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

Действительное изменение механических свойств отожженных титановых сплавов в зависимости от соста­ ва не вполне согласуется с законами Н. С. Курнакова. Джаффи [4] отмечает, что, когда в структуре сплава имеется небольшое количество второй фазы, его проч-

Рис. '50. Схема зависимости прочности отожженных титановых сплавов от фазового состава по Р. Джаффи (а) и В. Н. Моисееву (б)

н о сть б л и з к а к п р о ч н о ст и м а т р и ц ы . С у в е л и ч ен и е м к о л и ­ ч ес т в а в т о р о й ф а з ы т е м п и з м е н е н и я св о й с т в н а р а с т а е т

м ен ен и е с в о й ст в д в о й н ы х а + р - т и т а н о в ы х с п л а в о в в з а ­

мышленных а+р-сплавов сильно зависят не только от свойств составляющих фаз и их количества, но и от гете­ рогенности структуры. Поэтому по мере увеличения ко­ личества p-фазы в a-матрице прочность постепенно воз­ растает и достигает максимума для сплава со структурой, содержащей 50% каждой фазы. При дальнейшем увели­ чении концентрации p-стабилизаторов происходит пере­ ход от а- к p-матрице и по мере уменьшения количества a -фазы в p-матрице прочность сплавов уменьшается (рис. 50,6). Максимум прочности а+р-сплавов не обя­ зательно соответствует структуре с 50% каждой из фаз и может несколько смещаться в ту или иную сторону в зависимости от свойств фаз. Максимуму прочности со­ ответствует минимум пластичности.

В законах Н. С. Курнакова подразумевается, что ве­

85

личина зерен отдельных фаз существенно нс меняется. В действительности, при переходе от сх-сплавов к [3-спла­ вам величина зерен меняется весьма существенно и до­ стигает минимума при структуре, представленной 50% a -фазы и 50% [3-фазы. Так, например, в сплаве Ti-f- +2% V, структура которого представлена a -фазой, ли­ нейные размеры зерна составляют 150 мкм, в сплаве

Ti+16% V 5 мкм, а в [3-сплаве Ti+25% V 200 мкм. Та­ кое резкое изменение величины зерна может действи­ тельно привести к существенному отклонению зависимо­ стей состав — свойство от закона аддитивности.

Экспериментально наблюдались и зависимости, от­ меченные Джаффи, и зависимости, отмеченные Моисе­ евым. Это связано, во-первых, с тем, что большое влия­ ние на характер зависимости прочностных свойств отож­ женных а+р-сплавов от состава оказывает не только величина зерна, но и соотношение прочности а- и |3-фаз. Рис. 49 иллюстрирует возможные закономерности из­ менения прочностных свойств сплавов в зависимости от свойств составляющих сплавы фаз и величины зерна. Кривые 1, 2 иллюстрируют изменение свойств в соответ­ ствии с законами Н. С. Курнакова, а кривая 3—допол­ нительное упрочнение, связанное с большей прочностью приграничных слоев металла. Если прочностные свойст­ ва а- и |3-фаз близки, то суммарная кривая 1' имеет мак­ симум, а если различие в свойствах фаз велико, то полу­ чается сигмаобразная кривая 2'.

Во-вторых, при охлаждении после отжига из [3-фазы может выделиться ш-фаза, которая, как известно, сильно упрочняет сплавы, если только не вызывает хрупкого разрушения. Наибольшее ее количество образуется в от­ ожженных сплавах, близких по составу к той концентра­ ции, при которой структура а+|3 сменяется |3-структу- рой. Рис. 51 иллюстрирует изменение твердости сплавов системы Ti—Мо после отжига при 700, 750 и 800° С с по­ следующим охлаждением на воздухе. Твердость сплавов возрастает с увеличением содержания молибдена, дости­ гает максимума, когда микроструктура, представленная а- и (3-фазами, сменяется ^-структурой, и затем не возра­ стает, как должно быть по законам Н. С. Курнакова, а уменьшается. Это обусловлено тем, что в структуре спла­ ва имеется co-фаза, не выявляемая металлографическим

Содержание Mo, %

Рис. 51. Влияние состава на механические свойства сплавов системы Ti—Мо после отжига при температурах, °С (по данным Мамоно­ вой Ф. С.):

1 ~ 800; 2 — 750; 3 — 700; 4 - 650

84

то же, так как состав (5-фазы не меняется. Однако коли­ чество (3-фазы вместе с со -фазой с увеличением содержа­ ния молибдена возрастает и в связи с этим повышается

твердость сплавов. Когда а+(3-структура сменяется (3-структурой, степень ле­

гирования (3-фазы начи­ нает постепенно возрас­ тать, а количество «-фа­ зы уменьшаться, что и приводит к снижению уп­ рочнения. При повышении температуры отжига, а точнее температуры нор­ мализации, состав р-фа- зы смещается в сторону с меньшим содержанием молибдена, и поэтому максимум твердости сдви­ гается влево.

Следует отметить, что все промышленные а+|3-титановые сплавы не явля­

ются двойными, а содержат не менее трех компонентов. Для двухфазных сплавов сложной системы в общем случае нельзя ожидать аддитивности свойств. Рассмот­ рим этот вопрос более подробно на примере тройной си­

стемы, следуя тому анализу, который дал Д. А. Петров

[ 102] .

На рис. 52 приведено типичное изотермическое сече­ ние диаграммы состояния тройной системы. Рассмотрим изменение свойств сплавов такой системы вдоль разреза /—/. При перемещении от точки а до точки b содержа­ ние компонента В в сплавах меняется от величины, со­ ответствующей стороне А —В, до нуля по закону прямой линии. По тому же закону изменяется содержание ком­ понента В в двойных сплавах системы А — В при переме­ щении от точки а до чистого компонента А. Поэтому твер­ дость a -твердого раствора, связанная с изменением в нем содержания компонента В при переходе от точки а до точки Ь, должна описываться, как и в двойных системах, кривой 1 на рис. 53, обращенной выпуклостью вверх, от

.твердости сплава а до твердости чистого металла А (пунктир на рис. 53).

При перемещении состава сплавов от точки b до точ­ ки а содержание компонента С также меняется прямоли-

85

пейно от значения, отвечающего стороне А —С, до нуля. Поэтому по аналогии с вышесказанным твердость а- твердого раствора, обусловленная изменением в нем со­ держания компонента С при переходе от точки b до точ-

п

Ж

Рис. 53. Изменение твердости сплавов в зависимости от состава вдоль характерных сечений I—V (см. рис. 52)

ки а, также должна описываться кривой 2 на рис. 53, обра­ щенной выпуклостью вверх. К упрочнению, обусловлен­ ному растворением в металле А компонентов В и С, следует добавить дополнительное повышение твердости

Суммарная прочность, например, сплава состава с оце­

тельно. Если состав тройных a -твердых растворов меня­ ется от двойного сплава с большим содержанием одного компонента до двойного сплава с малым содержанием другого компонента (разрез /, а на рис. 53), то кривая твердости не имеет максимума.

Рассмотрим теперь разрез 11, совпадающий по на­ правлению с конодой в двухфазной области а + р . Твер­

86

дость а- и p-твердых растворов будет возрастать криво­ линейно по мере увеличения в них содержания легиру­ ющих элементов, но в двухфазной области а+|3 свойст­ ва меняются аддитивно (рис. 53), так как состав фаз, а следовательно, и их свойства остаются постоянными, из­ меняется лишь количество фаз (по правилу рычага, как и в двойной системе).

Если разрез не совпадает с направлением коноды в двухфазной области (/// па рис. 52), то свойства двух­ фазных сплавов не описываются прямой линией (рис. 53), так как при изменении состава сплавов меня­ ется не только количество фаз, но и их состав. При переме­ щении состава сплавов от линии растворимости в а-фазе до линии растворимости в p-фазе состав a -твердого рас­ твора меняется от п до т, а состав p-твердого раствора — от п 1 до ГП\.

Рассмотрим далее разрез IV, пересекающий двух­ фазные а + р , а + у и трехфазную а + р + у области. Твер­ дость двухфазных сплавов в зависимости от состава из­ меняется криволинейно, поскольку разрез пересекает коноды, а твердость трехфазных сплавов меняется по закону прямой линии, так как состав фаз остается по­ стоянным (он отвечает вершинам конодного треугольни­ ка), а изменяется лишь их количество.

Изменение свойств сплавов разреза V сочетает в се­ бе все рассмотренные выше закономерности (рис. 53).

Свойства сплавов тройной системы можно предста­ вить в виде линий их равных значений. На рис. 54 при­ ведены линии равной твердости (изосклеры) для рас­ смотренной выше системы. Для наглядности на рис. 54 указаны условные числовые значения твердости. В од­ нофазных и двухфазных областях изосклеры представ­ лены кривыми линиями, а в трехфазной — прямыми. Максимумы твердости в однофазных областях могут не отвечать точкам двойного насыщения тройных твердых растворов а, b и с и лежать внутри однофазных облас­ тей. В последнем случае некоторые из изосклер должны замыкаться внутри однофазных областей.

Описанные выше закономерности справедливы не только для твердости, но и для пределов прочности и те­ кучести. Пластические характеристики должны изме­ няться в направлении, обратном направлению изменения прочностных характеристик.

Линии равных значений очень наглядно иллюстри-

87

to

Рис. 54. Типичные изосклеры (линии равной твердости) для сплавов изотер­ мического сечения, приведенного на рис. 52

88