Файл: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 170
Скачиваний: 1
сплава ВТ14 к надрезу при испытании сферических сег ментов оказалась выше, чем чувствительность к надрезу при растяжении плоских образцов. Авторы работы [203] объясняют этот эффект более сложным деформирован ным состоянием металла вблизи щели в сферическом сегменте, а также дополнительной концентрацией напря жений у изгиба сегмента при переходе к плоскому флан-
Рис. 84. Эпюра мак симальных нормаль ных напряжений при испытании на двух осное растяжение сферического сегмен та \а) и образца с выточкой (б)
цу. При аналогичных испытаниях сплав ОТ4 нечувстви телен к надрезу. Таким образом, большая чувствитель ность к надрезу при двухосном растяжении по сравнению с одноосным характерна лишь для высокопрочного мате риала.
Сплав
ОТ4 ВТ 14
ВТ16
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
22 |
||
Прочность гладких и надрезанных образцов при двухосном |
|||||||||||
|
|
|
растяжении сферических сегментов |
[203] |
|||||||
|
|
|
Я |
|
|
|
Характеристики прочности |
||||
|
|
|
|
|
|
при двухосном растяже |
|||||
|
|
|
S |
|
|
|
|||||
|
|
|
лист |
|
|
|
нии сферических сегментов |
||||
Термическая |
S |
Я |
|
я |
|
я |
|
|
|||
обработка |
|
я |
|
|
я |
|
*я |
|
|
||
|
Толщина |
o' |
|
и |
« |
o' |
X |
fl |
||||
|
|
|
о |
о |
|
и |
X (0 |
||||
|
|
|
|
Ь. |
V.© |
X |
Л |
X |
|
A |
|
|
|
|
|
t_ |
X |
|
to |
|
|
to |
|
|
|
|
|
X |
<?» |
©>• |
и |
"к |
k |
|
Rt |
|
|
|
|
|
О |
|
|||||
|
|
|
|
|
to |
to |
to |
to |
|
to |
|
|
|
|
|
|
«О |
|
|||||
Отжиг |
|
|
1,2 |
78 |
70 |
14,0 |
112 |
1,4 |
96 |
1,2 |
|
Закалка |
с |
870° С, |
0,8 |
112 |
99 |
8,2 |
133 |
1,2 |
58 |
0,5 |
|
старение |
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
510° С, 16 ч |
780° С, |
0,8 |
118 |
95 |
4,0 |
142 |
1,2 |
67 |
0,55 |
||
Закалка |
с |
||||||||||
старение |
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500°С, |
16 |
ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
174
Большую чувствительность материалов к надрезу при двухосном растяжении по сравнению с одноосным объ ясняют несколькими причинами [203]. Одна из них за ключается в том, что при двухосном растяжении трещина любой ориентировки, распространяющаяся от концентра тора напряжений, всегда находится в поле максимальных напряжений, а при осевом растяжении возможные от клонения трещины от направления, перпендикулярного растягивающему усилию, уводят вершину трещины из на иболее опасного направления (рис. 84). Другая причина более интенсивного развития трещины при двухосном растяжении по сравнению с осевым заключается в боль шем запасе упругой энергии в первом случае. Третья при чина связана с тем, что кривизна сферического элемента усиливает действие сквозного концентратора напря жений.
Приведенные данные показывают, что при примене нии высокопрочных сплавов для изготовления обшивки и различного рода емкостей необходимо избегать кон центраторов напряжений и строго соблюдать культуру производства.
ТЕКСТУРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Прочность текстурованного металла при испытаниях на двухосное растяжение значительно превышает проч ность при одноосном растяжении. Этот эффект получил название текстурного упрочнения [27, 204].
Причина текстурного упрочнения заключается в сле дующем [27]. В том случае, когда плоскость базиса ори ентирована параллельно поверхности листа, его дефор мация при двухосном растяжении существенно затруд няется. Хотя скольжение в титане и его сплавах с преоб ладанием a-фазы протекает по трем семействам плоско
стей: (0001), {ЮТО} и {1011}, направление скольжения
во всех этих системах одно и тоже < 1120>. Это направ ление лежит в плоскости базиса. Если же плоскость ба зиса ориентирована вдоль поверхности листа и скольже ние протекает только в направлениях, лежащих в плоско сти базиса, то утонение листа невозможно.
При двухосном растяжении утонение листа является необходимым условием пластического течения. Отсюда следует, что в сильно текстурованных листах с плоско
175
стью базиса, ориентированной вдоль поверхности листа, при двухосном растяжении должен действовать особый механизм деформации, отличный от описанных выше. Этот механизм требует значительно больших напряже ний по сравнению с простым одноосным растяжением. В отдельных случаях прочность текстурованного листа при двухосном растяжении вдвое превосходит прочность при одноосном растяжении.
Разную прочность листов с текстурованной плоско стью базиса при двухосном и одноосном растяжении объ ясняют различным взаимодействием дислокаций. Дейст вующий при двухосном растяжении механизм взаимодей ствия дислокаций приводит к значительно большему деформационному упрочнению, чем при одноосном растя жении.
Течение текстурованного титанового плоскоизотропно
го листа определяется критерием Хилла: |
|
|
а\ — 2рр oTj а2 + о\ = |
о\ (или а*), |
(48) |
где сгх и а2— главные |
напряжения в плоскости' листа; |
|
рр — коэффициент Пуассона при |
течении ме |
|
талла; |
|
в плоскости |
ох и оу — условные пределы текучести |
||
листа при одноосном нагружении парал |
||
лельно |
и перпендикулярно |
направлению |
прокатки. |
|
|
Коэффициент Пуассона рр в уравнении (48) часто заме няют параметром R через выражение
R |
(49) |
|
R + 1 ’ |
||
|
||
где R — характеризует отношение пластических дефор |
||
маций по ширине и толщине образца. |
|
|
Параметры рр и R могут быть определены по резуль татам испытаний на одноосное растяжение. Для вычис ления рр необходимо провести измерение двухосных де формаций, а для определения R необходимо знать дефор мацию ширины и толщины образца.
Максимальное значение сц определяется уравнением
°1тах = |
, |
. |
(50) |
V1 + 2 R
176
а у с л о в н ы й п р е д е л т е к у ч ес т и в н а п р а в л е н и и т о л щ и н ы
о, = о. Vrw |
(51) |
Величину оу можно также найти по результатам испыта ний на сжатие по толщине образца. Критический обзор методов испытании для определения текстурного упроч нения дан в работе [27].
Текстурное упрочнение тем сильнее, чем больше па раметр R отличается от единицы.
Ниже приведены экспериментальные данные по тек стурному упрочнению в различных титановых сплавах:
Сплав |
R |
Сплав |
R |
|
75(99,0% |
Ti) |
1,3—4,9 |
Ti—6AI—4V |
0,16—2,6 |
100(89,9% |
Ti) |
0,92—2,3 |
Ti—4A1—ЗМо—IV |
0,79—7,2 |
Ti—4А1—0,25О3 |
1,8—10,0 |
Ti—16V—2.5A1 |
0,09—0.55 |
|
Ti—5А1—2,5Sn |
1,6—9,0 |
|
|
|
Наибольшее текстурное упрочнение наблюдается в сплавах Ti—4А1—0,2502 и Ti—5А1—2,5Sn. Как было показано выше, для этих сплавов характерна сильная текстурованность базисной плоскости вдоль плоскости прокатки (рис. 42). Отсюда следует, что текстурное уп рочнение в наибольшей степени проявляется в тех спла вах, которые имеют ярко выраженную тенденцию к обра зованию текстуры с плоскостью базиса, параллельной плоскости листа. Однако сильная текстурованность пло скости базиса вдоль плоскости листа, по-видимому, не является единственным фактором, определяющим тек стурное упрочнение. Так, например, средние значения R
для сплавов Ti —4А1 —0,25Ог и Ti —5А1 —2,5Sn состав ляют 7,0 и 3,2 соответственно, в то время как заметного различия в полюсных фигурах листов этих сплавов нет
(рис. 42).
С повышением температуры испытаний параметр R уменьшается, особенно резко вблизи температуры прев ращения a+|3=ps|3. При температурах, отвечающих р-об- ласти, параметр R становится равным единице. Это свя зано с тем, что фазовая перекристаллизация устраняет преимущественную ориентацию плоскостей базиса вдоль плоскости листа [204].
Суллизан [205] показал, что при температурах 20;
— 196 и —253° С прочность цилиндрических сосудов, из
готовленных |
из текстурованных |
листов сплавов Ti—4 |
А1 —0,2О2 и |
Ti —5А1 —2,5Sn ELI, |
для которых харак |
терна сильная текстурованность плоскости базиса в пло скости листа, в полтора раза больше предела прочности при одноосном растяжении. Сплав Ti —4А1 —0,2О2 при всех температурах имеет лучшие свойства при двухосном растяжении гладких образцов, чем сплав Ti—5А1—2,5 Sn ELI, но последний менее чувствителен к надрезу при температурах жидкого азота и водорода. Отмеченная в предыдущем параграфе большая прочность листов из отечественных сплавов при двухосном растяжении по сравнению с пределом прочности при одноосном также, по-видимому, связана с текстурным упрочнением.
В работе [206] показано, что на текстуру деформа ции, а значит, и на степень текстурного упрочнения су щественно влияет технология прокатки листов. Для спла ва Ti —6А1 —4V плоскость базиса в листах обычно со ставляет углы +30° по отношению к плоскости листан текстурное упрочнение обычно выражено менее интен сивно, чем в сплавах Ti —4А1 —0,2О2 и Ti —5А1 —2,5Sn.
Прокаткой при 700—760° С с небольшими обжатиями за проход при изменении направления прокатки на 45° после каждого прохода при общем обжатии 90% были получе ны листы сплава Ti —6А1 —4V с почти идеальной ори ентировкой плоскости базиса вдоль плоскости листа. Эта текстура далее была стабилизирована отжигом при 760° С. Упрочняющая термическая обработка также не приводила к рассеянию базисной текстуры. При гидроис пытаниях полусфер и сварных сферических сосудов, по лученных из текстурованного листа, была получена проч ность на 41% выше прочности сфер из промышленного листа и на 50% выше прочности сфер из кованых загото вок. Пластическая деформация при разрушении сфер из текстурованного листа составляла всего 2%, но разру шение было вязким.
Текстурное упрочнение было использовано при кон струировании цилиндрических баков диаметром 6500 мм для жидкого водорода [207]. Испытания внутренним давлением показали, что прочность при двухосном рас тяжении текстурованных конструкций из сплава Ti — 6А1—4V на 33% выше, а из сплава Ti—5А1—2,5Sn на
71% выше прочности при одноосном растяжении. Приме нение текстурованных титановых сплавов позволило сни зить вес бака на 21% по сравнению с эквивалентным ба ком из алюминиевого сплава, причем 7з уменьшения ве са бака достигнута за счет текстурного упрочнения.
178
Г л а в а 2
ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗАМЕДЛЕННОМ РАЗРУШЕНИИ
Долгое время полагали, что сопротивление хрупкому разрушению является константой металла, не завися щей от времени приложения нагрузки. Впоследствии бы ло показано, что разрушающие напряжения при хрупком разрушении зависят от времени их действия. В работах Я. М. ГТотака [208], С. С. Шуракова [209], М. X. Шоршорова [210] и др. приведены многочисленные примеры постепенного падения прочности закаленной стали с уве личением длительности действия нагрузки.
Замедленное разрушение включает в себя зарожде ние трещин, их постепенное развитие, связанное с квазивязким и пластическим течением металла при средних напряжениях, меньших кратковременной прочности, и ла винообразное, практически мгновенное распространение трещины, приводящее к разрушению образца или изде лия. С увеличением приложенных напряжений уменьша ются длительность инкубационного периода н стадия по степенного роста трещины и ускоряется переход к катаст рофическому, внезапному разрушению. Разрушающие напряжения с увеличением длительности действия на грузки понижаются, стремясь к некоторому пороговому значению
Вработах С. Н. Журкова с сотрудниками [211—213] было показано, что не только металлы, но и широкий круг неметаллических материалов (нластикаты, целло фан, целлулоид, ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, капрон, различного рода резины) имеют различную прочность в зависимости от времени действия нагрузки.
Вкоординатах логарифм времени до разрушения—на пряжение временная зависимость прочности в исследо ванных авторами пределах описывается прямой линией.
Сповышением температуры испытаний время до разру шения при заданном уровне напряжений уменьшается.
Вработе [211] была обнаружена необратимость раз рушения. Об обратимости или необратимости процесса разрушения авторы судили путем сопоставления данных
12 |
179 |