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

60 кгс/мм2 в течение 300 сут. После этого образцы бы­ ли разрезаны вдоль оси и на поверхности разреза вдоль линий, отстоящих на разном расстоянии от надре­ за (рис. 164), было определено содержание водорода методом локального спектрального анализа. Распреде­

области металла и о ее важности в развитии обратимой водородной хрупкости.

Аналогичное перераспределение водорода в образцах при испытаниях на замедленное разрушение было также обнаружено М. X. Шоршоровым с сотрудниками [361], которые показали, что водород должен диффундировать под влиянием напряжений в области с повышенной плот­ ностью дислокаций. Отношение предельной концентра­ ции водорода на дислокациях Сд к средней его концент­ рации в твердом растворе С определяется уравнением

0 = 0,5р3/2 В'' еп/кт,

где 0 = Сд С; р— плотность дислокаций (см~2) ;

В— среднее расстояние между полосами скольжения (см);

k — постоянная Больцмана;

359

Т— абсолютная температура;

и— разность энергии растворения водоро­ да в неискаженной решетке и в иска­ женных се участках вокруг дислока­ ций.

Для а-титана энергия и составляет 0,05 эВ. Плотность дислокаций в металле, примыкающем к

голове трещин, значительно больше средней и поэтому водород диффундирует из окружающих объемов к устью трещины. Для приближенной оценки изменения концент­ рации водорода в голове трещины из-за диффузии его из прилегающих объемов авторы работьг [361] использова­ ли известное решение линейной задачи диффузии раст­ воренного элемента к плоской границе из примыкающего к ней бесконечного объема:

Полученное решение показывает, что со временем концентрация водорода в голове трещины должна возра­ стать. При больших напряжениях, когда время до раз­ рушения мало, увеличение концентрации водорода в голове трещины невелико, а при малых напряжениях мо­ жет быть в несколько раз больше среднего его содержа­ ния. Более строгое решение задачи о восходящей диф­ фузии водорода к голове трещины, данное Р. М. Габидуллиным (это решение было приведено в докладе, пред­ ставленном на Второй международной конференции по титану, состоявшейся в Бостоне в 1972 г.), также показа­ ло, что концентрация водорода в голове трещины может в три — пять раз превышать его среднюю концентрацию.

Описанное перераспределение водорода в металле из-

360

за восходящей диффузии приводит к обусловленному водородом замедленному разрушению, которое будет рас­ смотрено ниже в гл. 6 при обсуждении влияния водорода на служебные свойства титановых сплавов.

Как было показано выше, неравномерное распреде­ ление водорода в металле может также возникать при неоднородном тепловом поле. Водород в титане и его

Рис. 165. Распределение водорода в поперечном сечении свар­ ного соединения листовых образцов толщиной 3 мм из лис­ тового сплава ОТ4 (кривая 1) и распределение водорода в в том же образце после вакуумного отжига при 670° С в те­ чение 2 ч (кривая 2)

сплавах перемещается из областей с более высокой тем­ пературой в области с более низкой температурой. Не­ равномерное распределение водорода из-за термодиффу­ зии также может привести к замедленному хрупкому разрушению в образцах в области повышенного содер­ жания водорода. Об этом свидетельствуют результаты статических испытаний на растяжение цилиндрических образцов, в которых протекала термодиффузия водоро­ да. Исследования были проведены на образцах, по дли­ не которых было сделано по нескольку надрезов. Все, без исключения, разрушения в этих образцах произошли в области повышенного содержания водорода при на­ пряжениях, значительно меньших, чем для образца с та­ ким же средним исходным содержанием водорода, но при его равномерном распределении по длине.

Неравномерное распределение водорода наблюдается в сварных соединениях [362].

361

В околошовной зоне имеется довольно узкая область, содержание водорода в которой в несколько раз превы­ шает содержание водорода в исходном металле. Распо­ ложение этой области и содержание в ней водорода в значительной мере зависят от толщины материала, усло­ вий теплоотвода и режима сварки. На рис. 165 (кривая /) приведен пример распределения водорода в попереч­

При спектральном анализе водорода с пятном обыскривания диаметром около 0,2 мм было обнаружено, что, кроме указанной зоны повышенного содержания водоро­ да, в сварных соединениях из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 имеет место еще одна область повышенного содер­ жания водорода на границе металла шва (расплавлен­ ной ванны) и околошовной зоны (рис. 166).

Неравномерное распределение водорода в сварных соединениях из титановых сплавов получило подтверж­ дение в недавних работах по исследованию обогащенных

'тритием сварных соединений методом микроавторадио­ графии, выполненных С. С. Гинзбургом под руководст­ вом С. 3. Бокштейна [421].

3 6 2

Применяющийся в настоящее время для снятия на­ пряжений вакуумный отжиг сварных конструкций не­ сколько расширяет и перемещает область повышенного содержания водорода от сварного шва в сторону основ­ ного материала (рис. 165, кривая 2). Такое перемещение происходит, вероятно, за счет перераспределения напря­ жений в сварном шве в процессе отжига.

Перераспределение водорода в зоне сварки в титано­ вых сплавах происходит под влиянием целого ряда фак­ торов: дегазации расплавленной ванны, окклюзии водо­ рода из окружающей среды металлом шва и околошовной зоны, термодиффузии водорода из горячей зоны в области с более низкой температурой, перераспределе­ ния водорода под влиянием возникающих при сварке на­ пряжений и сегрегации его из-за фазовых превращений. Из-за перераспределения водорода его концентрация в околошовной зоне может быть достаточной для раз­ вития замедленного разрушения сварных соединений при сравнительно низких напряжениях.

ОБРАТИМАЯ ХРУПКОСТЬ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ПРИМЕСЯМИ ВНЕДРЕНИЯ, ОТЛИЧНЫМИ ОТ ВОДОРОДА

Дислокации могут транспортировать к препятствиям не только атомы водорода, но и атомы других примесей внедрения: углерода, азота, кислорода и т. д. Поэтому можно ожидать, что в металлах должна наблюдаться не только обратимая водородная хрупкость, но и азотная, кислородная, углеродная хрупкость. Эта хрупкость, как и обратимая водородная хрупкость, должна проявляться в определенном интервале температур и скоростей де­ формации.

В отличие от водородной хрупкости обратимая хруп­ кость, обусловленная транспортировкой дислокациями атомов кислорода, углерода, азота, должна при сравни­ мых условиях эксперимента проявляться при более высо­ ких температурах, так как коэффициенты диффузии атомов этих элементов значительно меньше коэффици­ ентов диффузии атомов водорода.

Действительно, почти во всех металлах наблюдаются высокотемпературные провалы пластичности. А. А. Прес­ няков [363] полагает, что провалы пластичности обус­ ловлены дефектами, возникающими при пластической деформации или за счет самого процесса деформирова-

363