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

свойства титана повышаются, по пластичность падает. Особенно резкое падение пластичности наблюдается при концентрациях алюминия более 7% из-за образования сверхструктуры агПоэтому состав титановых сплавов должен выбираться таким образом, чтобы образование сверхструктуры аг было исключено. Высокой жаропроч­ ностью обладает алюминид Ti3Al и есть попытки на его основе создать особо жаропрочные титановые сплавы [116, 117]. Хотя пластичность их при низких температу­ рах невысока, возможность применения таких сплавов при температурах порядка 750—850° С заманчива.

Цирконий повышает жаропрочные свойства титано­ вых сплавов, обеспечивая упрочнение титана (хотя и небольшое) из-за статических искажений решетки, не снижая силы связи. Благоприятное влияние молибдена на жаропрочность связано с замедлением диффузион­ ных процессов, а кремния— с высокой температурой эвтектоидного превращения и образованием дисперсных силицидов [83, с. 13; 118].

Из приведенных выше данных следует, что примеси внедрения должны повышать жаропрочные свойства титана. Положительное влияние кислорода на жаро­ прочность титановых сплавов действительно было обна­ ружено в ряде работ [9, 112]. Однако к легированию ти­ тановых сплавов элементами внедрения относятся осто­ рожно. Примеси внедрения (азот, кислород и углерод) оказывают вредное влияние на некоторые свойства ти­ тановых сплавов. Они ухудшают их технологичность, пластичность и свариваемость [96, с. 142; 119]. Приме­ си внедрения повышают чувствительность титановых сплавов к концентраторам напряжений и к хладнолом­ кости, ухудшают их термическую стабильность — важ­ ную характеристику титановых сплавов. Под термичес­ кой стабильностью понимают способность сплавов со­ хранять высокие прочностные и пластические свойства после длительного действия повышенных температур. Для оценки термической стабильности сплавов образцы выдерживают в течение определенного времени (100 или 1000 ч) при разных температурах, а затем охлаждают до комнатной температуры и определяют их механичес­ кие свойства. После выдержки при достаточно высоких температурах сплав теряет низкотемпературную плас­ тичность из-за протекающих в нем превращений, чаще всего из-за распада p-фазы и упорядочения a -фазы. Чем

выше температура, с которой начинается снижение пла­ стичности при подобных испытаниях, тем больше терми­ ческая стабильность сплавов. Примеси внедрения уско­ ряют процессы распада метастабильных |3- и «-фаз и поэтому снижают термическую стабильность.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В последнее время все больше возрастает потреб­ ность в материалах для работы при криогенных темпе­ ратурах в связи с использованием в разных областях тех-

и гелия [120, 121]. Для работы в этих условиях нужны материалы, не склонные к хладноломкости и мало чувст­ вительные к надрезу. Как было показано в гл. 1, титан высокой чистоты удовлетворяет этим требованиям.

В работах [39. 100, 122—128] было изучено влияние криогенных температур на механические свойства тита­ на, легированного различными элементами. По дан­ ным этих работ, на рис. 60 приведено влияние легирую­ щих элементов на механические свойства титана при температурах жидкого азота и жидкого водорода. Вве­ дение в титан алюминия до 1,5% и ванадия в количест­ вах, меньших 5%, не приводит к существенному умень­ шению пластичности при криогенных температурах; при

98

больших концентрациях происходит резкое снижение пластичности. При легировании титана ниобием (до 4%) и цирконием (до 8%) высокая пластичность сохра­ няется до температуры жидкого гелия [39]. При темпера­ турах —196 и —253° С поперечное сужение и удлинение сплавов титана, содержащих до 2—3% Та, сохраняются такими же высокими, как и у чистого титана, а при боль­ ших концентрациях тантала параметры пластичности хотя и снижаются, но незначительно. Поперечное суже­ ние и удлинение титана при легировании оловом посте­ пенно снижаются и достигают нуля при 12% Sn. Сплав Ti+2,5% Sn сохраняет достаточно высокую пластич­ ность до температуры жидкого азота (ф = 30%, 6= 17% ).

При легировании титана лантаном в пределах раст­ воримости в а-титане (0,44-1,0% La) пластичность спла­

нии лантана в титан в количествах, превышающих его растворимость в а-фазе (1,8 и 2,2% La), пластичность резко снижается из-за появления на границах зерен у-фазы. Разрушение титана и его сплавов с небольшим содержанием лантана при температуре —196° С проис­ ходит по телу зерна; появление у-фазы по границам зер­ на приводит к межзеренному разрушению. Легирование титана 0,4; 0,8 и 1,8% Pd вызывает снижение пластич­ ности во всем исследованном интервале температур (от —196 до 800° С). Легирование титана рением в количе­

щих до 3% Та, 5% V, 4% Nb, 1,5% А1, 2,5% Sn, при тем­ пературе жидкого азота оказалось выше, чем при комнат­ ной. Основной причиной увеличения пластичности спла­ вов, как и титана, при температуре жидкого азота явля­ ется, по-видимому, интенсивное развитие в этих услови­ ях двойникования, помимо скольжения [126]. При дальнейшем понижении температуры роль скольжения уменьшается и удлинение падает.

В сплавах титана с цирконием, как и в чистом титане, пластическая деформация при температуре жидкого ге­ лия имеет скачкообразный характер. Авторы работы [266] полагают, что скачкообразная деформация при

температурах, близких к точке абсолютного нуля, связа­ на с адиабатическим нагревом в ограниченных объемах и не связана с конкретным механизмом деформации.

Все легирующие элементы повышают прочностные свойства титана. Наиболее сильно при —196°С упроч­ няют титан рений, палладий и тантал. Поскольку тантал повышает прочностные свойства титана без существен­ ного снижения пластичности, то он является перспектив­ ным легирующим элементом в сплавах, предназначенных для работы при криогенных температурах.

Работоспособность сплавов при криогенных темпера­ турах определяется также их чувствительностью к кон­ центрации напряжений. Как было указано выше (см. стр. 25), этот фактор определяют или как отношение предела прочности надрезанных с" к пределу прочно­

сти гладких <7в образцов, или как отношение предела прочности надрезанных а” к пределу текучести гладких

00,2 образцов, а также как отношение удлинения или по­ перечного сужения при испытаниях на растяжение над­ резанных и гладких образов (бн/б или фн/ф).

Величина фн определяется как поперечное сужение в минимальном сечении надреза, а ф как поперечное сужение материала, полученное при испытаниях на рас­ тяжение гладких образцов, диаметр которых равен ми­ нимальному диаметру надрезанных образцов в устье надреза. Указанное соотношение диаметров необходимо для того, чтобы на результатах испытаний не сказывал­ ся масштабный фактор. Определение фн по изменению диаметра в минимальном сечении надреза условно, так как в расчетный диаметр образца входит область, кото­ рая испытывает и упругую, и пластическую деформа­ цию. Малые значения фн не ограничивают работоспособ­ ность материала, если в устье надреза происходит пере­ распределение напряжений, а значит, и деформаций.

Полагают, что материал нечувствителен к концентра­ ции напряжений, если а"/ав>1. Цирконий понижает со­

отношение а”/ав, но даже при температуре жидкого ге­

лия оно больше единицы при всех исследованных кон­ центрациях циркония (до 25% Zr). Это свидетельствует

пределению в области надрезов.

При температуре жидкого азота отношение напряже*

100

ний CTg/ав больше единицы у всех исследованных спла­

вов титана с ванадием (до 10% V), ниобием (до 10% Nb), танталом (до 10% Та), алюминием (до 5% А1). Более того, у сплавов титана, содержащих порознь

2—5% V; 4—6% Nb; 1,5—3% Та, эта характеристика больше, чем у чистого титана. Введение в титан олова свыше 8% уменьшает отношение о»,'ав до значений,

меньших единицы.

При температуре жидкого водорода отношение о” /о,

для титана и сплавов, содержащих порознь 2% (ат.) Zr,

Та, Nb и V, составляет 1,7; 1,7; 1,45; 1,3 и 1,27 соответст­ венно. По характеристике фн/ф сплавы титана с танта­

ниобий, а тантал в определенном интервале концентра­ ций даже повышает ее.

В работах [83, с. 24; 128] были сформулированы основные принципы легирования титановых сплавов для применения при криогенных температурах. Высокая пластичность титановых сплавов при криогенных темпе­ ратурах сохраняется при легировании титана элемента­ ми, близко к нему расположенными в Периодической системе Д. И. Менделева, такими как цирконий, гафний,

101