Зависимость удельного электросопротивления технически чистого титана от температуры после интенсивной пластической деформации

Введение

Удельное электросопротивление материала является важной характеристикой его структуры. Контроль этого параметра позволяет с высокой точностью регистрировать изменения в фазовом составе и количество дефектов структуры материала. Измерение удельного электросопротивления позволяет осуществлять технологический контроль качества изделий, к которым предъявляются повышенные требования по надежности. Например, при производстве муфт лопасти несущего винта легких вертолетов EC155 концерна Eurocopter из металлического композиционного материала системы Al–SiC проводят 100%-ный контроль удельного электросопротивления. Эта деталь относиться к первому классу жизненно важных узлов, что означает – при ее разрушении в процессе полета летательный аппарат будет потерян. Контроль удельного электросопротивления позволяет гарантировать равномерность распределения частиц упрочняющей фазы в материале матрицы [1–11].

В данной работе определяли, как интенсивная пластическая деформация влияет на зависимость удельного электросопротивления технически чистого титана от температуры.

Материалы и методы

Объектом исследования служили образцы из титанового сплава ВТ1-0 размером 14×14×1 мм, полученные методом интенсивной пластической деформации (ИПД), и образцы из того же сплава размером 20×10×1,5 мм в отожженном состоянии. Заготовки титана в наноструктурном состоянии получены методом всестороннего прессования ( Образцы предоставлены Ю.П. Шаркеевым, доктором физико-математических наук, профессором, заведующим лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН). На первом этапе заготовки титана подвергали многократному одноосному прессованию в интервале скоростей от 10^-3 до 10^-2 с при последовательном ступенчатом понижении температуры с 750 до 390°C. Каждый цикл при заданной температуре включал трех- или четырехкратное одноосное прессование в пресс-форме со сменой оси деформации. На втором этапе заготовки после многократного одноосного прессования подвергали пластической деформации с помощью прокатки в ручьевых или в плоских валках. Величина суммарной деформации при прокатке составила 80–90%. После прокатки прутки и пластины отжигали при температурах 250 и 300°С в течение 1 ч [5–8].

Для сравнения и контроля работоспособности установки измеряли электросопротивление образцов из технически чистого титана в состоянии поставки – после отжига.

Измерение электросопротивления проводили в температурном диапазоне от -100 до +100°С компенсационным методом. Образец помещали в сосуд с кипящим жидким азотом, когда его температура опускалась до -100°С, затем образец нагревали до +100°С. Скорость нагрева составляла 1°С/с. Для графической интерпретации данных, полученных с помощью аналого-цифрового преобразователя, применялась программа vHeater.

Результаты

На рисунке представлены температурные зависимости удельного электросопротивления для отожженного образца и образца, подвергнутого ИПД. С ростом температуры удельное сопротивление титана в отожженном состоянии линейно возрастает (см. рисунок, а). Такой ход зависимости характерен для всех металлических объектов [4], в которых с ростом температуры увеличивается вклад зависящего от температуры слагаемого ρ_Т.

Известно, что удельное электросопротивление металлов и сплавов состоит из двух слагаемых (правило Матиссена):

ρ=ρ_Т+ρ_деф,

где ρ_Т – зависящая от температуры часть слагаемого, характеризующая рассеяние электронов проводимости на тепловых колебаниях ионной решетки; ρ_деф – не зависящая от температуры часть слагаемого, характеризующая рассеяние электронов на дефектах кристаллического строения.

Обсуждение и заключения

Из данных температурных зависимостей электросопротивления видно, что при температуре -100°С удельное электросопротивление недеформированного сплава составляет 1,6 Ом·м, а сплава, находящегося в наноструктурном состоянии, т. е. после ИПД: 2 Ом·м. При температуре +100°С удельное электросопротивление недеформированного и деформированного сплавов составляет 5,6 и 6,5 Ом·м соответственно. Таким образом, удельное электросопротивление сплава после интенсивной пластической деформации при этих температурах на ~20% выше, чем электросопротивление сплава до деформации. Этот рост электросопротивления, согласно научным литературным данным [3, 6–15], может быть вызван повышением концентрации дефектов кристаллического строения в процессе деформации.

 Наиболее интересный результат зафиксирован при сравнении характера температурной зависимости электросопротивления для деформированного и недеформированного сплавов. Видно (см. рисунок, а), что электросопротивление обычного кристаллического α-титана непрерывно возрастает с ростом температуры. Такой ход зависимости характерен для всех металлических объектов, в которых с ростом температуры увеличивается вклад зависящего от температуры слагаемого ρ_Т.

Температурная зависимость удельного электросопротивления для образцов из титанового сплава ВТ1-0 в отожженном состоянии (а) и после интенсивной пластической деформации (б)

Совершенно иной характер зависимости демонстрирует образец, находящийся в нанокристаллическом состоянии после ИПД (см. рисунок, б). После непродолжительного возрастающего участка наблюдается уменьшение удельного электросопротивления с ростом температуры. При дальнейшем росте температуры удельное сопротивление резко возрастает и приблизительно к 90–100°С достигает значений, близких к сопротивлению недеформированного образца. Вероятно, такой немонотонный характер зависимости электросопротивления от температуры связан со значительным искажением кристаллической решетки, характерным для материалов после ИПД. Причем уменьшение электросопротивления с ростом температуры не может быть объяснено уменьшением концентрации дефектов кристаллического строения при нагреве, так как при повторении эксперимента зависимость удельного электросопротивления демонстрирует тот же характер.