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

Из формулы (44) следует, что для титана оптималь­ ная температура развития' сверхпластичности должна составлять 0,96—0,98 от абсолютной температуры поли­ морфного превращения [195].

На рис. 80 приведена зависимость удлинения техниче­ ски чистого титана от температуры испытаний на сжа­ тие, по данным Н. И. Корнеева и И. Г. Скугарева [196].

Для иодидного титана при температуре 800° С наблюдается аномально высокий всплеск удлине­ ния, обусловленный сверхпластичностью. Тем­ пература аномально вы­ сокого удлинения (800° С) несколько ниже точки по­ лиморфного превращения (882° С) и составляет 0,92 от абсолютной температу­ ры полиморфного превра­ щения титана. По данным работы [175], для техни­ ческого титана она еще

т700 800 зоо то то выше: 940° С (температу­

ловленная фазовыми превращениями, связана с объем­ ными эффектами при превращении, она интенсивно раз­ вивается при циклировании температуры с переходом через точку полиморфного превращения. Этот эффект называют динамической сверхпластичностью. Деформа­ ция за один цикл в первом приближении постоянна при неизменном напряжении, так что общая деформация возрастает с числом циклов по закону, близкому к ли­ нейному. Деформация за один цикл возрастает прямо пропорционально приложенному напряжению. Такого рода сверхпластичность наблюдалась для титана при циклировании температуры вблизи точки полиморфного превращения при испытаниях на растяжение [190], кру­ чение [191] и сжатие [197]. Деформация титана за один

162

цикл в интервале температур полиморфного превраще­ ния возрастает с увеличением напряжения сначала ли­ нейно, а свыше некоторого его критического значения—• по резко повышающейся кривой. С понижением частоты циклирования температуры напряжение, приводящее к ускоренной деформации, уменьшается и составляет 0,56 кгс/мм2 за цикл при высокой частоте (1 цикл/мин) и 0,1 кгс/мм2 при малой частоте (3 цикл/ч).

Сверхпластичность наблюдается также и в ряде тита­ новых сплавов (табл. 20). Максимальное удлинение при развитии этого эффекта наблюдается вблизи температу­

Эффект сверхпластичности в титановых сплавах боль­ ше, чем в чистом титане, и усиливается с уменьшением величины зерна. В работе [197] описано сверхпластичное течение в сплавах Ti-—6А1—4V, Ti—5А1—2,5Sn и Ti— 4А1—Q,2502. Эти сплавы быстро нагревали до темпера­

тур, соответствующих двухфазной области несколько ни­ же точки перехода а + р ^ р , в результате чего они при­ обретали мелкозернистую структуру со средним расстоя­ нием между границами зерен 6—24 мкм.

При малой скорости деформации (~ 1 0 ^ 4с-1) удлине­ ние образцов исследованных сплавов при температурах несколько ниже температуры полиморфного превращения а + р ^ р превышало 1000%, а напряжения сильно умень­ шались (рис. 81). При малых скоростях деформации истинные напряжения достигали минимума при 1030° С

для сплава Ti—5А1—2,5Sn и при 960° С для сплава Ti— 6А1—4V. Повышение температуры деформации выше этих значений приводило к возрастанию напряжений. Температуры максимального проявления сверхпластич­ ности в исследованных сплавах Ti—5А1—2,5Sn и Ti—

Рис. 81. Зависимость истинных напряжений от скорости

вов до температур, соответствующих p-области, устра­ нял эффект сверхпластичности.

При малых скоростях деформации (порядка 10~4с-1) Параметр т для исследованных сплавов составлял 0,7— 0,8. При скоростях деформации более Ю ^с-1 величина т падала до 0>3 и сверхпластичность исчезала. Во всех

164

Р а з д е л ||

СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Кратковременные свойства, полученные при испы­ таниях на растяжение гладких образцов, часто не характеризуют с достаточной полнотой работоспособ­ ность металлов в реальных конструкциях. В ряде случаев конструкции, выполненные из материала, имеющего бо­ лее высокую статическую (предел прочности) или дина­ мическую (предел усталости) прочность, при испытании лабораторных образцов разрушаются при более низких нагрузках или при меньшем сроке эксплуатации, чем конструкции, изготовленные в лабораторных условиях

из менее прочных материалов.

Наблюдаемое несоответствие между прочностью мате­ риала и конструкционной прочностью объясняется следу­ ющими особенностями служебных свойств конструкции по сравнению со свойствами лабораторных образцов:

1. Значительно большими размерами конструкции. При заданном уровне напряжений с увеличением разме­ ров нагруженного тела его запас упругой энергии увели­ чивается, а возможность релаксации напряжений путем пластической деформации уменьшается.

2. Сложностью формы конструкции и многообразием системы действующих реальных внешних нагрузок, ча­ сто приводящих к сильно выраженной неоднородности напряженного состояния в детали.

3.Наличием довольно высоких «технологических»

дефектов, являющихся потенциальными очагами хрупко­ го разрушения, так как в условиях производства доволь­ но трудно предохранить деталь от многочисленных мел­ ких повреждений поверхности. Поверхностные дефекты более опасны, чем внутренние, и с этой точки зрения

167

конструкция всегда будет находиться в менее выгодных условиях, чем образец.

5. Сложными во многих случаях условиями окружаю щей конструкцию среды, комплексное воздействие кото­ рых часто трудно воспроизвести при лабораторных ис­ пытаниях, например тропические условия (влажность, температура, микроорганизмы и т. и.), разные рабочие среды, состав которых может во времени меняться, и т. п.

Отсутствие однозначной связи между основными ме­ ханическими свойствами материала, определяемыми на образцах при лабораторных испытаниях, и поведением готовой конструкции чаще всего проявляется при приме­ нении высокопрочных материалов, а именно для сталей с сгв более 120 кгс/мм2, алюминиевых сплавов с ав более 40—45 кгс/мм2 и титановых сплавов с ств более 85 кгс/мм2.

В связи со сказанным все большее внимание уделяет­ ся изучению влияния надрезов на свойства металлов и сплавов, замедленному хрупкому разрушению, вязкости разрушения, испытаниям на усталостную прочность, кор­ розионному растрескиванию, влиянию масштабного фак­ тора на свойства металлов и сплавов. Для оценки рабо­ тоспособности металлов и сплавов при повышенных тем­ пературах необходимо оценить длительную прочность. Некоторые из этих вопросов и рассматриваются в насто­ ящем разделе.

Г л а в а 1

СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ДВУХОСНОМ РАСТЯЖЕНИИ

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ДВУХОСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

Механические свойства титановых сплавов при одноосном растя­ жении не характеризуют с достаточной полнотой конструктивную прочность тонколистового материала при применении его для изго­ товления обшивки различного рода аппаратов, которая работает в условиях двухосного растяжения с различным соотношением глав­ ных напряжений.

Соотношение прочности материала при одноосном и двухосном растяжении зависит от вязкости материала. При вязком разрушении конструктивная прочность тонкостенных сосудов, работающих под внутренним давлением, больше прочности при одноосном растяже­ нии (или равна ему). При макрохрупком разрушении конструктив-

168

пая прочность меньше предела прочности. Переход сплавов из вяз­ кого состояния в хрупкое при увеличении их прочности при двухос­ ном растяжении происходит раньше, чем при одноосном. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется методам оценки ме­ ханических свойств титановых сплавов в условиях двухосного растя­ жения.

Для оценки механических свойств листовых материалов при двух­ осном растяжении используют несколько методов:

а) натурные испытания сосудов, корпусов и других изделий; б) полунатурные испытания конструкций, уменьшенных в мас­

штабе; в) лабораторные испытания.

Натурные и полунатурные испытания слишком трудоемки. По­ этому в последние годы разработан ряд лабораторных методов оценки конструктивной прочности сплавов при двухосном растяже­

нии путем испытания образцов простой формы. Они позволяют полу­ чить предварительные результаты при выборе сплавов для тех или иных применений, отработки технологии, установления причин хруп­ кого разрушения.

Лабораторные испытания включают в себя осевое растяжение

выточкой по его ширине [200] (рис. 83, а), изгиб широкого образца, нагружение внутренним давлением плоских, эллипсоидных или сфе­ рических сегментов [201] (рис. 83, б).

При испытаниях па осевое растяжение максимальные осевые на­ пряжения оценивают по общим для такого растяжения формулам. Для более детального анализа деформации в пластической области па поверхность образцов накатывают сетку. Измерения поперечной и продольной деформации элементов сетки у разрушенного образца позволяют вычислить местную максимальную пластическую дефор­ мацию в\ и е2.

т