Файл: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов.pdf

Б. А. КОЛАЧЕВ, В. А. ЛИВАНОВ,

А. А. БУХАНОВА

МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Москва

«МЕТАЛЛУРГИЯ»

УДК 669.295

УДК 669.295

Механические свойства титана и его сплавов. К о л а ч ев Б. А

испытаниях на растяжение, удар, двухосное растяжение, а также влияние температуры испытаний на эти характеристики. Значитель­ ное внимание уделено циклической прочности, термической стабиль­ ности, солевой коррозии, замедленному хрупкому разрушению, вяз­ кости разрушения. Подробно рассмотрено влияние примесей, в част­ ности водорода, на механические свойства титана и его сплавов Описано влияние технологических факторов на служебные свойства

титановых сплавов, рассмотрены методы повышения работоспособ­ ности сплавов в реальных конструкциях.

Предназначена для инженерно-технических работников, связанных с производством и применением титана и его сплавов. Может быть полезна студентам и аспирантам металлургических и машинострои­ тельных вузов. Ил. 263. Табл. 46. Список лит.: 420 назв.

©Издательство «Металлургия», 1974.

К31008— 062

040( 01)— 74

ПРЕДИСЛОВИЕ

Титан и его сплавы находят все более широкое при­ менение в различных областях техники, в том числе в авиационной и ракетной. Это обусловлено рядом их цен­ ных свойств: довольно большой прочностью и жаропроч­ ностью, высокой коррозионной стойкостью, малым удель­ ным весом, достаточной пластичностью при криогенных температурах [1—13]. Широкому -применению титана и его сплавов в технике благоприятствует и значительная распространенность титана в природе.

В настоящей работе авторы обобщили литератур­ ные данные и некоторые неопубликованные собственные результаты по механическим : свойс^ва-м титана и его сплавов. В предлагаемой чита^§лк£- монографии рас­ смотрены механические свойства титана -и его сплавов при различных схемах проведения 'испытаний — растя­ жение, удар, двухосное растяжение, циклические и ста­ тические нагрузки. Значительное место уделяется срав­ нительно мало известным проблемам: замедленному раз­ рушению, вязкости разрушения и солевой коррозии титановых сплавов. Работы последних лет показали,что указанные явления необходимо учитывать при разработ­ ке реальных конструкций во избежание внезапных.раз­ рушений. Мы хотели бы подчеркнуть, что на важность замедленного разрушения, вязкости разрушения и .соле­ вой коррозии в служебных характеристиках титана и его сплавов наше внимание обратил проф. докт. техн. наук С. А. Вигдорчик.

Авторы монографии впервые заинтересовались меха­ ническими свойствами титана и его сплавов в связи с их водородной хрупкостью. По мере накопления экспери­ ментальных и теоретических данных стало ясно, что во­ дородная хрупкость не является обособленным явлени­ ем: это неотъемлемая часть всей проблемы механических свойств металлов. В большинстве случаев водород-

Р а з д е л I

КРАТКОВРЕМЕННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Внастоящем разделе рассматриваются механичес­ кие свойства титановых сплавов при кратковре­

менных испытаниях на растяжение и изгиб. Их служебные характеристики, такие как прочность при двухосном растяжении, склонность к замедленному раз­ рушению, усталостные характеристики, вязкость разру­ шения, будут рассмотрены в разделе II.

Сведения о механических свойствах титановых спла­ вов весьма противоречивы, что обусловлено в основном различным содержанием примесей внедрения в разных плавках. Следует также отметить, что благодаря усили­ ям металлургов содержание примесей внедрения в тита­ новой губке непрерывно уменьшалось. В связи с умень­ шением содержания примесей в губке состав титановых сплавов постоянно корректировали в сторону увеличе­ ния содержания легирующих элементов, в частности алюминия. Поэтому состав и свойства титановых спла­ вов сейчас иные, чем несколько лет назад.

Механические свойства титановых сплавов в зависи­ мости от степени легирования, нагартовки, термической и термомеханической обработки колеблются в широких пределах. Титан и его малолегированные сплавы имеют предел прочности 40—70 кгс/мм2 при поперечном суже­ нии 70—40%, а высоколегированные, термически упроч­ ненные сплавы, 150—200 кгс/мм2 при поперечном суже­ нии 10—4%- Оптимальным сочетанием прочности и пла­ стичности обладают среднелегированные сплавы с пределом прочности 80—120 кгс/мм2.

Важным в ряде применений является способность ти­ тана и ряда его сплавов сохранять высокую пластич­ ность при криогенных температурах.

Титан и его сплавы имеют сравнительно небольшую плотность (4,5 г/см3), в связи с чем их удельная проч­ ность (отношение предела прочности к плотности) ока­ зывается весьма высокой. До температур порядка 450—

5

500°С титановые сплавы по удельной прочности превос­ ходят все другие металлические материалы, кроме бе­ риллия.

Г л а в а 1

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА

МЕХАНИЗМ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ТИТАНА

Титан, а также цирконий и гафний в отличие от ос­ тальных гексагональных металлов обладают высокой пластичностью даже при сравнительно низких темпера­ турах. Это объясняется тем, что в титане, цирконии и гафнии имеется довольно много систем скольжения и двойникования, в то время как в остальных гексагональных металлах их чис­

ло весьма невелико.

В магнии, цинке, кадмии, бе­ риллии имеется лишь одна плос­ кость скольжения — плоскость базиса (0001) и три направления

ным плоскостям {1011} и плоско­ сти базиса (0001) (рис. 1). Скольжение во всех случаях происходит в направлении наибольшей плотности упако­

а из шести систем скольжения {1011} <1120>» незави­ симыми являются тоже четыре. В результате скольже-

6

Нпя по системам типа {1011} < 1 1 2 0 > происходит та­ кое же изменение формы кристалла, как и при последо­ вательном независимом скольжении по системам (0001)

< 1 1 2 0 > и {10 l0} < 1 1 2 0 > . При всех вариантах сколь­ жения невозможно растяжение кристалла в направле­ нии, параллельном гексагональной оси [14].

Помимо этого, пластическая деформация в титане осуществляется путем двойникования по плоскостям

{1012}, {1121}, {1122}, {1123} и {1124}. В отличие от других металлов с гексагональной структурой в титане может происходить поперечное скольжение по тем _же

самым плоскостям, что и первичное скольжение {1010}. В [5-титане механизм скольжения такой же, как и в других металлах с объемноцентрированной решеткой. Скольжение протекает по плоскостям {110} и {112} в направлении наибольшей плотности упаковки < 1 1 1 > . Высокую пластичность а-титана вначале объясняли меньшим соотношением осей cja (1,587) по сравнению с теоретическим, равным 1,633. Действительно, меньшее соотношение cja для г. п. у. решетки можно получить лишь единственным путем, а именно: раздвинуть ато­ мы в плоскостях базиса. Тогда атомы в плоскостях базиса можно сблизить сильнее, чем при идеальной упа­ ковке. В итоге плотноупакованными оказываются не плоскости базиса, а плоскости призмы и пирамиды. Скольжение же, как полагали ранее, должно легче про­

исходить по наиболее плотноупакованным плоскостям. Однако решающей роли соотношения осей cja в ме­

ханизме деформации металлов с гексагональной струк­ турой противоречат экспериментальные данные для маг­ ния и бериллия, у которых соотношение осей тоже мень­ ше 1,633 (1,624 и 1,5677 соответственно), а пластичность весьма низкая. Вначале полагали, что это противоречие обусловлено наличием примесей, и, если в достаточной степени очистить магний и бериллий от примесей, они приобретут пластичность.

Это заключение, однако, не подтвердилось экспери­ ментально. Более того, было обнаружено принципиально разное влияние примесей на соотношение критических скалывающих напряжений по разным плоскостям сколь­ жения в титане и бериллии. Очистка титана от приме­ сей сильно уменьшает критические скалывающие напря­ жения по плоскостям призмы и пирамиды и мало влия­ ет на критические скалывающие напряжения по плоско-

7

стп базиса. В итоге с увеличением чистоты титана уси­ ливается тенденция к скольжению по плоскостям приз­ мы и пирамиды и затрудняется скольжение по плоскости базиса [4]. Для иодидного титана (0,01% N +O ) кри­ тические скалывающие напряжения но плоскостям приз­ мы и базиса равны 1,4 и 6,3 кге/мм2 и поэтому скольже­ ние происходит в основном по плоскости призмы. В ти­ тане, содержащем 0,1% (N + 0 ), критические скалывающие напряжения для плоскостей призмы, пи­ рамиды и базиса составляют 13, 14 и 15 кге/мм2 и сколь­ жение по всем этим трем плоскостям почти равноверо­

ятно.

При очистке бериллия, наоборот, критические скалы­ вающие напряжения по плоскости базиса уменьшаются значительно интенсивнее, чем по плоскостям призмы и пирамиды [15]. В техническом бериллии критическое скалывающее напряжение по плоскости (0001) в пять

раз меньше, чем по плоскости {1010}, а в зонноочищенном бериллии это отношение равно 40. По данным Мак Лина [15], критические скалывающие напряжения для базисного, призматического и пирамидального скольже­ ния в бериллии высокой чистоты составляют 0,22; 5—7 и 200 кге/мм2 соответственно. Таким образом, в берил­ лии с увеличением чистоты усиливается тенденция к скольжению по одной плоскости — плоскости базиса.

Некоторые исследователи связывают плоскости скольжения в металлах с анизотропией упругих кон­ стант. Для анизотропного тела критические скалываю­ щие напряжения для плоскостей базиса (тб) и призмы

(тц) равны [16]:

( 1)

где К6 иК „— коэффициенты, связанные с упругими константами.

Соотношения критических скалывающих напряжений для плоскостей базиса и призмы, вычисленные из урав­ нения (1) и известных упругих констант, приведены в табл. 1. Из приведенных данных следует, что анизотро­ пия упругих констант не определяет преимущественных плоскостей скольжения. Действительно, для - циркония

8

вычисленные скалывающие напряжения по плоскости базиса оказываются ниже, чем скалывающие напряже­ ния по плоскости призмы, а в действительности сколь­ жение в цирконии происходит в основном по призмати­ ческим плоскостям, а не по базисным. Для бериллия действительный механизм скольжения также не соответ­ ствует ожидаемому из описанной выше гипотезы.

Тайзон [18] полагает, что способность к пластичес­ кой деформации металлов с г. п. у. структурой опреде­ ляется легкостью размножения дислокаций и их распро­ странения по плоскостям скольжения. Дислокации в плоскости базиса металла с гексагональной плотноупакованной решеткой размножаются и распространяются тем легче, чем меньше энергия дефектов упаковки. К со­ жалению, энергия дефектов упаковки более или менее достоверно известна лишь для небольшого числа метал­ лов и о справедливости предположения Тайзона можно, судить лишь после проведения детальных исследований ' энергии дефектов упаковки металлов с г. п.у. структу­ рой. Известные данные об энергии дефектов упаковки, приведенные в табл. 1, не подтверждают вывода Тай­ зона.

9