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

б $ ,к г с /п м 2

Рис. 56. Влияние легирующих элементов на механические свойства титановых сплавов в отожженном состоянии

90

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ЖАРОПРОЧНОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титановые сплавы предназначены для работы не только при комнатной, нс и при повышенных температу­ рах. Поэтому важно знать, как влияют легирующие эле­ менты па жаропрочные свойства титановых сплавов.

Жаропрочные свойства .титановых сплавов обеспечи­ ваются в настоящее время двумя путями: 1) многоком­ понентным легированием твердых растворов (раствор­ ный механизм упрочнения) и 2) образованием высо­ кодисперсных выделений металлидов в результате распада пересыщенных сложнолегированных твердых растворов (дисперсионный механизм упрочнения) [113].

Жаропрочные свойства сплавов, структура которых представлена твердыми растворами, определяются в ос­ новном следующими факторами:

а) статическими искажениями решетки; б) прочностью связи (величина сил сцепления); в) тонкой структурой.

Статические искажения решетки определяются пара­ метрами размерного несоответствия и различием в мо­ дулях упругости растворяемого элемента и металла растворителя. Из анализа этих параметров, рассмотрен­ ных выше, следует, что большие статические искажения должны создавать железо, никель, марганец, молибден, хром, кобальт, меньшие олово, ванадий, цирконий, крем­ ний, алюминий и очень небольшие тантал и ниобий.

Прочность связи определяет величину тепловых ко­ лебаний атомов в решетке, которые в свою очередь ока­ зывают решающее влияние на скорость процессов раз­ упрочнения. С увеличением сил связи возрастает высота потенциальных барьеров, которые нужно преодолеть атомам при диффузионных процессах, и уменьшаются среднеквадратичные отклонения атомов из положения равновесия. Все это приводит к уменьшению скорости разупрочнения металла.

С повышением температуры роль статических иска­ жений решетки уменьшается, а влияние сил связи воз­ растает. При достаточно высоких температурах (выше 0,4 Гдл) жаропрочные свойства сплавов определяются в основном силами сцепления и связанными с ними, хотя и неоднозначно, скоростями диффузионных процессов. Таким образом, температурный уровень, до которого

91

сплав сохраняет свои жаропрочные свойства, опреде­ ляется прежде всего силами связи.

П. Л. Грузин, Г. В. Курдюмов, А. Д. Тютюпик [114] пришли к выводу, что предельный температурный уро­ вень эксплуатации сплавов определяется температурной зависимостью коэффициента диффузии атомов металла основы, так как коэффициенты диффузии последних в об­ ласти максимальных рабочих температур оказываются

почти одинаковыми для различных жаропрочных сплавов

(Ю-13—ю -н см2/с).

C. 3. Бокштейн в монографии [115] приводит коэф­

Из этих данных видно, что, несмотря па более высо­ кую точку плавления титана, при одной и той же темпе­ ратуре его коэффициент самодиффузии на два порядка больше, чем коэффициент самодиффузии никеля. Отсюда следует, что более низкая жаропрочность титановых сплавов по сравнению с другими металлами с близкими к нему температурами плавления обусловлена большой диффузионной подвижностью атомов титана.

С. 3. Бокштейн отмечает также, что диффузионная подвижность атомов основы играет решающую роль при растворном упрочнении. Если же жаропрочность обу­ словлена дисперсионным упрочнением, когда могут про­ исходить процессы старения, коагуляции и растворения упрочняющих фаз, то следует учитывать также диффу­ зию чужеродных атомов.

В связи с вышесказанным легирующие элементы должны тем сильнее повышать жаропрочность металла, чем больше они увеличивают прочность химической свя­ зи. О силах связи можно судить по характеристической температуре и величине среднеквадратичных отклонений атомов от положения равновесия в кристаллической ре­ шетке. Силы связи усиливаются с увеличением первой характеристики и уменьшением второй.

В работе [9] легирующие элементы в титане по влия­ нию на характеристическую температуру и среднеквад­ ратичные отклонения атомов из положения равновесия разделены на три группы:

92

а) элементы, повышающие характеристики прочнос­ ти связи (бор, углерод, азот, кислород, алюминий);

б) элементы, мало влияющие на характеристики прочности связи (гафний, цирконий);

в) элементы, понижающие прочность связи (олово, тантал, ниобий, ванадий, молибден, хром, железо, мар­ ганец) .

Жаропрочные свойства сплавов существенно зависят от их структуры: чем стабильнее структура при прочих

этом имеет расстояние между выделениями. В диспер­ сионно упрочненном сплаве дислокации перемещаются по плоскостям скольжения, пока не упираются в выделе­ ния. Если температура достаточно высока, дислокации могут переползти в параллельную плоскость скольже­ ния, лежащую вне выделения, и свободно перемещаться дальше до следующего препятствия.

На рис. 57 показана вычисленная зависимость скоро­ сти ползучести от расстояния между центрами выделе­ ний при заданной объемной доле второй фазы [15]. Размеры выделений предполагались однородными. Как показывают вычисления и подтверждает практика, ско­ рость ползучести сначала уменьшается с увеличением расстояния между выделениями, в некотором интерва­ ле расстояний она минимальна, а затем возрастает. При малом расстоянии между частицами, когда они слишком

93

дисперсны, дислокации не переползают, а перемещают­ ся по матрице сплава. На участке АВ (минимум ползу­ чести) дислокации скорее проталкивают частицы через матрицу или перерезают их, чем переползают.

При расстояниях, больших В, имеют место три про­ цесса, увеличивающие скорость ползучести.1

Рис. 58. Связь жаропрочности титановых сплавов с характером диа­ грамм состояния

1. Дислокации преодолевают сопротивление выделе­ ний, огибая их и оставляя вокруг них замкнутые петли. В этом случае чем больше расстояние между выделения­ ми, тем меньше сопротивление деформации.

2.В интервал между частицами может поместиться более одной дислокации и их совместное движение соз­ дает большую деформацию, чем перемещение одной дис­ локации.

3.Дислокация должна переползать на расстояние, равное диаметру выделения, которое растет по мере укрупнения частиц в значительно меньшей степени, чем объем выделения.

94

Влияние фазового состава па жаропрочность титано­ вых сплавов иллюстрируется рис. 58 [116]. В сплавах титана с элементами, изоморфными «- и fi-фазе (рпс. 58, и), жаропрочные свойства при умеренных тем­ пературах (300—400° С) повышаются с увеличением сте­ пени легированное™ и достигают максимума примерно при эквиатомном составе (рис. 58, д, кривая /). При по­ вышении температуры испытаний жаропрочные свойст­ ва сплавов, близких по составу к минимуму двухфазной области а + р , снижаются сильнее, чем для менее леги­ рованных сплавов, и на кривой жаропрочность — состав появляется минимум (рис. 58, д, кривая 2). Снижение жаропрочности этих сплавов связано с активацией ато­ мов вблизи температуры полиморфного превращения. Жаропрочные свойства сплавов рассмотренной системы обусловлены растворным механизмом упрочнения. Ти­ пичной системой этого типа является система Ti—Zr.

В сплавах второго рода (рис. 58,6) жаропрочные свойства в «-области повышаются с увеличением степе­ ни легирования и достигают максимума на границе об­ ластей а и а + р (рис. 58, е). Появление |3-фазы приводит к снижению жаропрочных свойств, что связано с неста­ бильным состоянием а- и p-фаз и повышенной диффузи­ онной подвижностью атомов в сплавах с а + р структу­ рой. В p-области жаропрочные свойства вновь повыша­ ются с увеличением содержания легирующих элементов, проходят затем через пологий максимум и уменьшаются по мере приближения ко второму компоненту. Такого ро­ да изменение жаропрочности от состава наблюдалось в сплавах систем Ti—V и Ti—Nb.

В сплавах третьего и четвертого типов (рис. 58,в, г) при ничтожно малой растворимости интерметаллида жа­ ропрочность определяется законами, характерными для механических смесей, т. е. она должна меняться по зако­ ну прямой линии. При заметной растворимости металлида в a -фазе при эвтектоидной реакции и ее уменьше­ нии с понижением температуры упрочнение может быть достигнуто не только за счет растворного механизма, но и за счет дисперсионного твердения. В этом случае жаро­ прочность должна быть максимальной при составе, обе­ спечивающем наибольшее дисперсионное упрочнение, т. е. при составе, отвечающем максимальной раствори­ мости металлида в a -фазе (рис. 58, ж, з).

При повышении температуры испытаний жаропроч-

95

пые свойства должны понижаться в тем большей степе­ ни, чем ниже температура эвтектоидного превращения и меньше устойчивость интерметаллида. Из диаграмм со­ стояния, приведенных на рис. 37, следует, что по степени повышения жаропрочности сплавов (З-эвтектоидные ле­ гирующие элементы можно расположить в следующий ряд: марганец, железо, кобальт, никель, медь, кремний.

Наиболее эффективно повышают жаропрочность эле­ менты, образующие с титаном металлиды, которые хорошо

сравнения величины структурного несоответствия, влия­ ния легирующих элементов на силы связи в титане, ха­ рактера их взаимодействия с титаном следует, что вы­ сокие жаропрочные свойства в титановых сплавах должны обеспечивать алюминий, цирконий, молибден, кремний.

Хотя алюминий имеет небольшое размерное несоот­ ветствие по отношению к титану, он существенно увели­ чивает силы связи в a-твердом растворе и поэтому повы­ шает жаропрочные свойства титана. К тому же алюми­ ний растворяется в a -титане в больших количествах и поэтому малый коэффициент упрочнения титана при растворении 1% А1 можно компенсировать более силь­ ным легированием.

Поскольку алюминий сильно повышает жаропроч­ ные свойства титана (рис. 59), он является непременным легирующим элементом жаропрочных титановых спла­ вов. С увеличением содержания алюминия жаропрочные

96