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

та повышает предел прочности всего.на 2,8 кгс/мм2. Прочностные свойства технического титана, как и иодидного, наиболее интенсивно снижаются до температуры 300° С, в интервале 300—500° С, прочностные характе-

о /оо гоо т т воо воо

Температура, °С

Рис. 33. Влияние температуры на механические свойства титана с разным содержанием кислорода, %:

1 — 0,01 (иодидный титан); 2 — 0,17; 3 — 0,47; 4 — 0,08

ристики почти не зависят от температуры [43, 78], а при более высоких температурах они резко падают. Уд­ линение повышается до 300° С, в интервале 300—500° С обнаруживается провал, а затем при дальнейшем повы­ шении температуры резко увеличивается.

Джаффи с сотрудниками [77] указывают, что за­ калка и отжиг мало влияют на прочностные свойства сплавов титана с азотом, но предел текучести резко сни­

53

рушением атмосфер Коттрелла на дислокациях тепло­ вым движением атомов. Однако если указанный эффект обусловлен взаимодействием дислокаций с атомами внедрения, то он не должен быть связан с температурой а+=ь|3-превращения. Такой связи действительно нет.

МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНА ПРИМЕСЯМИ ВНЕДРЕНИЯ

Из сравнения описанных выше результатов следует, что наибольшее упрочняющее действие оказывает азот, меньшее кислород и наименьшее углерод. Повышение прочности и твердости при введении в титан примесей внедрения объясняют искажением решетки из-за внедре­ ния атомов этих элементов в междоузлия. Большое уп­ рочняющее действие азота объясняют тем, что азот силь­ нее искажает решетку титана, чем кислород, введенный в тех же количествах (см. рис. 29). Полагают, что рез­ кое снижение пластичности титана при увеличении со­ держания в нем азота и кислорода происходит не толь­ ко из-за растворного упрочнения, но также вследствие различного их влияния на параметры с и а гексагональ­ ной плотноупакованной решетки а-титана. Как указыва­ лось выше, при растворении кислорода и азота в титане параметр с увеличивается довольно сильно, а параметр а возрастает очень мало. В итоге соотношение осей с/а увеличивается и приближается к теоретическому значе­ нию 1,633, при котором титан теряет пластичность.

Углерод оказывает на свойства титана меньшее вли­ яние, чем кислород и азот, хотя размеры атома углеро­ да больше размеров атомов кислорода и азота, и они должны были бы больше искажать решетку титана, чем атомы указанных элементов. Углерод значительно силь­ нее влияет на модуль сдвига титана, чем кислород и азот, так что несоответствие модулей сдвига eG для углерода должно быть больше, чем для рассмотренных двух примесей внедрения. Поэтому и с позиций решаю­ щей роли в упрочнении различия модулей упругости вза­ имодействующих элементов следовало бы ожидать наи­ большего упрочняющего действия от углерода.

Полагают, что указанный аномальный эффект обус­ ловлен тем, что распределение атомов углерода в междо­ узлиях решетки а-титана в некоторой степени упорядо­ чено в результате больших упругих напряжений, вы­ званных растворением атомов углерода.В результате упо­

54

рядоченного распределения атомов углерода искажения решетки частично снимаются.

Детальные исследования атомного механизма упро­ чнения титана примесями внедрения выполнил Конрад [22, 25]. На рис. 34 показана зависимость термической

Рис. 34. Зависимость термической компоненты предела текучести т* от температуры для поликристаллического титана с разным содер­ жанием примесей внедрения в пересчете на эквивалент кислорода. % (ат.):

/ — 0,008; 2 -0 ,0 5 ; 3 — 0,13; 4 — 0,19; 5 -0 ,2 8 ; 5 — 0,38; 7 — 0,42

компоненты напряжений т* от температуры для титана разной чистоты [22]. Приведенные данные показывают, что термическая компонента пластического течения при данном содержании примеси пропорциональна квадрат­ ному корню из абсолютной температуры. При темпера­ туре абсолютного нуля т* пропорционально квадратному

корню из содержания примесей (рис. 35), если его вы­ разить в эквиваленте кислорода. Поскольку азот в два раза интенсивнее упрочняет титан, чем кислород, а уг­ лерод действует в 4/з раза слабее кислорода, то эквива­ лент кислорода С0 равен

55

Зависимость напряжения tJ о т С можно выразить урав­ нением (30)

где а '= 0 ,1 5 G.

Выше были рассмотрены различные механизмы вза­ имодействия дислокаций с беспорядочно распределенны­ ми растворенными атома­

впересчете на эквивалент кислорода,

%(ат.):

О

где Ае— различие в продольных и поперечных иска­ жениях решетки, вызванных растворенным атомом.

Если в уравнение (40) подставить Ае для атома кис­ лорода в а-титане, то получаем а'= 0,15 G в полном со­ ответствии с экспериментальными данными.

По гипотезе Флейшера энергия активации Я 0 и акти­ вационный объем v* определяются уравнениями

где Ь= ЬУ 2С; й — (14-2) Ь.

Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 34, 35, следует, что Я0= (0,15-^0,30) Gbz, a v* = (10-г-100)Ьг.

Термическая составляющая о* мало зависит от сте­ пени деформации и величины зерна. Атермическая сос­ тавляющая а**, напротив, определяется не только содер­ жанием примесей внедрения, но и степенью деформации и величиной зерна [35]. Роль примесей внедрения сво­

56

дится к тому, что они повышают плотность дислокаций при данной степени деформации и тем самым повышают атермическую составляющую сопротивления деформа­ ции. Примеси внедрения препятствуют скольжению ди­ слокаций в данной плоскости скольжения и вызывают поперечное скольжение. Чем больше атомов внедрения, тем выше вероятность, что данная дислокация оставит свою плоскость скольжения и перейдет в другую. Имен­ но из этих соображений Конрад и Оказаки [35] получи­ ли приведенное выше уравнение (10), определяющее за­ висимость сопротивления деформации от плотности дис­ локаций. В этом уравнении сто можно трактовать как термическую составляющую, а Л'д ЕЬр1/2 как атермичес­ кую составляющую напряжений. Уравнение (10) доста­ точно строго выполняется не только для иодидного, но и для технического титана (рис. 14). Напряжение ао воз­ растает с увеличением содержания примесей и составля­ ет 9, 11 и 37 кгс/мм2 для титана с эквивалентом кислоро­ да 0,009 (иодидный титан); 0,2 и 1 % соответственно. Ко­ эффициент Кд также возрастает с увеличением содержа­ ния примесей; для титана высокой чистоты (иодидный титан) он равен 0,61; для титана, содержащего 0,2 и 1,0% примесей, Кд равен 0,66 и 0,77 соответственно.

Г л а в а 4

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА

ОСНОВНЫЕ ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ТИТАНЕ

Для металловедения титана наибольшее значение имеет низкотемпературная часть диаграмм состояния, поскольку характер нонвариантных реакций с участием жидкости оказывает малое влияние на структуру и свой­ ства титановых сплавов в условиях их эксплуатации. Поэтому в соответствии с низкотемпературной частью диаграмм состояния С. Г. Глазунов [79] разделил все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм ти­ тана на три группы:

1. Первая группа представлена а-стабилизаторами — элементами, повышающими стабильность a -фазы. Из

57

металлов к числу а-стабилизаторов относится алюминий и, возможно, галлий и индий.

2. Ко второй группе принадлежат (3 стабилизаторы — элементы, повышающие стабильность p-фазы. Эти эле­ менты в свою очередь можно разбить на две подгруппы.

В сплавах титана с элементами первой подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад p-фазы; к числу таких элементов относятся хром, марганец, железо, никель, свинец, бериллий, ко­ бальт— их называют р-эвтектоидными стабилизатора­ ми. В сплавах титана с элементами второй подгруппы при достаточно высокой их концентрации р-твердый раствор сохраняется до комнатной температуры, не пре­ терпевая звтектоидного распада. Такие элементы назы­ вают изоморфными p-стабилизаторами. К числу этих элементов принадлежат ванадий, молибден, ниобий, тантал, вольфрам. В последнее время установлено, что

температурах возможно монотектоидное превращение. Тогда их следует отнести к р-монотектоидным стабили­ заторам.

3.Третья группа представлена легирующими элемен­

Эти элементы называют нейтральными упрочнителями.

Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана можно представить схемами, приведенными на рис. 36. На рис. 36, а представлена схема влияния на полиморфное превращение титана элементов, стабилизирующих a -фазу. Эти эле­ менты лучше растворяются в a -фазе, чем в p-фазе, и поэтому а+Р-область в этих системах с увеличением концентрации перемеща­ ется к более высоким температурам. В этих сплавах не удается сохранить закалкой р-фазу.

На рис. 36,6 представлена схема влияния на полиморфное пре­ вращение титана элементов, которые стабилизируют p-фазу, не при­ водя к нонвариантным превращениям. В этом случае а+Р-область с увеличением концентрации легирующих компонентов непрерывно понижается и при концентрациях выше С0 P-фаза становится термо­ динамически стабильной при комнатной температуре. Рис. 36, в ил­ люстрирует системы, в которых при температуре Ти происходит мо­ нотектоидное превращение, состоящее в том, что P-твердый раствор состава М распадается на a -фазу состава а и p-фазу состава b:

Рм а а “Ь Р ь.

В системах с р-эвтектоидными элементами (рис. 36, г) при неко­ торой температуре (Тя) происходит эвтектоидное превращение, при

58

котором [3-фаза распадается на и- и у-фазы (обычно раствор на ос­ нове металлида):

Рч^а + у.

Нейтральные упрочнители могут или повышать, или понижать температуру полиморфного превращения, но величина этих измене­ ний много меньше тех изменений, которые оказывают а- и р-стаби- лизаторы.

t

I

Содержание легирующего элемента

Рис. 36. Влияние легирующих элементов на температуру по­ лиморфного превращения титана

Элементы, стабилизирующие ц-фазу, а также нейтральные упроч­ нители, хорошо растворяются в а-титане. Растворимость легирующих элементов в а-титане представлена в табл. 8.

Растворимость [3-стабилизаторов в a -фазе значительно меньше, чем растворимость а-стабилизаторов, причем растворимость Р-эвтек- тоидных элементов уменьшается, а растворимость p-изоморфных эле­ ментов увеличивается с понижением температуры.

Эвтектоидные превращения в сплавах титана с переходными эле­ ментами (хром, марганец, железо) протекают чрезвычайно медленно и при обычных скоростях охлаждения не реализуются. В сплавах этой группы P-фаза легко фиксируется при комнатной температуре. Эвтектоидные превращения в сплавах титана с медью, серебром, зо­ лотом и некоторыми другими непереходными элементами, наоборот, протекают чрезвычайно быстро и зафиксировать p-фазу при комнат­ ной температуре в этих сплавах не удается.

Наиболее низкая температура эвтектоидного превращения наблю-

59

Т а б л и ц а 8

Максимальная растворимость легирующих элементов в а-титане*

[3, 48, 81, 82]

* Для Р -эвтектоидных стабилизаторов дана растворимость при эвтектоидной температуре, для всех остальных элементов при 600° С.____________________

дается в системе Ti—Мп. Температура эвтектоидного превращения повышается по мере удаления элементов в таблице Д. И. Менделеева от титана (рис. 37), из этой закономерности выпадает лишь желе-

Рис. 37. Низкотемпературная область диаграмм состояния сплавов титана с р -эвтектоидными элементами

60