере Бриджменаhttps://orcid.org/0000-0002-3542-6242GladkovskySergey V.ГладковскийСергей Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), chief researcher, Head of the Laboratory of Deformation and Destruction

доктор технических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией деформирования и разрушения

gsv@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5150-6605PilyuginVitaly P.ПилюгинВиталий Прокофьевич
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), leading researcher, Head of the High Pressure Physics Laboratory

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физики высоких давлений

pilyugin@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4955-6435VeselovaValeria E.ВеселоваВалерия Евгеньевна
Russian Federation

PhD (Engineering), researcher at the Laboratory of Deformation and Destruction

кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории деформирования и разрушения

veselova@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6438-0725PatselovAleksandr M.ПацеловАлександр Михайлович
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), senior researcher at the High Pressure Physics Laboratory

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики высоких давлений

patselov@imp.uran.ruInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of RASИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАНM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of RASИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН28122024429382712202427122024Copyright ©; 2024, Gladkovsky S.V., Pilyugin V.P., Veselova V.E., Patselov A.M.Copyright ©; 2024, Гладковский С.В., Пилюгин В.П., Веселова В.Е., Пацелов А.М.2024Gladkovsky S.V., Pilyugin V.P., Veselova V.E., Patselov A.M.Гладковский С.В., Пилюгин В.П., Веселова В.Е., Пацелов А.М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/990

The authors have studied for the first time the phase composition, microhardness and fine structure of the VT23 (α+β)-titanium alloy, with stable and metastable β-phase, after torsional deformation in a Bridgman chamber under a pressure of 4 GPa at room temperature. It has been found that the alloy microhardness, depending on the true degree of deformation under high hydrostatic pressure, changes along a curve with a maximum. The role of stress-induced βm→α" martensitic transformation in the formation of alloy structure, and microhardness under high-pressure torsion was revealed. The highest microhardness of the alloy with stable β-phase was 395 HV 0.05, and with metastable – 470 HV 0.05. At the same time, the maximum microhardness of metastable alloy, compared to stable alloy, was shifted to the region of lower true strain е=2.6. Using X-ray diffraction analysis, and transmission electron microscopy methods, made it possible to trace the evolution of alloy structure under high-pressure deformation consisting in grinding of α-, and α"-phase plates compared to the quenched state, as well as in the development of deformation βm→α", and α"→βm martensitic transformations. An increase in the degree of deformation by high-pressure torsion to е=7.7...7.9, regardless of the deformation stability of the β-phase, leads to a decrease in the alloy microhardness to a level of 185...205 HV 0.05. This is associated with the development of the dynamic recrystallisation process, and the formation of equiaxed α-phase nanoparticles with a size of 20...50 nm. The differences in the loading-unloading curves revealed by kinetic indentation, corresponded to the nature of the change in the VT23 alloy microhardness, depending on the quenching temperature and the true deformation degree.

Впервые изучены фазовый состав, микротвердость и тонкая структура (α+β)-титанового сплава ВТ23 со стабильной и метастабильной β-фазой после деформации в камере Бриджмена кручением под давлением 4 ГПа при комнатной температуре. Установлено, что микротвердость сплава в зависимости от истинной степени деформации в условиях высокого гидростатического давления меняется по кривой с максимумом. Выявлена роль инициированного напряжением βм→α" мартенситного превращения в формировании структуры и микротвердости сплава при кручении под давлением. Наибольшая микротвердость сплава со стабильной β-фазой составила 395 HV 0,05, а с метастабильной – 470 HV 0,05. При этом максимум микротвердости метастабильного сплава по сравнению со стабильным был смещен в область меньшей истинной деформации е=2,6. Использование методов рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии позволило проследить эволюцию структуры сплава при деформации под давлением, заключающуюся в измельчении по сравнению с закаленным состоянием пластин α- и α"-фаз, а также в развитии деформационных βм→α" и α"→βм мартенситных превращений. Увеличение степени деформации кручением под давлением до е=7,7...7,9 независимо от деформационной стабильности β-фазы приводит к снижению микротвердости сплава до уровня 185…205 HV 0,05, что связано с развитием процесса динамической рекристаллизации и формированием равноосных наночастиц α-фазы размером 20…50 нм. Выявленные при кинетическом индентировании различия в кривых нагружения – разгружения соответствовали характеру изменения микротвердости сплава ВТ23 в зависимости от температуры закалки и степени истинной деформации.

VT23 titanium alloyphase compositionBridgman chamberhigh-pressure torsiontrue deformation degreemetastable β-phasemartensitic transformationsтитановый сплав ВТ23фазовый составкамера Бриджменакручение под давлениемистинная степень деформацииметастабильная β-фазамартенситные превращенияThe work was carried out within the state assignments No. 124020600045-0 to the Institute of Engineering Science, UB RAS and No. 122021000032-5 to the Institute of Metal Physics, UB RAS using the equipment of the Plastometry Collective Centre of the Institute of Engineering Science, UB RAS. The authors express their gratitude to S.N. Sergeev (Institute for Metals Superplasticity Problems of RAS) for assistance in carrying out microstructural analysis using transmission electron microscopy.Работа выполнена в рамках госзадания ИМАШ УрО РАН № 124020600045-0 и ИФМ УрО РАН № 122021000032-5 с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Авторы выражают благодарность С.Н. Сергееву (ИПСМ РАН) за помощь в проведении структурного анализа методом просвечивающей электронной микроскопии.Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z. Nanostructured titanium alloys: new developments and application prospects. Nanotechnologies in Russia, 2014, vol. 9, no. 5, pp. 311–324. DOI: 10.1134/S199507801403015X.Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Наноструктурные титановые сплавы: новые разработки и перспективы применения // Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9. № 5-6. С. 84–95. EDN: SMKYOB.Glezer A.M., Metlov L.S. Physics of megaplastic (severe) deformation in solids. Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 6, pp. 1162–1169. DOI: 10.1134/S1063783410060089.Глезер А.М., Метлов Л.С. Физика мегапластической (интенсивной) деформации твердых тел // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 6. С. 1090–1097. EDN: RCRYIV.Sergueeva A.V., Stolyarov V.V., Valiev R.Z., Mukherjee A.K. Enhanced superplasticity in a Ti6Al4V alloy processed by severe plastic deformation. Scripta Materialia, 2000, vol. 43, no. 9, pp. 819–824. DOI: 10.1016/S1359-6462(00)00496-6.Sergueeva A.V., Stolyarov V.V., Valiev R.Z., Mukherjee A.K. Enhanced superplasticity in a Ti6Al4V alloy processed by severe plastic deformation // Scripta Materialia. 2000. Vol. 43. № 9. P. 819–824. DOI: 10.1016/S1359-6462(00)00496-6.Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Obemnye nanostrukturnye metallicheskie materialy: poluchenie, struktura i svoystva [Bulk nanostructured metallic materials: preparation, structure and properties]. Moscow, Akademkniga Publ., 2007. 398 p.Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007. 398 с.Shurygina N.A., Cheretaeva A.O., Glezer A.M., Medvedeva A.D., D’yakonov D.L., Sundeev R.V., Tomchuk A.A. Effect of Microalloying Elements on the Physicochemical Properties of Commercial-Purity Titanium Subjected to Severe Plastic Deformation. Russian Metallurgy (Metally), 2021, vol. 2021, no. 4, pp. 410–417. DOI: 10.1134/S0036029521040303.Shurygina N.A., Cheretaeva A.O., Glezer A.M., Medvedeva A.D., D’yakonov D.L., Sundeev R.V., Tomchuk A.A. Effect of Microalloying Elements on the Physicochemical Properties of Commercial-Purity Titanium Subjected to Severe Plastic Deformation // Russian Metallurgy (Metally). 2021. Vol. 2021. № 4. P. 410–417. DOI: 10.1134/S0036029521040303.Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: fundamentals and applications. Progress in Materials Science, 2008, vol. 53, no. 6, pp. 893–979. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: fundamentals and applications // Progress in Materials Science. 2008. Vol. 53. № 6. P. 893–979. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.Zel'Dovich V.I., Frolova N.Yu., Patselov A.M., Gundyrev V.M., Kheifets A.E., Pilyugin V.P. The ω-phase formation in titanium upon deformation under pressure. Physics of Metals and Metallography, 2010, vol. 109, no. 1, pp. 30–38. DOI: 10.1134/S0031918X10010059.Зельдович В.И., Фролова Н.Ю., Пацелов А.М., Гундырев В.М., Хейфец А.Э., Пилюгин В.П. Образование омега-фазы в титане при деформации под давлением // Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109. № 1. С. 33–42. EDN: KZLPSF.Korneva А., Straumal B., Kilmametov A., Gondek Ł., Wierzbicka-Miernika A., Lityńska-Dobrzyńskaa L., Ciosg G., Chulista R., Ziębaa P. Thermal stability and microhardness of metastable ω-phase in the Ti-3.3 at.% Co alloy subjected to high pressure torsion. Journal of Alloys and Compounds, 2020, vol. 834, no. 5, article number 155132. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155132.Korneva А., Straumal B., Kilmametov A., Gondek Ł., Wierzbicka-Miernika A., Lityńska-Dobrzyńskaa L., Ciosg G., Chulista R., Ziębaa P. Thermal stability and microhardness of metastable ω-phase in the Ti-3.3 at.% Co alloy subjected to high pressure torsion // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 834. № 5. Article number 155132. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155132.Zafari A., Wei X.S., Xu W., Xia K. Formation of nanocrystalline β structure in metastable beta Ti alloy during high pressure torsion: The role played by stress induced martensitic transformation. Acta Materialia, 2015, vol. 97, pp. 146–155. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.06.042.Zafari A., Wei X.S., Xu W., Xia K. Formation of nanocrystalline β structure in metastable beta Ti alloy during high pressure torsion: The role played by stress induced martensitic transformation // Acta Materialia. 2015. Vol. 97. P. 146–155. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.06.042.Bartha K., Stráský J., Veverková A. et al. Effect of the High-Pressure Torsion (HPT) and Subsequent Isothermal Annealing on the Phase Transformation in Biomedical Ti15Mo Alloy. Metals, 2019, vol. 9, no. 11, article number 1194. DOI: 10.3390/met9111194.Bartha K., Stráský J., Veverková A. et al. Effect of the High-Pressure Torsion (HPT) and Subsequent Isothermal Annealing on the Phase Transformation in Biomedical Ti15Mo Alloy // Metals. 2019. Vol. 9. № 11. Article number 1194. DOI: 10.3390/met9111194.Gladkovsky S.V., Veselova V.E., Sergeev S.N., Patselov A.M. Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Characteristics of the Titanium Alloy Ti–5Al–5V–2Mo–Cr with Metastable β‑Phase. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2023, vol. 76, pp. 2091–2097. DOI: 10.1007/s12666-023-02908-2.Gladkovsky S.V., Veselova V.E., Sergeev S.N., Patselov A.M. Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Characteristics of the Titanium Alloy Ti–5Al–5V–2Mo–Cr with Metastable β‑Phase // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2023. Vol. 76. P. 2091–2097. DOI: 10.1007/s12666-023-02908-2.Veselova V.E., Gladkovskiy S.V., Kovalev N.I. Influence of heat treatment modes on the microstructure and mechanical properties of the metastable titanium alloy VT23. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2021, vol. 23, no. 4, pp. 31–39. EDN: ZNGDLZ.Веселова В.Е., Гладковский С.В., Ковалев Н.И. Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства метастабильного титанового сплава ВТ23 // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 4. С. 31–39. EDN: ZNGDLZ.Egorova L.Yu., Khlebnikova Yu.V., Pilyugin V.P., Chernyshev E.G. Initial Stages in the Evolution of the Structure of a Zirconium Pseudo-Single Crystal During Shear Deformation under Pressure. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2017, no. 5, pp. 70–79. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.070-079.Egorova L.Yu., Khlebnikova Yu.V., Pilyugin V.P., Chernyshev E.G. Initial Stages in the Evolution of the Structure of a Zirconium Pseudo-Single Crystal During Shear Deformation under Pressure // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2017. № 5. P. 70–79. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.070-079.Guan Bo, Xin Yunchang, Huang Xiaoxu, Liu Chenglu, Wu Peidong, Liu Qing. The mechanism for an orientation dependence of grain boundary strengthening in pure titanium. International Journal of Plasticity, 2022, vol. 153, article number 103276. DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103276.Guan Bo, Xin Yunchang, Huang Xiaoxu, Liu Chenglu, Wu Peidong, Liu Qing. The mechanism for an orientation dependence of grain boundary strengthening in pure titanium // International Journal of Plasticity. 2022. Vol. 153. Article number 103276. DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103276.Kostryzhev A. Strengthening Mechanisms in Metallic Materials. Metals, 2021, vol. 11, no. 7, article number 1134. DOI: 10.3390/met11071134.Kostryzhev A. Strengthening Mechanisms in Metallic Materials // Metals. 2021. Vol. 11. № 7. Article number 1134. DOI: 10.3390/met11071134.Lyasotskaya V.S., Knyazeva S.I. Metastable phases in titanium alloys and conditions of their formation. Metal Science and Heat Treatment, 2008, vol. 50, no. 7-8, pp. 373–377. DOI: 10.1007/s11041-008-9064-x.Лясоцкая В.С., Князева С.И. Метастабильные фазы в титановых сплавах и условия их образования // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 8. С. 15–19. EDN: KVXLNV.Blinova E.N., Libman M.A., Glezer A.M., Isaenkova M.G., Tomchuk A.A., Komlev A.S., Krymskaya O.A., Filippova V.P., Shurygina N.A. Phase transformations in a metastable Fe–18Cr–10Ni alloy during megaplastic deformation. Russian Metallurgy (Metally), 2022, vol. 2022, no. 10, pp. 1174–1180. DOI: 10.1134/s0036029522100032.Блинова Е.Н., Либман М.А., Глезер А.М., Исаенкова М.Г., Томчук А.А., Комлев А.С., Крымская О.А., Филиппова В.П., Шурыгина Н.А. Особенности фазовых превращений в метастабильном сплаве Fe-18Cr-10Ni при мегапластической деформации // Деформация и разрушение материалов. 2022. № 4. С. 19–26. EDN: BIYLUD.