vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-80-85vsgiu-180Research ArticleРаздел 3. Металлургия и материаловедениеSection 3. Metallurgy and Materials ScienceГОРЯЧАЯ ПРОКАТКА И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ КОМПОЗИТА Ti/TiB, ПОЛУЧЕННОГО ИСКРОВЫМ ПЛАЗМЕННЫМ СПЕКАНИЕМSTRENGTHENING MECHANISMS OF A TI/TIB COMPOSITE PRODUCED BY SPARK PLASMA SINTERING AFTER HOT ROLLINGhttps://orcid.org/0000-0002-2732-0579ОзеровМаксим СергеевичOzerovMaxim

к.т.н., научный сотрудник

Cand. Sci. (Eng.), Researcher

ozerov@bsu.edu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5607-2765СоколовскийВиталий СергеевичSokolovskyVitaly

к.т.н., научный сотрудник

Cand. Sci. (Eng.), Researcher

sokolovskiy@bsu.edu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9103-5182ПоволяеваЕлизавета АндреевнаPovolyaevaElizaveta

младший научный сотрудник

Junior Researche

povolyaeva@bsu.edu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9554-2651НоздрачеваЕлена ИвановнаNozdrachevaElena

младший научный сотрудник

Junior Researcher

nozdracheva@bsu.edu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1663-429XЖеребцовСергей ВалерьевичZherebtsovSergey

д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории объемных наноструктурных материалов

Dr. Sci. (Eng.), Assist Professor, Leading Researcher

zherebtsov@bsu.edu.ruБелгородский государственный национальный исследовательский университетРоссияBelgorod National Research UniversityRussian Federation202229122022048085Copyright © Озеров М.С., Соколовский В.С., Поволяева Е.А., Ноздрачева Е.И., Жеребцов С.В., 20252025Озеров М.С., Соколовский В.С., Поволяева Е.А., Ноздрачева Е.И., Жеребцов С.В.Ozerov M., Sokolovsky V., Povolyaeva E., Nozdracheva E., Zherebtsov S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/180

Металломатричный композит Ti/TiB был получен методом искрового плазменного спекания при температуре 1000 °C. В исходном состоянии микроструктура композита Ti/TiB состояла из игольчатых волокон TiB, неравномерно распределенных в матрице титана. РЭМ показала, что видимый диаметр волокон TiB варьировался в широком диапазоне: от десятков до нескольких сотен нанометров. Средний диаметр волокон TiB в исходном состоянии составляет 163 ± 35 нм. Горячая прокатка привела к выравниванию фрагментированных частиц-волокон TiB в направлении прокатки. Видимая средняя длина волокон TiB уменьшилась с 8 ± 4 до 3,0 ± 1,2 мкм, вероятно, в результате обрыва волокон при деформации. Установлено, что после горячей прокатки композит обладает повышенным пределом текучести и значительно улучшенными показателями пластичности по сравнению с исходным состоянием: горячекатаный образец разрушился при степени деформации на сжатие 25 %, тогда как пластичность для исходного состояния составляла 12 %. Предел текучести составил 930 и 1200 МПа для исходного и горячекатаного состояний. Прогнозируемая теоретическая прочность, рассчитанная путем суммирования вклада всех механизмов упрочнения, составляет 1946 МПа, что выше экспериментального значения 1200 МПа. Дисперсионное упрочнение обломками волокон TiB вносит наиболее заметный вклад в общую прочность композита (934 МПа или 50 %).

The Ti/TiB metal-matrix composite was obtained by spark plasma sintering at a temperature of 1000 °C. In the initial state, the Ti/TiB MMC microstructure consisted of TiB needle fibers unevenly distributed in the titanium matrix. SEM showed that the apparent diameter of the TiB fibers varied over a wide range: from tens to several hundreds of nanometers. The average TiB fiber diameter in the initial state is 163 ± 35 nm. Hot rolling caused the fragmented TiB fiber particles to align in the rolling direction. The apparent average length of the TiB fibers decreased from 8 ± 4 to 3.0 ± 1.2 μm, probably as a result of fiber breakage during deformation. It has been established that after hot rolling the composite has an increased yield strength and significantly improved ductility compared to the initial state: the hot-rolled sample failed at a compressive strain of 25 %, while the ductility for the initial state was 12 %. The yield strength was 930 and 1200 MPa for the initial and hot-rolled states. The predicted theoretical strength, calculated by summing the contribution of all hardening mechanisms, is 1946 MPa, which is higher than the experimental value of 1200 MPa. Dispersion strengthening by fragments of TiB fibers makes the most significant contribution to the overall strength of the composite (934 MPa or 50 %).

металломатричный композитискровое плазменное спеканиеборидымикроструктурамеханические свойстварастровая электронная микроскопиямеханизмы упрочненияmetalmatrix compositespark plasma sinteringboridesmicrostructuremechanical propertiesscanning electron microscopyhardening mechanismsработа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования Белгородского государственного национального исследовательского университета «Технологии и материалы» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках договора № 075-15 -2021-690 (уникальный идентификатор проекта РФ 2296.61321X0030).the work was carried out on the equipment of the Center for Collective Use of the Belgorod State National Research University "Technologies and Materials" with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under contract No. 075-15 -2021-690 (unique identifier of the RF project 2296.61321 x 0030).ReferencesLeyens C., Peters M. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2003. 499 p.Leyens C., Peters M. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2003, 499 p.Godfrey T.M.T., Goodwin P.S., Ward-Close C.M. Titanium particulate metal matrix com-posites – Reinforcement, production methods, and mechanical properties // Adv. Eng. Mater. 2000. Vol. 2. P. 85–91.Godfrey T.M.T., Goodwin P.S., Ward-Close C.M. Titanium particulate metal matrix composites – Reinforcement, production methods, and mechanical properties. Adv. Eng. Mater. 2000, vol. 2, pp. 85–91.Lindroos V.K., Talvitie M.J.J. Recent advances in metal matrix composites // Mater. Process. Technol. 1995. Vol. 53. P. 273–284.Lindroos V.K., Talvitie M.J.J. Recent ad-vances in metal matrix composites. Mater. Process. Technol. 1995, vol. 53, pp. 273–284.Radhakrishna Bhat B.V., Subramanyam J., Bhanu Prasad V.V. Preparation of Ti-TiB-TiC & Ti-TiB composites by in-situ reaction hot pressing // Mater. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 325. P. 126–130.Radhakrishna Bhat B.V., Subramanyam J., Bhanu Prasad V.V. Preparation of Ti-TiB-TiC & Ti-TiB composites by in-situ reaction hot pressing. Mater. Sci. Eng. A. 2002, vol. 325, pp. 126–130.Ozerov M., Klimova M., Vyazmin A., Ste-panov N., Zherebtsov S. Orientation relationship in a Ti/TiB metal-matrix composite // Mater. Lett. 2017. Vol. 186. P. 168–170.Ozerov M., Klimova M., Vyazmin A., Stepanov N., Zherebtsov S. Orientation relationship in a Ti/TiB metal-matrix composite. Mater. Lett. 2017, vol. 186, pp. 168–170.Morsi K., Patel V.V. Processing and properties of titanium–titanium boride (TiBw) matrix composites – a review // J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 2037–2047.Morsi K., Patel V.V. Processing and properties of titanium–titanium boride (TiBw) matrix composites – a review. J. Mater. Sci. 2007, vol. 42, pp. 2037–2047.Ragulya A.V. Fundamentals of spark plasma sintering, in encyclopedia of materials. Science and Technology. Eds. K.H. Jürgen Buschow et al.). 2010. 5 p.Ragulya A.V. Fundamentals of spark plasma sintering, in encyclopedia of materials. Science and Technology. K.H. Jürgen Buschow et al. eds. 2010, 5 p.Feng H., Zhou Yu, Jia D., Meng Q., Rao J. Growth mechanism of in situ TiB whiskers in spark plasma sintered TiB/Ti metal matrix composites // Cryst. Growth Des. 2006. Vol. 7. P. 1626–1630.Feng H., Zhou Yu, Jia D., Meng Q., Rao J. Growth mechanism of in situ TiB whiskers in spark plasma sintered TiB/Ti metal matrix composites. Cryst. Growth Des. 2006, vol. 7, pp. 1626–1630.Huang L., Cui X., Geng L., Fu Y. Effects of rolling deformation on microstructure and mechanical properties of network structured TiBw/Ti composites // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 79–83.Huang L., Cui X., Geng L., Fu Y. Effects of rolling deformation on microstructure and mechanical properties of network structured TiBw/Ti composites. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012, vol. 22, pp. 79–83.Gaisin R.A., Imayev V.M., Imayev R.M. Ef-fect of hot forging on microstructure and mechanical properties of near α titanium al-loy/TiB composites produced by casting // J. Alloys Compd. 2017. Vol. 723. P. 385–394. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.287Gaisin R.A., Imayev V.M., Imayev R.M. Effect of hot forging on microstructure and mechanical properties of near α titanium alloy/TiB composites produced by casting. J. Alloys Compd. 2017, vol. 723, p. 385–394. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.287Zherebtsov S., Ozerov M., Stepanov N., Klimova M. Structure and properties of Ti/TiB metal–matrix composite after isothermal multiaxial forging // Acta Phys. Pol. A. 2018. Vol. 134. P. 695–698. http://doi.org/10.12693/ APhysPolA.134.695Zherebtsov S., Ozerov M., Stepanov N., Klimova M. Structure and properties of Ti/TiB metal–matrix composite after iso-thermal multiaxial forging. Acta Phys. Pol. A. 2018, vol. 134, pp. 695–698. http://doi.org/10.12693/APhysPolA.134.695Ozerov M., Klimova M., Sokolovsky V., Stepanov N., Popov A., Boldin M., Zherebtsov S. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti/TiB metal matrix composite during isothermal multiaxial forging // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 770. P. 840–848. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.215Ozerov M., Klimova M., Sokolovsky V., Stepanov N., Popov A., Boldin M., Zherebtsov S. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti/TiB metal matrix composite during isothermal multiaxial forging. J. Alloys Compd. 2019, vol. 770, pp. 840–848. http://doi.org/10.1016/j. jallcom.2018.08.215Huang L., Cui X., Geng L., Fu Y. Effects of rolling deformation on microstructure and mechanical properties of network structured TiBw/Ti composites // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 79–83. http://doi.org/10.1016/S1003-6326(12)61687-2Huang L., Cui X., Geng L., Fu Y. Effects of rolling deformation on microstructure and mechanical properties of network structured TiBw/Ti composites. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012, vol. 22, pp. 79–83. http://doi.org/10.1016/S1003-6326(12)61687-2Chen B., Shen J., Ye X., Jia L., Li S., Umeda J., Takahashi M., Kondoh K. Length effect of carbon nanotubes on the strengthening mechanisms in metal matrix composites // Acta Mater. 2017. Vol. 140. P. 317–325.Chen B., Shen J., Ye X., Jia L., Li S., Umeda J., Takahashi M., Kondoh K. Length effect of carbon nanotubes on the strengthening mechanisms in metal matrix composites. Acta Mater. 2017, vol. 140, pp. 317–325.Koo M.Y., Park J.S., Park M.K., Kim K.T., Hong S.H. Effect of aspect ratios of in situ formed TiB whiskers on the mechanical properties of TiBw/Ti-6Al-4V composites // Scr. Mater. 2012. Vol. 66. P. 487–490.Koo M.Y., Park J.S., Park M.K., Kim K.T., Hong S.H. Effect of aspect ratios of in situ formed TiB whiskers on the mechanical properties of TiBw/Ti-6Al-4V composites. Scr. Mater. 2012, vol. 66, pp. 487–490.Munir K.S., Zheng Y., Zhang D., Lin J., Li Y., Wen C. Improving the strengthening efficiency of carbon nanotubes in titanium metal matrix composites // Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 696. P. 10–25.Munir K.S., Zheng Y., Zhang D., Lin J., Li Y., Wen C. Improving the strengthening efficiency of carbon nanotubes in titanium metal matrix composites. Mater. Sci. Eng. A. 2017, vol. 696, pp. 10–25.Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium // Prog. Mater. Sci. 1981. Vol. 26. P. 123–403.Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium. Prog. Mater. Sci. 1981, vol. 26, pp. 123–403.Frost. H.J., Ashby M.F. Deformation-Mechanism Maps. Pergamon Press: Oxford, UK, 1982. P. 1–166.Frost. H.J., Ashby M.F. Deformation-Mechanism Maps. Pergamon Press: Oxford, UK, 1982, pp. 1–166.Godfrey T.M.T., Goodwin P.S., Ward-Close C.M. Titanium particulate metal matrix com-posites – Reinforcement, production methods, and mechanical properties. Adv. Eng. Mater. 2000. Part 2. P. 85–91.Godfrey T.M.T., Goodwin P.S., Ward-Close C.M. Titanium particulate metal matrix composites – Reinforcement, production methods, and mechanical properties. Adv. Eng. Mater. 2000, part 2, pp. 85–91.Estrin Y., Toth L.S., Molinari A., Brechet Y. A dislocation-based model for all hardening stages in large strain deformation // Acta Mater. 1998. Vol. 46. P. 5509–5522.Estrin Y., Toth L.S., Molinari A., Brechet Y. A dislocation-based model for all hardening stages in large strain deformation. Acta Mater. 1998, vol. 46, pp. 5509–5522.Ardell A.J. Precipitation hardening // Metall. Mater. Trans. A. 1985. Vol. 16 (12). P. 2131–2165.Ardell A.J. Precipitation hardening. Metall. Mater. Trans. A. 1985, vol. 16 (12), pp. 2131–2165.Gladman T. Precipitation hardening in metals // Mater. Sci. Technol. 1999. Vol. 15. P. 30–36.Gladman T. Precipitation hardening in metals. Mater. Sci. Technol. 1999, vol. 15, pp. 30–36.Zherebtsov S., Ozerov M., Stepanov N., Klimova M., Ivanisenko Y. Effect of high-pressure torsion on structure and microhard-ness of Ti/TiB metal matrix composite // Metals. 2017. Vol. 7. P. 507.Zherebtsov S., Ozerov M., Stepanov N., Klimova M., Ivanisenko Y. Effect of high-pressure torsion on structure and microhardness of Ti/TiB metal matrix composite. Metals. 2017, vol. 7, pp. 507.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.