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

жению разрушающих напряжений. При температуре 400° С это снижение незначительно и лежит в пределах ошибки эксперимента. При температуре 450° С заметного

и сплава ВТ8 (б) от времени действия нагрузки для солевого по­ крытия (--------------- ) и без него (------ —) при различных температу­ рах, °С (по Б. А. Калачеву, В. В. Травкину):

1 — 400; 2 — 450; 3 — 500

снижения разрушающих напряжений при наличии соли не наблюдается при малой длительности эксперимента. С увеличением длительности действия напряжений вред­ ное действие соли начинает сказываться. При температу­

201

ре 500° С разрушающие напряжения во всем интервале исследованных выдержек значительно ниже при наличии солевого покрытия, чем без него.

В отличие от титана кривые длительной прочности сплава ВТ8 (рис. 94, б) с солевым покрытием при всех температурах ниже, чем для сплава без покрытия. Уже при температуре 400° С происходит резкое снижение раз­ рушающих напряжений. Так, например, при длительно­ сти нагружения 100 ч разрушающие напряжения без со­ левого покрытия составляют 85 кгс/мм2, а с солевым покрытием 70 кгс/мм2.

В работе [221, с. 311 была изучена солевая корро­ зия сплавов Ti—6А1—4V; Ti—8А1—IMo—IV и IMI— 679 (2,5А1—IMo—10Sn—5Zr) в отожженном состоянии при проведении испытаний на круглых образцах диа­ метром 6,35 мм. После сточасового действия напряже­ ний при 315° С образцы разгружали, снимали солевое покрытие и определяли наличие трещин на их поверх­ ности. Затем образцы испытывали на растяжение при комнатной температуре. Изменение механических свойств этих сплавов при комнатной температуре после сточасовой выдержки с солевым покрытием при повы­ шенных температурах иллюстрируется табл. 23. В ряде случаев происходило снижение механических свойств сплавов, даже когда не было видимых трещин. Доначи

Т а б л и ц а 23

Механические свойства сплавов при комнатной температуре после сточасовой выдержки при повышенных температурах

* Свойства сплавов в исходном состоянии.

202

и др. [221, с. 179] полагают, что снижение прочности й пластичности в этих случаях свидетельствует о наличии трещин, невидимых при визуальном наблюдении. По результатам исследований были определены пороговые напряжения, т. е. наибольшие напряжения, ниже кото­ рых при сточасовой выдержке не образуются трещины при действии соли. Пороговые напряжения для всех ис­ следованных сплавов уменьшаются с увеличением вре­ мени выдержки при данной температуре.

Мартин [221, с. 95] изучил солевую коррозию тита­ новых сплавов Ti—6А1—4V и Ti—8А1—1 Мо—IV в отожженном состоянии (простой отжиг) при проведе­ нии испытаний на консольный изгиб при напряжениях, составляющих 25—30% от предела текучести. Об ин­ тенсивности развития солевой коррозии судили по вре­ мени до разрушения образцов или до их заметного ос­ таточного изгиба, а также но механическим свойствам микрообразцов, вырезанных из напряженной и нена­ пряженной области образцов после их выдержки при 343° С в течение заданного времени или после их разру­ шения, если они разрушались за меньшее время. При этой схеме испытаний оба сплава обнаружили склон­ ность к солевой коррозии, но в сплаве Ti—8А1—1Мо—■ IV она развивалась интенсивнее, чем в сплаве

Ti—6 А1—4 V.

Солевая коррозия сплава Ti—8А1—1Мо—IV при испытаниях на изгиб была изучена также Лорантом [233], который проводил испытания на цилиндрических

иплоских образцах с покрытием из хлористого натрия

исинтетической морской соли (7 частей NaCl + 1 часть MgCl2). В этих условиях солевая коррозия в сплаве

Ti—8 А1—1Мо—IV развивается при температурах вы­ ше 290° С.

Остаточные напряжения также приводят к солевой коррозии. Развитие солевой коррозии при действии ос­ таточных напряжений наиболее подробно было изучено в работе [221, с. 194] для сплава Ti—8А1—1 Мо—IV при проведении испытаний на холоднодеформированных образцах по методике, описанной на стр. 196. Образцы были изогнуты до радиуса 0,63; 1,27 и 2,54 см; вычис­ ленные напряжения при этом составляли 45,6; 42,2 и 38,7 кгс/мм2. Было обнаружено, что температура нача­ ла развития солевой коррозии снижается с увеличением выдержки. При длительности испытания 6400 ч солевая

203

коррозия начинала сказываться на механические свой­ ства уже при 203° С, а при длительности испытания

3200 ч — при 253° С.

В той же работе было показано, что с увеличением напряжений температура начала развития солевой кор­ розии снижается. Так, при проведении испытаний дли­ тельностью до 5000 ч на самонапряженных образцах при напряжениях 10,3 и 17,2 кгс/мм2 вредное действие солевой коррозии начинает проявляться при температу-

Рис. 95. Относительное укорочение образцов, по­ крытых NaCl, в зависи­ мости от времени вы­

левой коррозии на самонапряженных образцах для ря­ да титановых сплавов. Самонапряженные образцы, по­ крытые слоем чистого хлористого натрия, нагревали длительное время при температуре 290° С, а затем сжи­ мали при комнатной температуре. Форма образцов обес­ печивала остаточные напряжения в 35 и 70 кгс/мм2. Контрольные образцы сжимались настолько, что их сто­ роны становились почти параллельными. Образцы спла­ вов Ti—4А1—ЗМо—IV и Ti—6А1—4V под напряже­ нием 70 и 35 кгс/мм2 соответственно не пострадали от коррозии и сжимались в той же степени, что и конт­ рольные. Образцы сплава Ti—8А1—ТМо—IV проявили сильную склонность к солевой коррозии и при 70 и при

35кгс/мм2.

Выше определенной температуры солевая коррозия

не развивается, вместо нее начинается интенсивная об­ щая коррозия. Для титановых сплавов Ti—6А1—4V; Ti— —8А1—IMo—IV и Ti—7А1—12Zr эти температуры рав-

204

мы 800, 900 и 1100° С соответственно. Выше этих темпе­ ратур титановые сплавы имеют небольшую прочность и слишком пластичны, чтобы в них происходило растрес­ кивание.

Надрез не усиливает склонности указанных сплавов к солевой коррозии [221, с. 1]. Даже предварительно созданные усталостные трещины нс влияют на интен­ сивность развития солевой коррозии. Разрушение про­ исходит по новым поверхностям, в стороне от предвари­ тельно созданной усталостной трещины или надреза.

Изменение частоты нагружения от 20 до 1800 Гд не оказывает влияния на усталостные характеристики при проведении испытаний при 260 и 315°С [221, с. 1]. Со­ левая коррозия во многих сплавах протекает более ин­ тенсивно, чем усталостное разрушение.

Многие конструкции непрерывно работают при по­ вышенных температурах ограниченное время. Большая часть конструкций работает при циклическом измене­ нии как температуры, так и напряжений. Поэтому боль­ шой интерес представляют эксперименты по солевой кор­ розии, проведенные при циклировании условий экспери­ мента. J

Следует отметить, что в литературе опубликованы противоречивые данные по этому вопросу. Так, напри­ мер, Мартин [221, с. 95] не обнаружил солевой корро­ зии при циклировании условий эксперимента при кон­ сольном изгибе отожженных листовых образцов рас­ сматриваемых сплавов. Образцы изгибали свободно висящим грузом до напряжений, составляющих 25—30% от предела текучести и выдерживали в течение двух не­ дель при 343° С, затем переносили во влажную камеру, выдерживали в ней две недели, а затем повторяли цикл. Отсутствие солевой коррозии при циклических испыта­ ниях Мартин объясняет тем, что при этой схеме испыта­ ний образцы меньшее время находятся при высокой температуре, чем непрерывно экспонируемые образцы при одинаковой общей длительности эксперимента, а со­ левая коррозия, зародившаяся при высоких температу­ рах, при комнатной температуре не получает развития.

В работе [221, с. 31] была изучена циклическая со­ левая коррозия сплава Ti—8А1—4Мо—IV. Исследова­ ния были проведены по методике, описанной на стр. 198, при напряжениях, составляющих 50, 75 и 90% от пре­ дела текучести сплава при 288° С. При циклической об­

205

работке прочность сплава постепенно возрастала, что связано с нестабильностью его структуры. Никаких при­ знаков солевой коррозии в этих экспериментах обнару­ жено не было, хотя суммарная длительность пребыва­ ния образцов при 288° С достигала 1670 ч. При действии таких же напряжений при постоянной температуре (288° С) солевая коррозия интенсивно развивается за время, меньшее 1000 ч. Отсутствие солевой коррозии при циклических испытаниях Пайпер и др. [221, с. 31] объ­ ясняют тем, что вредные продукты коррозии, образую­ щиеся при повышенных температурах, реагируют с ка­ ким-то инградиентом воздуха при охлаждении образцов до комнатной температуры с образованием безвредных продуктов.

Однако Прежд и Вудагд обнаружили вредные по­ следствия солевой коррозии при циклических колебани­ ях температуры от комнатной до 288° С, в том числе и во время испытаний, в которых длительность выдержки

жено, что циклические колебания температуры от ком­ натной до 298° С оказывают менее вредное действие, чем постоянная повышенная температура, даже при одной и той же суммарной выдержке при повышенных темпе­ ратурах при всех режимах обработки. Однако с увели­ чением времени выдержки при повышенных температу­ рах при одном цикле от 2 до 16 ч вредное действие соле­ вой коррозии усиливается.

По-видимому, при развитии солевой коррозии име­ ется некоторый инкубационный период. Если при одном цикле он не преодолевается, то солевая коррозия не раз­ вивается. Существенное значение может также иметь длительность перерыва между высокотемпер-атурными циклами.

Данные о влиянии потока воздуха на развитие соле­ вой коррозии противоречивы. Даже в одной работе [221, с. 194] получили разные результаты в разных сериях экспериментов. Наибольший интерес в этом отношении представляет работа Грея и Джонстона [232], в кото­ рой была изучена солевая коррозия сплава Ti—8А1— iMo—IV в условиях, имитирующих работу компрес­ сора реактивного двигателя. С этой целью трубчатые образцы сплава покрывали изнутри слоем поваренной

206

соли, а затем выдерживали под нагрузкой при 260— 480° С в течение 96 ч в потоке воздуха.

Солевую коррозию вызывают не только NaCl, но и КС1, MgCl2, СаС12, NaBr, Nal. Однако самыми агрес­ сивными солями являются NaCl и КС1 (рис. 96), а так­ же AgCl [221, с. 197]. Гермл и др. [221, с. 194] распо­ ложили соли в следующий ряд по убыванию коррозион-

Рис. 96. Влияние времени ныдержки при 316° С самона* пряженных образцов с 0=34,5 кге/мм2 (а) и образцов с. остаточными напряжениями (б) на относительную де­ формацию сжатием при нанесении на их поверхность морской соли (/), 7 NaCl—1 MgCl2 (2); NaCl (3); СаСЬ (4); MgCl2 (5)

ной активности: NaCl, синтетическая морская соль (7 ч. NaCl + 1 ч. MgCl2), естественная морская соль, СаС12

иMgCl2.

Вработе [221, с. 152] описываются результаты изу­ чения причин разрушения ротора компрессора при на­ турных испытаниях, которые имитировали условия его работы при полете самолета со скоростью ЗМа. Испы­ тания длились 25 ч. После испытаний на двух дисках,

изготовленных из сплава Т1—7А1—4Мо, были обнару­ жены трещины. Эти трещины начинались от болтовых отверстий. Все болты в этих соединениях были покрыты серебром, чтобы уменьшить сцепление титана с титаном. В той же работе описываются случаи разрушения на­ правляющих ребер статора компрессора из сплава Ti—5А1—2,5 Sn. Эти ребра соединялись со статором ро­ тора с применением серебряных покрытий.

Специально проведенные эксперименты показали,что во всех случаях причиной разрушения является хлори-

207

стос серебро. Дутвайлер, Вагнер и Антони [221, с. 152] полагают, что хлористое серебро образуется при взаи­ модействии серебра с теми ничтожными количествами хлора или хлористого водорода, которые есть в воздухе. Действительно, в атмосфере лаборатории, в которой про­ водили испытание компрессоров и лабораторных образ­ цов, оказались следы хлора до 10~4% (ат.). Это очень небольшое количество хлора, но авторы подсчитали, что для развития коррозии под напряжением за счет обра­ зования AgCl достаточно 2-10—6% (ат.).

В Л И Я Н И Е Х И М И Ч Е С К О Г О С О С Т А В А Т И Т А Н О В Ы Х С П Л А В О В

Н А И Х С К Л О Н Н О С Т Ь К С О Л Е В О Й К О Р Р О З И И

Полученные разными авторами результаты по оцен­ ке склонности титановых сплавов к солевой коррозии суммированы в табл. 24. В этой таблице в каждой стро­ ке сплавы представлены в той последовательности, в ка­ кой, по мнению авторов, уменьшается их склонность к солевой коррозии. Сплавы Ti—8А1—1Мо—IV и Ti—6А1—4V были предметом исследования во всех ра­ ботах. Все авторы единодушно пришли к выводу, что сплав Ti—8А1—1Мо—IV более склонен к солевой кор­ розии, чем сплав Ti—6А1—4V. Из этой таблицы видно, что результаты разных авторов в некоторой степени про­ тиворечивы. Так, по данным работ [221, с. 1, 31], спла­ вы Ti—6А1—6V—2Sn; Ti—5А1—2,5Sn более склонны к солевой коррозии, чем сплав Ti—8А1—1Мо—IV, а авторы других работ [221, с. 53 и 122] пришли к проти­ воположному выводу.

Несмотря на некоторые противоречия, сплавы по склонности к солевой коррозии в первом приближении можно расположить в ряд: Ti—2,5А1—1Мо—10Sn—5Zr; Ti—2А1—4Zr—2Mo; Ti—4A1—ЗМо—1V; Ti—6A1—4V; Ti—7A1—4Mo; Ti—6A1—6V—2Sn; Ti—8A1—IMo—IV; Ti—5A1—2,5Sn; Ti—5A1—5Sn—5Zr и Ti—7A1—12Zr.

Сплавы со структурой, представленной одной «-фа­ зой, более склонны к солевой коррозии, чем ос+Р-спла- вы. Во всех ct+p-сплавах p-фаза при солевой коррозии разрушается вязко. Однако переход от а + р - к р-струк- туре вновь сопровождается усилением склонности к со­ левой коррозии. Так, например, р-титановый сплав

208