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

о долговечности, полученных в экспериментах, когда об­ разцы подвергали действию нагрузки до разрушения за один прием, с данными экспериментов, в которых образ­ цы один-два раза разгружали и после некоторого переры­ ва (отдыха) вновь нагружали. Если общая долговечность Т1+Т2, полученная в экспериментах в два приема, оказы­ вается равной времени до разрушения х при непрерыв­ ных испытаниях, то процесс разрушения необратим. Ес­ ли же Ti+T2> r , то процесс разрушения, хотя бы ча­ стично, является обратимым. Во всех исследованных С. Н. Журковым с сотрудниками материалах разруше­ ние было необратимым.

К настоящему времени механизм замедленного хруп­ кого разрушения не установлен с достаточной полнотой из-за многообразия процессов, протекающих в металле, находящемся под постоянной нагрузкой. В работах [210, 214] механизм образования трещины при замедленном хрупком разрушении рассматривается па основе пред­ ставлений о пониженном сопротивлении границ зерен сдвигу по сравнению с телом зерна и о способности зерен к упруго-вязкому течению по границам. При приложении внешних напряжений по границам зерен происходит де­ формация, пропорциональная касательному напряжению на границе. Хотя в макрообъемах, больших по сравнению с размерами зерен, деформация может протекать одно­ родно, в микрообъемах деформация происходит неодно­ родно, так как в области стыка зерен не происходит их относительного перемещения. Стык действует как запи­ рающий механизм, препятствующий относительному пе­ ремещению соседних зерен, в результате чего создается напряженное состояние, при котором на стыке зерен воз­ никает сильная концентрация напряжений, приводящая к гидростатическому растяжению. Напряжения на сты­ ках зерен возрастают под действием приложенных внеш­ них напряжений до тех пор, пока не будет достигнута теоретическая прочность и на стыке зерен не возникнет трещины.

Против схемы зарождения трещины в месте стыка трех зерен был выдвинут ряд возражений, обзор кото­ рых можно найти в работе [215]. Основное возражение заключается в том, что зарождение трещин в результате гидростатического растяжении в точке пересечения трех зерен маловероятно. Гидростатическое растяжение ско­ рее возникнет в области пересечения четырех зерен.

180

Большое признание получили работы, в которых воз­ никновение трещин по границам зерен связывается с на­ коплением вакансий у границ зерен и с их последующей коагуляцией [215]. Вакансии под действием температуры и напряжений мигрируют к границам зерен. На границах зерен они срастаются в вытянутые колонии, являющие­ ся по существу зародышевыми трещинами. На грани­ цах скапливаются в основном избыточные при данной температуре вакансии. Они могут быть зафиксированы закалкой или возникать при пластической деформации. Скапливаясь на границах зерен, вакансии занимают положения, способствующие снятию напряжений в на­ иболее искаженных участках кристаллической решет­ ки, и поэтому уменьшают поверхностную энергию зе­ рен. Высокое пересыщение границ зерен вакансиями в сочетании с высокими действующими напряжениями приводят к возникновению мпкроиолостей, раскрываю­ щихся в трещины. Поскольку концентрация напряже­ ний наиболее высока в стыках зерен, то трещины за­ рождаются именно в этих местах.

Примеси, скопившиеся на границах зерен, также спо­ собствуют межзеренному хрупкому разрушению. Они могут настолько ослабить силы сцепления на границах зерен, что межзеренное разрушение наступает при ком­ натной или отрицательных температурах.

В соответствии с идеями, которые развиваются в ра­ ботах [214, 210], замедленное разрушение должно на­ блюдаться в определенном интервале температур. Это объясняется тем, что в металле с повышением температу­ ры развиваются две группы процессов, противоположных но своему влиянию па процесс разрушения: 1) снижение сопротивления границ сдвигу (с. г. с.) и термическая ак­ тивация движения вакансии (д. в.); 2) упорядочение строения границ (у. г.) и поглощение вакансий (и. в.). Первая группа процессов способствует преждевременно­ му разрушению, а вторая затрудняет его. В итоге при очень низких температурах длительная прочность за дан­ ное время ар и время до разрушения при данном уровне приложенных напряжений (тр) велики, потому что со^ противление сдвигу по границам велико, а диффузия вакансий к границам зерен затруднена. С повышением температуры сопротивление границ сдвигу уменьшается, а скорость диффузии вакансий увеличивается, что спо­ собствует замедленному разрушению. Однако при доста­

181

точно высоких температурах интенсивно развивается вторая группа процессов, приводящая к своеобразному «отдыху». В итоге замедленное разрушение наблюдает­ ся в определенном температурном интервале (рис. 85).

По мнению М. X. Шоршорова и его сотрудников, склонность металлов к замедленному хрупкому разру­ шению следует описывать критериями (рис. 85):

лом разрушения.

Интересно отметить, что в стали разрушение всегда развивается по границам зерен, а в титане часто по гра-

Рис. 85. Схема влияния температуры на разрушающее напряже­ ние tfp, время до разрушения Тр (n) и наименьшую критиче­

скую величину напряжения tfpirnin (б)

ницам спайности. Авторы работы [214] полагают, что это различие обусловлено тем, что в стали при статиче­ ской усталости развивается лишь упругая деформация по границам зерен, в то время как в титане упруго-пла­ стическая. Разрушение по плоскостям спайности в тита­ не может быть также обусловлено выделением гидри­ дов, которые, как правило, образуются по плоскостям спайности.

В цитированных выше работах замедленное хрупкое разрушение связывается с зарождением и распростране­ нием трещин по границам зерен. В действительности трещины могут зарождаться и внутри зерен по дисло­ кационным механизмам, описанным выше.

Хотя общие закономерности замедленного разруше­ ния свойственны всем металлам, тонкости механизма за­

182

рождения, характер распространения трещин, интенсив­ ность снижения разрушающих напряжений во времени, тип разрушения различны для разных металлов.

М. X. Шоршоров [210] отмечает следующие особен­ ности замедленного разрушения сварных соединений из титановых сплавов по сравнению со сталями:

1. Для развития замедленного разрушения титана и его сплавов требуется большее время, чем для замед­ ленного разрушения сталей. Это обусловлено тем, что концентрация избыточных вакансий в титановых спла­ вах меньше, чем в сталях, главным образом из-за мень­ шего объемного эффекта полиморфного превращения.

2. В закаленных сталях холодные трещины возника­ ют только по границам зерен, а распространяются как по границам, так и по телу зерна, причем разрушение носит макроскопически хрупкий характер; в титановых сплавах трещины чаще зарождаются вдоль плоскостей скольжения внутри зерна, чем по границам зерен; разру­ шению в первом случае предшествует заметная пласти­ ческая деформация.

3. Напряжения, вызывающие замедленное разруше­ ние титановых сплавов, значительно ближе к пределу текучести (особенно при малом содержании примесей внедрения), чем напряжение, вызывающее замедленное разрушение закаленных сталей.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Для изучения замедленного разрушения было разработано до­ вольно много различных методик. При разработке этих методик ав­ торы исходили из необходимости создания такой схемы испытаний, которая позволила бы получить экспериментальные данные, с наи­ большей достоверностью характеризующие служебные свойства ре­ альных конструкций.

Методы испытаний на замедленное разрушение можно разбить на четыре группы: а) испытания на статический изгиб; б) испытания на статическое растяжение; в) статические испытания по схеме двух­ осного растяжения; г) натурные или модельные испытания. Неко­ торые из предложенных схем испытаний, использованных для изуче­ ния замедленного разрушения титана и его сплавов, приведены на рис. 86.

Наиболее простую схему испытаний на замедленное хрупкое раз­ рушение при изгибе предложили В. С. Крылов и А. С. Михайлов [216]. Листовые образцы подвергаются изгибу по трехточечной схе­ ме, в которой изгибающий момент создается закручиванием винта

(рис. 86, а).

Первоначально листовой образец нагружается до напряжения, равного 0,5 от предела текучести. Это напряжение создается путем

183

изгиба образца па заданную стрелу прогиба, заранее рассчитанную по известным формулам. О времени до разрушения судят по появ­ лению первых трещин. Для ускорения испытаний стрелу прогиба ежедневно увеличивают на 0,2 мм. Если в течение 40 сут. трещины не появляются, то далее стрелу прогиба не увеличивают. Основным недостатком этой схемы является невозможность определения разру­ шающих напряжений из-за непрерывно происходящей релаксации напряжений.

Вторая схема (рис. 86, б) — изгиб листового образца свободно висящим грузом — исключает влияние релаксации напряжений на величину изгибающего момента. Эта схема отличается простотой устройства и позволяет точно регулировать величину изгибающего момента. Однако эта схема имеет ряд весьма существенных недостат­ ков: до сих пор отсутствуют теоретические решения, учитывающие местное упрочнение материала, радиус пуансона весьма существенно влияет на величину напряжений при одной и той же нагрузке па образец; трудно определить напряжения при переходе от упругого к пластическому деформированию.

Для испытаний по первым двум схемам применяют плоские ненадрезапные образцы.

Более совершенна схема консольного изгиба в плоскости листа плоских образцов с глубоким надрезом (рис. 86, б). При такой уста­ новке образец имеет большую жесткость на изгиб. Изгибающий мо­ мент можно легко регулировать по величине. Измерение деформа­ ции по величине и во времени также не представляет затруднений. Надрез исключает влияние концентрации напряжений в заделке. Усталостная трещина определенной величины, предварительно полу­ чаемая в основании надреза на вибростенде, существенно повышает чувствительность этого вида испытаний к хрупкому состоянию, су­ ществовавшему до начала испытаний или возникшему во время ис­ пытаний [217]. Существенный недостаток этой схемы испытаний — отсутствие надежного теоретического расчета, позволяющего доста­ точно точно определить величину напряжений, возникающих в устье трещины. Обычная методика расчета на изгиб не учитывает пласти­ ческого состояния и возможной пластической деформации в устье трещины.

Испытания па замедленное хрупкое разрушение по схеме растя­ жения позволяют более точно рассчитать разрушающие напряжения. Наиболее простая схема испытаний этого типа — растяжение об­ разца свободно висящим грузом. Однако этот метод применим лишь для образцов малого сечения из сравнительно малопрочных спла­ вов. Для образцов обычно применяемых сечений этот способ нагру­ жения становится неприемлемым. Действительно, чтобы нагрузить образец сечением 20 мм2 до напряжений 75 кгс/мм2, нужно подве­ сить груз весом 1,5 тс.

Указанное выше затруднение можно преодолеть, передавая боль­ шое растягивающее усилие на образец через рычажное приспособле­ ние (рис. 86, г). Однако реальное осуществление этой схемы ослож­ няется тем обстоятельством, что в процессе деформации образца из­ меняется соотношение осей образца и рычага. По схеме рычажного нагружения сконструирована машина ИМЕТ-4 [218]. Для испытания на замедленное разрушение по методике ИМЕТ-4 применяют пло­

стояние и фиксируют место разрушения. При изучении замедленного

185

разрушения н сварных соединениях с каждой стороны надреза об­ разцы проплавляют при помощи аргоно-дуговой горелки так, чтобы околошовная зона располагалась в месте надреза.

В последнее время для оценки склонности к замедленному разру­ шению кованого и прессованного материала все более широко начи­ нают применять испытания надрезанных цилиндрических образцов на растяжение по методике 'Грояно [219]. Схема приспособления,

в один конец которого ввернут образец, а на другом конце гайка и опора, в котором крепится другой конец образца. Вместо одного об­ разца можно исследовать несколько с резьбовыми переходниками между ними.

Приспособление предварительно тарируют, деформируя кольцо известными нагрузками, например с помощью обычной машины для механических испытаний. Деформацию кольца определяют с помо­ щью индикатора часового типа и строят тарировочный график зави­ симости усилие — деформация. Образцы устанавливают в приспособ­ ление и, завинчивая гайку, создают в них растягивающие напряже­ ния за счет упругой деформации кольца на заданную величину, которую определяют по тарировочпому графику.

При больших нагрузках происходит релаксация^ напряжений, влияние которой на разрушающие напряжения можно устранить, подкручивая гайку до установления первоначальных напряжений. Довольно быстро релаксация прекращается и основная часть испы­ таний проходит в стабильных условиях. Испытания по схеме Трояно можно проводить и без корректировки напряжений, так как в реаль­ ных конструкциях всегда происходит релаксация напряжений.

Из схем, в которых испытания на замедленное хруп­ кое разрушение осуществляется в условиях, близких к двухосному растяжению, наиболее известна схема, предложенная Е. А. Борисовой. Образец в форме диска нагружается по центру сосредоточенной нагрузкой, ко­ торая передается на диск через пуансон рычажным при­ способлением (рис. 86, е).

ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Склонность сварных титановых конструкций к замед­ ленному разрушению и образованию холодных трещин была обнаружена уже в первые годы их применения. Вначале это явление связывали только с водородом, но впоследствии оказалось, что замедленное разрушение наблюдается и в вакуумированном металле. Хотя замедленное разрушение титановых сплавов в наиболь­ шей степени проявляется в сварных соединениях, оно наблюдается и в деформированном, и в литом ме­ талле. В сварных соединениях замедленное хрупкое разрушение наиболее опасно потому, что в металле шва и околошовной зоны при сварке фиксируется огромное

186

количество избыточных вакансий и возникают остаточ­ ные напряжения.

Замедленное разрушение титановых сплавов наибо­ лее полно было изучено М. X. Шоршоровым с сотрудни­ ками [210, 214, 220]. Исследования были проведены по методике ИМЕТ-4, описанной выше, на плоских образ­ цах толщиной 2—3 мм из основного металла или со сварными точками. О склонности сплавов к замедленно­ му разрушению судили по величине критериев crp.min, тР и t|)p. В процессе испытания па замедленное разруше­ ние в сплавах с низким (Ti—3,7А1; ОТ4-1) и средним (ВТ6 С) пределами текучести при небольшом содержа­ нии примесей внедрения развивается значительная внутризеренная деформация. Поперечное сужение фр в месте надреза составляет для этих сплавов 25—70% от попе­ речного сужения гладких образцов. Минимальные раз­ рушающие напряжения 0p.min достигают 75—95% от предела текучести сплавов.

Характеристики замедленного разрушения фр и ap.min зависят не только от состава сплавов, но и от их струк­ турного состояния. Если основной металл подвергали отжигу после прокатки, в результате чего он приобрел равноосную структуру, то ap.mm У него ниже, а фр выше, чем у металла околошовной зоны с а'-структурой. Если

данных следует, что металл с тонкой пластинчатой

a-структурой трещины распространяются не вдоль пла­ стин, а под большим углом к ним. Чем тоньше пластин­ ки a-фазы, тем большее число барьеров должна преодо­ леть растущая трещина и тем больше должны быть раз­ рушающие напряжения.

Меньшее значение фр у металла околошовной зоны по сравнению с фр основного металла также объясняется различиями в структуре. Сварная точка имеет рекристаллизованную крупнозернистую структуру с пластин­

187