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

Следует также обратить внимание на очень широкий разброс значений ударной вязкости. Так, например, для титана с пределом прочности 50—55 кгс/мм2 при одном и том же содержании водорода, равном 0,005% (по мас­ се), ударная вязкость колеблется от 8,5 до 20 кгс-м/см2.

Содержание Нг, %

Рис. 172. Взаимосвязь между ударной вязкостью и со­ держанием водорода для титана с пределом прочности

50—51 (/) и 54—55 кГ/мм2 (2)

Этот разброс нельзя объяснить различием в пределе прочности титана разных плавок данной группы, что оче­ видно из рис. 172, на котором приведены значения удар­ ной вязкости для титана с пределом прочности 50—51 и 54—55 кгс/мм2. Отмеченная выше закономерность — тенденция к снижению ударной вязкости с увеличением прочности титана — проявляется и в данном случае, но разброс значений ударной вязкости титана остается та­ ким же.

Причиной указанного разброса точек на рис. 171 мо­ гут быть недостаточно надежные данные газового анали­ за, особенно при концентрациях водорода порядка 0,002— 0,005%. Повторный газовый анализ тех же образцов по­

37Q

казал, что в ряде случаев результаты анализа отлича­ лись друг от друга на 0,005%.

Металлографический анализ показал, что указанный разброс свойств обусловлен также неоднородностью структуры технологических проб. Если в структуре ме­ талла сохраняется ковочный крест, то ударная вязкость значительно ниже, чем для образцов без ковочного кре­ ста. Снижение ударной вязкости особенно велико, если, кроме ковочного креста, образцы имеют очень разнозер­ нистую структуру. Из приведенных данных следует, что необходимо разработать более жесткие технологические условия отбора и изготовления технологических проб из титановых слитков разных плавок.

В Л И Я Н И Е « С Т А Б И Л И З А Т О Р О В И Н Е Й Т Р А Л Ь Н Ы Х У П Р О Ч Н И Т Е Л Е Й Н А С К Л О Н Н О С Т Ь Т И Т А Н А К В О Д О Р О Д Н О Й Х Р У П К О С Т И

К элементам, стабилизирующим a -фазу титана, отно­ сятся примесные элементы кислород и азот, а также один из наиболее распространенных и важных легирую­ щих элементов титановых сплавов — алюминий. Кисло­ род и азот дают с титаном твердые растворы внедрения, а алюминий — растворы замещения.

Кислород и азот [76; 140, с. 23; 287; 290] не меняют характера водородной хрупкости титана. Они сущест­ венно не влияют на количество выделений гидрида в ти­ тане при комнатной температуре, так как растворимость водорода в титане при этой температуре существенно не изменяется при введении азота и кислорода. Поскольку, однако, кислород и азот значительно снижают пластич­ ность титана, то его пластичность при комнатной темпе­ ратуре при одной и той же концентрации водорода тем ниже, чем больше в нем азота и кислорода [76; 140,

с 23; 322].

При температурах выше 75° С оба эти элемента не­ сколько повышают растворимость водорода в титане и вредное влияние водорода оказывается -при больших его концентрациях, чем для иодидного титана.

Рис. 173 иллюстрирует влияние водорода на механи­ ческие свойства титана с разным содержанием кислоро­ да [76]. Относительное удлинение и особенно ударная вязкость резко уменьшаются с увеличением содержания водорода для всех сплавов титана с кислородом. Кри­

вые, описывающие изменение указанных свойств с уве­ личением водорода, лежат тем ниже, чем больше содер­ жится в титане кислорода, а при содержании в титане 1,0% (по массе) кислорода относительное удлинение,

Рис. 173. Влияние водорода на предел прочности (а), удлинение (б) и удар­ ную вязкость (в) титана с различным содержанием кислорода, %:

1 — без кислорода; 2 — 0,03; 3 — 0,06; 4 — 0,1; 5 — 0,2; 6 — 0,3; 7 — 0,5; 3 — 1,0 (указаны количества дополнительно введенного кислорода)

поперечное сужение и ударная вязкость практически равны нулю при любом содержании водорода.

Влияние водорода на ударную вязкость титана раз­ ной прочности приведено на рис. 173, в. Как следует из этих данных, чем ниже прочность титана, тем выше его ударная вязкость после вакуумного отжига. Однако чем чище титан, тем более резко снижается ударная вяз­ кость. Поэтому, чтобы сохранить высокую вязкость низ­ копрочного титана, нужно поддерживать в нем очень не­ большие концентрации водорода. Исходная ударная вязкость в более прочном титане значительно ниже, чем в низкопрочном, и нет необходимости так жестко регла­ ментировать максимально допустимое содержание водо­

372

гидрида титана постепенно уменьшается с увеличением содержания кислорода. Возможно, такое изменение формы гидридов связано с уменьшением скорости диф­ фузии водорода в титане в присутствии кислорода. Пла­ стины гидрида титана преимущественно образуют между собой углы 60 и 120°, что указывает на предпочтительное

образование гидридов по плоскостям {1010} (рис. 174). Алюминий уменьшает склонность титана к водород­ ной хрупкости (рис. 175) [95, 290, 369]. Особенно четко благоприятное влияние алюминия проявляется в харак­ тере изменения зависимости ударной вязкости от содер­ жания водорода (рис. 176). Ударная вязкость техниче­ ски чистого титана резко падает при содержании водо­ рода выше 0,012%, а ударная вязкость сплава с 5% А1 падает при содержании водорода выше 0,033%. Ударная вязкость сплава с 7,5% А1 практически не зависит от концентрации водорода в исследованном интервале кон­ центраций. И, наконец, сплав с 10% А1 настолько хру­ пок, что его ударная вязкость практически равна ну­

лю [95].

Благоприятное влияние алюминия объясняется тем, что в противоположность кислороду и азоту алюминий существенно повышает растворимость водорода в а-тита- не при комнатной температуре (рис. 124). Гидриды ти­ тана в сплавах титана с алюминием появляются при тем большей концентрации водорода, чем больше алюминия в сплавах. Первые выделения гидридов в чистом титане при охлаждении с печью появляются при концентрации водорода 0,010%, в сплаве с 3% А1 первые гидриды по­ являются при 0,022% Н2, а в сплаве с 5% А1 — при 0,033% Н2. В сплавах титана с 7,5 и 10% А1 не было об­ наружено выделений гидридов при концентрациях водо­ рода до 0,05%. Резкое падение ударной вязкости спла­ вов титана с алюминием начинается как раз при тех концентрациях, при которых появляются выделения гид­ ридов.

В работе [95] показано, что уменьшение склонности титана к водородной хрупкости при ударных испытаниях в присутствии алюминия объясняется не только повыше­ нием растворимости водорода в а-титане, но и уменьше­ нием коэффициента диффузии водорода в сплавах тита­ на с алюминием. Замедление диффузии приводит к обра­ зованию пересыщенного водородом a -твердого раствора даже при охлаждении с печью. В результате длительного

374

5% А1, содержащего водород. При таком отжиге проис­ ходит дополнительное выделение гидридов из пересы­ щенного относительно водорода a-твердого раствора, что

Ti—5% А1 при меньших концентрациях водорода, чем в том же сплаве после охлаждения с печью непосредст­ венно с температуры насыщения. Однако количество выделившихся гидридов в сплавах титан — алюминий после длительного отжига меньше, чем в чистом титане с той же концентрацией водорода в равновесных усло­ виях. По-видимому, равновесная растворимость водоро­ да в сплавах титана с алюминием все же больше, чем в чистом титане, что находится в соответствии с данными Леннинга, Спретнака и Джаффи [287]. Поэтому умень­ шение склонности титана к водородному охрупчиванию в присутствии алюминия следует объяснить совместным влиянием указанных выше двух факторов.

В работе [290] было исследовано влияние олова на склонность титана к водородной хрупкости. Исследован­ ный сплав Ti—10 Sn обнаруживает водородную хруп­ кость при содержании водорода свыше 0,015%. т. е. при

375

несколько больших концентрациях, чем в технически чистом титане. Это связано с тем, что олово несколько повышает растворимость водорода в титане при повы­ шенной и при комнатной температурах (рис. 122). В сплаве Ti + 10Sn, отожженном в вакууме, было обнару­ жено небольшое количество точечных выделений по гра­ ницам зерен. Природа этих выделений осталась невыяс­ ненной, но было установлено, что они не связаны с во­ дородом.

ВЛИЯНИЕ ^-СТАБИЛИЗАТОРОВ НА СКЛОННОСТЬ а-СПЛАВОВ К ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ

Как было показано выше, а-титановые сплавы для улучшения технологичности иногда легируют небольши­ ми количествами p-стабилизаторов. Введение р-стабили- заторов в а-сплавы может изменить склонность послед­ них к водородной хрупкости, особенно если в структуре сплавов появляется, хотя и в небольшом количестве, р-фаза. Наиболее подробно этот вопрос рассмотрен на примере сплавов системы Ti — А1 — Мп.

В работе [371] изучалось влияние водорода на струк­ туру и свойства технического титана и сплавов

Ti—0,5А1—0,5Mn; Ti—1,5А1—l,5Mn; Ti—2,5А1—2,5Мп.

Исследование проводили на кованых прутках, которые после введения водорода отжигали при 800° С в течение 1 ч, затем охлаждали с печью до 550° С и с этой темпера­

лаждали с печью до комнатной температуры и старили в течение 14 дней перед проведением механических ис­ пытаний. Низкотемпературный отжиг и старение при комнатной температуре проводили для более полного выделения фазы, содержащей водород.

После указанной обработки микроструктура титана при комнатной температуре была представлена а-фазой,

25,8% р-фазы соответственно. Водород при малых кон­ центрациях растворяется полностью в а- и p-фазах, но, начиная с определенной концентрации, на поверхностях

376

Ti—1,5 Al- 1,5 Мп и Ti —2,5 Л1—2,5 Мп впервые появ­ ляется при концентрациях водорода 0,0015; 0,0050 и 0,015% (по массе) соответственно.

Влияние водорода на работу удара сплавов системы Ti—А1—Мп и натриетермического титана, использован­

лой скорости деформа­ ции, а относительное удлинение практически не за­

висит от содержания водорода (рис. 178). В сплаве T i— 1,5 А1— 1,5 Мп водородная хрупкость проявляется сильнее при малой скорости деформирования, хотя по­ перечное сужение довольно сильно уменьшается не толь­ ко при малой скорости деформации, но и при большой. Однако работа удара для этого сплава все еще довольно резко падает с увеличением содержания водорода (с 3,75

свойств, характерное для а+р-сплавов. Поперечное су­ жение и относительное удлинение этого сплава наибо­ лее резко уменьшаются с увеличением содержания во-

377