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

вносит механический фактор в сочетании с неоднород­ ным ориентированным распределением легирующих эле­ ментов и примесей.

В работе [172] методом локального спектрального анализа было изучено распределение легирующих эле-

8 5 ? 56 60 64 68

кгс/ммг

Рис. 76. Анизотропия механических свойств листа из сплава системы Ti—А1 при различном содержании кислорода (плоскость XZ), %:

/ — 0,09; 2 — 0,12; Л— 0,19

ментов в листах сплавов Ti—А1 и Ti—А1—V. Эти исследо­ вания показали, что ванадий в металле распределяется неравномерно, ориентированно, но он способствует бо­ лее равномерному распределению алюминия в объеме листа, что является одной из причин уменьшения анизо­ тропии свойств титановых сплавов при введении в них ванадия.

148

В описанных выше работах обсуждался вопрос об анизотропии механических свойств, определяемых при испытаниях на растяжение, Ударная вязкость обнаружи­ вает большую степень анизотропии. Анизотропия листо­ вого материала наиболее сильно проявляется в чувстви­ тельности листов к трещине. Удельная работа разруше­ ния (%т) образцов с предварительно нанесенной уста­ лостной трещиной, ориентированной в направлении про­ катки, примерно в полтора-два раза больше работы раз­ рушения образцов с трещиной, расположенной поперек прокатки. Так, в частности, удельная работа разрушения листов сплава ОТ4-1 составляет 10—15 кгс-м/см2 для образцов, вырезанных поперек прокатки (трещина ориентирована вдоль прокатки), и 6—7 кгс-м/см2 для продольных образцов (трещина ориентирована поперек прокатки) [173]. Для сплава ОТ4 эти величины равны 8—10 и 4—5 кгс-м/см2 соответственно. Следует отметить, что для металлов с кубической структурой (стали, алю­ миниевые сплавы) картина обратная: работа разруше­ ния образцов с трещиной, ориентированной вдоль про­ катки меньше, чем для образцов с трещиной поперек направления прокатки.

В работе [174] также было обнаружено, что прочно­ стные свойства листов толщиной 1—3 мм из сплавов ОТ4 и ОТ4-1 мало чувствительны к направлению вырезки об­ разцов. Несколько большая анизотропия наблюдается в величине относительного удлинения; оно минимально для образцов, вырезанных под углом 60° к направлению прокатки. В наибольшей степени анизотропия листоз сплавов ОТ4 и ОТ4-1 проявляется в сопротивлении раз­ рушению. Как и в работе [173], авторы обнаружили, что удельная работа разрушения (аут) поперечных образцов с усталостной трещиной, ориентированной вдоль направ­ ления прокатки значительно (в 3,5 раза) больше, чем для продольных образцов. Долговечность поперечных образ­ цов с центральной трещиной при асимметричном цикли­ ческом нагружении также больше, чем для продольных.

Нагрев сплавов при 950° С (выше Ас3) в течение 30 мин с последующим охлаждением как в воде, так и с печью практически устраняет анизотропию работы раз­ рушения. Авторы работы полагают, что нагрев сплавов ОТ4 и ОТ4-1 до температур, соответствующих р-области, изменяет текстуру прокатки, что существенно сказывает­ ся на анизотропии свойств.

149

В работе [175] описана анизотропия механических свойств листов а-сплава ВТ5-1; псевдо-а-сплава ОТ4; а+|5-сплавов ВТЗ-1 и ВТ14, а также {5-сплава ВТ15. Ис­ следования были проведены па продольных и поперечных образцах, вырезанных из листа толщиной 3 мм. Образцы сплава ВТ5-1 были подвергнуты отжигу, а сплавов ОТ4, ВТЗ-1, ВТ14 и ВТ15 — отжигу, закалке и старению.

Пределы прочности поперечных и продольных образ­ цов сплавов ВТ5-1 и ОТ4 близки между собой. Предел прочности сплавов ВТЗ-1, ВТ14 и ВТ 15 почти во всех со­ стояниях больше при проведении испытаний на попереч­ ных образцах. Равномерная деформация и относитель­ ное удлинение, продольных образцов почти во всех случаях больше, чем поперечных, а сосредоточенная де­ формация, наоборот, меньше.

Величина аут поперечных образцов из сплавов ВТ5-1 и ОТ4 больше, чем продольных, т. е. работа разрушения при трещине, ориентированной вдоль волокна, выше, чем при трещине поперек волокна. Для сплавов ВТЗ-1 и ВТ14 в отожженном состоянии наблюдалась обратная анизо­ тропия удельной работы разрушения (аут поперечных об­ разцов выше, чем продольных), а в термически упрочнен­ ном— прямая. Для (5-сплава ВТ15 после всех исследо­ ванных режимов термической обработки характерна прямая анизотропия аут.

Удельная работа разрушения а- и псевдо-а-сплавов значительно больше, чем для а+(5- и (5-сплавов в отож­ женном состоянии, причем аут для сплава ВТ14 выше

(4,4—5,5 кгс-м/см2), чем для ВТЗ-1 (3,7—4,2). Сплав ВТ15 имеет наименьшую работу разрушения (1,3—2,8). Термическое упрочнение а+(5- и р-сплавов существенно уменьшает работу разрушения; при пределе прочности больше 130 кге/мм2 аут составляет 0,3—1,5 кгс-м/см2.

В той же работе были изучены свойства сплава ВТ 14 при испытаниях на растяжение образцов шириной 10 мм с полуэллиптической несквозной трещиной. Отожженный сплав ВТ14 оказался нечувствительным к трещинам дли­ ной до 5 мм. Предел прочности закаленного сплава, а также закаленного и состаренного уменьшается с увели­ чением длины трещины, причем для продольных образ­ цов это снижение выражено меньше, чем для поперечных.

Текстура деформации оказывает также влияние на свойства прессованных полуфабрикатов. Прессованные полуфабрикаты из титана и а-титановых сплавов ВТ5 и

150

ВТ5-1 отличаются повышенным -пределом прочности по сравнению с коваными полуфабрикатами (рис. 77). В двухфазных титановых сплавах такого эффекта упроч-

S , %

S ,%

Рис. 77. Частота повторяемости механических свойств прессованных прут­ ков (1) и кованой технологической пробы (2) сплавов ВТ5 (а) и ВТ6 (б)

нения не наблюдается (табл. 17). По существу это сво­ еобразный прессэффект, отличающийся от аналогичного явления в алюминиевых сплавах отсутствием распадных процессов. Проведенные исследования [176] показали, что повышенная прочность прессованных полуфабрика­

151

тов из титана и а-сплавов обусловлена сохранением на­ клепа и наличием текстуры.

Процессы рекристаллизации особенно интенсивно проходят в том случае, когда пластическая деформация сопровождается фазовыми превращениями. Прессование однофазных сплавов из-за малого интервала а+р-облас- ти осуществляется или в а-, или в p-области и фазовые превращения не сказываются на процессах рекристалли­ зации. При прессовании двухфазных титановых сплавов (ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8) вследствие более низкой температуры фазового а + р ^-превращения и значительно более широкой двухфазной области процессы рекристаллиза­ ции успевают пройти даже при более низких температу­ рах прессования (<1000°С). Поэтому их прочность в прессованном состоянии находится приблизительно на уровне прочности кованой пробы или ниже.

Второй фактор, обусловливающий повышенную проч­ ность прессованных изделий из а-титановых сплавов по сравнению с коваными, связан с текстурой деформации. Тот факт, что текстура имеет важное значение в эффекте упрочнения однофазных титановых сплавов, хорошо ил­ люстрируется полюсными фигурами для горячеирессованных прутков титана ВТ1 из плавок с применением кусковых отходов и на чистой шихте. После прессования

152

при 1000°С в обоих случаях структура полностью рекристаллизованная, тем не менее прочность прессован­ ных прутков титана выше прочности кованых прутков, полученных при тех же температурах и степенях дефор­ мации.

В прутках титана ВТ1, выплавленных с применением кусковых отходов, наблюдается ярко выраженная чет­ кая текстура с очень большой интенсивностью, что нель­ зя сказать о прутке более чистого титана. Данные газо­ вого анализа на кислород показали, что в первом прутке среднее содержание кислорода 0,11 %, а во втором 0,06%. Увеличение содержания кислорода на 0,05% должно привести к повышению прочности всего на 5—6 кгс/мм2. В прессованном же прутке с кусковыми отходами это увеличение составило 12,5 кгс/мм2. Поэтому повышенная прочность в прессованных полуфабрикатах из титана ВТ1, выплавленных с применением кусковых отходов, по сравнению с кованой пробой обусловлена не только уп­ рочняющим действием кислорода, но и более четко выра­ женной текстурой.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Титан и его сплавы достаточно широко применяют в криогенной технике, поскольку они сравнительно мало склонны к хладноломкости. К тому же не только при по­ вышенных, но и при криогенных температурах они име­ ют более высокую удельную прочность по сравнению с другими материалами, применяемыми в криогенной тех­ нике, в частности по сравнению с нержавеющими сталя­ ми (рис. 78) [177].

В связи с тем что удельная прочность титана и его сплавов при криогенных температурах значительно вы­ ше, чем у других конструкционных материалов при со­ хранении достаточно высокой пластичности, их все чаще начинают применять для изготовления узлов и деталей, работающих при криогенных температурах в самолетах, ракетах и космических кораблях [121].

В табл. 18 приведены механические свойства про­ мышленных титановых сплавов при криогенных темпе­ ратурах. Испытания проводили на гладких образцах в отожженном состоянии. Сплавы серии АТ были отожже-

153

Т а б л и ц а 18

Механические свойства титановых сплавов при криогенных температурах [120, 121]

t , 3С

Рис. 78. Удельная прочность (®В/Р) различных материа­ лов при низких температурах:

/ — ВТ6С, ВТ14; 2 — BT5-I; 3 — США; 4 — Д16; 5—Х18Н9Т

растает в 1,4—1,5 раза при —196° С и в 1,8—2 раза при —253° С по сравнению с прочностью при комнатной тем­ пературе. Пластические свойства а-сплавов, характери-

154