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

По склонности к водородному охрупчиванию можно разбить все а+р-сплавы на следующие группы:

1. Сплавы с большой растворимостью водорода в р- фазе. Эти сплавы, как правило, содержат значительные концентрации молибдена, который сильно увеличивает растворимость водорода в р-фазе.

2. Сплавы с большими допусками на содержание во­ дорода из-за его высокой растворимости в a -фазе. Эти сплавы содержат четыре или более процентов алюминия. Суммарное количество максимально допустимого водо­ рода зависит от природы p-стабилизатора, применяемого в сплаве с алюминием. Олово оказывает действие, ана­ логичное алюминию, но менее эффективно.

3.Сплавы с малой растворимостью водорода, который по этой причине выделяется в этих сплавах в виде гид­ ридов. Эти сплавы ведут себя подобно а-сплавам и обна­ руживают водородную хрупкость при ударных нагруз­ ках. К этим сплавам относятся сплавы Ti—4Та, Ti—8Та, Ti—4Nb и Ti-2Fe.

4.Сплавы со сравнительно малой растворимостью водорода в а- и p-фазе, склонные к обратимой водород­ ной хрупкости лишь при малых концентрациях водорода до появления в структуре гидридов.

В Л И Я Н И Е В О Д О Р О Д А Н А У Д А Р Н У Ю В Я З К О С Т Ь П Р О М Ы Ш Л Е Н Н Ы Х а + Р - Т И Т А Н О В Ы Х С П Л А В О В В О Т О Ж Ж Е Н Н О М С О С Т О Я Н И И

В первых наших работах, обзор которых дан в моно­ графии [6], было обнаружено, что водород не оказыва­ ет влияния на ударную вязкость отожженных а+р-тита- новых сплавов до концентраций порядка 0,2%. Для сплавов, выплавляемых в настоящее время, наблюдают­ ся несколько иные закономерности. При введении не­ больших концентраций водорода (порядка 0,01—0,015%) происходит сильное снижение ударной вязкости, затем падение ударной вязкости с увеличением содержания во­ дорода замедляется, а иногда и вовсе прекращается, и, наконец, при больших содержаниях водорода происходит второе ее снижение почти до нулевых значений (рис. 195).

Первое снижение ан усиливается с увеличением содер­ жания p-фазы в а+р-сплавах. Снижение ударной вязко­ сти в области малых концентраций водорода слабо выра­ жено для сплава ВТ6, больше для ВТ16 и наиболее силь-

405

по для ВТ22. Этот эффект в наибольшей степени прояв­ ляется для тех плавок а+р-сплавов, которые имеют высокую ударную вязкость в вакуумированном состоя­ нии— порядка 10—12 кгс-м/см2. Если ударная вязкость а+р-сплавов в вакуумированном состоянии составляет

С одерж ание Н? , %

Рис. 195. Изменение ударной вязкости в зависимости от со­ держания водорода технически чистого титана и р титановых сплавов:

2 — ВТ6; 3 — ВТ-16; 4 - ВТ15; 5 — ВТ8; 6 - ВТЗ-1; 7 — ВТ22

4—6 кгс-м/см2, то указанного эффекта не наблюдается. Первые исследованные нами а+Р-сплавы (ВТб, ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ8) имели ударную вязкость 4—6 кгс-м/см2 и, по-видимому, именно поэтому нами ранее не было обна­ ружено падения их ударной вязкости в области малых концентраций водорода. Заметим, что на рис. 195 дан­ ные для сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 приведены для старых пла­ вок.

Причины снижения ударной вязкости отожженных а+р-сплавов в области малых концентраций водорода до сих пор не ясны. Указанное явление впервые было на­ ми обнаружено для сплава ВТ22 и именно для него были проведены первые специальные эксперименты по выявле­ нию его природы. Металлографический анализ показал, что в сплаве ВТ22 при концентрациях водорода до 0,2%

406

(но массе) нет гидридов, и поэтому гидридиая хрупкость не может быть ответственна за резкое снижение ударной вязкости сплава при малых концентрациях водорода. Хладноломкость, обусловленная растворенным в (3-фазе водородом, также не может быть причиной рассматрива­ емого эффекта. Даже если бы весь водород был скон­ центрирован в (3-фазе, то при средней его концентрации в сплаве 0,01—0,05% содержание водорода в (3-фазе до­ стигало бы значений 0,02—0,1%, так как в отожженном сплаве ВТ22 содержание (3-фазы близко к 50%. При кон­ центрациях водорода 0,02—0,1% |3-сплавы не склонны к водородной хрупкости при комнатной температуре.

Рентгеноструктурный анализ продольного сечения об­ разцов показал, что в наводороженных образцах в слое, примыкающем к излому, имеется ©-фаза, а в недеформированных областях образцов ее нет. В ненаводороженных образцах co-фазы нет по всей длине разрушенных образцов. Поэтому можно предположить, что снижение ударной вязкости при малых концентрациях водорода связано не с водородной хрупкостью, а с влиянием водо­ рода на превращения, протекающие в титановых спла­ вах под действием напряжений.

При испытании наводороженных титановых сплавов па удар в (3-фазе под действием деформации образуется w-фаза, которая и снижает работу разрушения. С уве­ личением количества |3-стабилизаторов возрастает коли­ чество (3-фазы, а вместе с тем и количество oi-фазы, об­ разующейся внутри нее при деформации. Как указыва­ лось выше, водород увеличивает количество ©-фазы в закаленных сплавах докритического состава и уменьша­ ет ее количество в сплавах закритического состава. Воз­ можно, что такое же действие оказывает водород и на количество ©-фазы, образующейся в |3-фазе под действи­ ем деформации в отожженных сплавах, и поэтому в об­ ласти малых концентраций водорода ударная вязкость снижается в сплавах с а+(3-структурой и не снижается в сплавах, структура которых представлена одной (3-фа­ зой.

Второе снижение ударной вязкости а+(3-сплавов происходит при таких концентрациях водорода, при ко­ торых в структуре сплава также нет еще видимых гид­ ридов. Это снижение вязкости обусловлено не выделени­ ями гидридов, а хрупкостью p-фазы, обусловленной раст­ воренным в ней водородом.

407

В Л И Я Н И Е В О Д О Р О Д А Н А М Е Х А Н И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А с с + | 3 - С П Л А В О В В О Т О Ж Ж Е Н Н О М С О С Т О Я Н И И

В1958 г. нами было изучено влияние водорода на ме­ ханические свойства отечественных а+Р-титановых спла­ вов при комнатной температуре при различных скоростях растяжения образцов [384—386].

Вэтих экспериментах было обнаружено, что прочно­ стные характеристики а+Р"гитановых сплавов сильно

возрастают с увеличением скорости растяжения. При скоростях растяжения от 2,7-10-4 до 1,7-10~2с-1 прочно­ стные свойства всех рассмотренных сплавов практичес­ ки не зависят от содержания водорода. В значительно большей степени изменяются в зависимости от содержа­ ния водорода пластические свойства титановых сплавов,

держания водорода, а выше некоторой концентрации во­ дорода уменьшаются, причем это уменьшение удлинения и поперечного сужения наиболее сильно обнаруживается при проведении испытаний с малыми скоростями переме­ щения траверс разрывной машины.

В последнее время было проведено более детальное исследование влияния водорода на структуру и свойства а+Р-титановых сплавов. При повторных исследованиях было обнаружено, что водород при концентрациях до 0,1% (по массе) не оказывает существенного влияния на пластичность сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 в отожженном состоя­ нии при проведении испытаний со скоростью 2,7-10~4c_1 на гладких образцах при комнатной температуре

(рис. 196, 197).

Таким образом, наблюдается известное расхождение между результатами, опубликованными в 1964 г., и ре­ зультатами, полученными нами в 1958 г. Подобное рас­ хождение является следствием двух факторов: 1) тита­ новая губка в настоящее время содержит меньше при­ месей, чем это было в 1958—1959 гг.; 2) в последнее время состав сплава ВТЗ-1 был модифицирован, содер­ жание алюминия в нем было увеличено, а железо и кремний были введены в качестве легирующих элемен­ тов. Действительно, Джаффи и Вильямс [383] обнару-

408

жили, что кислород усиливает склонность а+р-сплавой к водородной хрупкости, а алюминий снижает. Повыше­ ние качества титановой губки, увеличение содержания в сплавах алюминия привело к тому, что склонность спла­ вов ВТЗ-1 и ВТ8 к водородной хрупкости уменьшилась.

Сплавы ВТ6 и ВТ6С в отожженном состоянии не склонны к водородному охрупчиванию при всех исследо­ ванных скоростях растяжения даже при введении 0,15% (по массе) Нг (рис. 198) [368].

При проведении испытаний с малой скоростью дефор­ мации увеличение содержания водорода от 0,002 до 0,05 % приводит к некоторому снижению предела прочности сплава ВТ14 после изотермического отжига, предел те­ кучести при этом заметно не меняется (рис. 199). Попе­ речное сужение и относительное удлинение несколько по­ вышаются с увеличением содержания водорода. Даже при 0,2% водорода не было обнаружено хрупкого раз­ рушения сплава ВТ14 при проведении испытаний с ма­ лой скоростью растяжения при комнатной температуре.

Предел прочности сплава ВТ16 (рис. 200) при увели­ чении содержания водорода сначала уменьшается, про­ ходит через минимум при 0,05%, а затем увеличивается. Предел текучести и удлинение при введении водорода

40Э