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

шей склонностью к водородной хрупкости, чем те же сплавы, выплавляемые сейчас. Это связано с тем, что составы сплавов постоянно менялись, в частности в них постепенно повышали содержание алюминия. Увеличение содержания алюминия также привело к уменьшению склонности а+р-сплавов к водородной хрупкости.

Для более детального изучения этого вопроса были взяты три плавки сплава ВТЗ-1 с разным содержанием кислорода (0,08; 0,15 и 0,20%)- Образцы испытывали при температурах от —78 до +20° С в смеси сухого льда с бензином. Испытания проводили при скорости переме­ щения траверс разрывной машины 4 мм/мин. Весь экс­ перимент (охлаждение образца+разрыв) занимал не более 15 мин. Поэтому можно полагать, что заметного взаимодействия окружающей среды с титаном не проис­ ходило и среда не оказывала существенного влияния на механические свойства сплава.

На рис. 209 приведено влияние температуры испыта­ ний на свойства сплава ВТЗ-1 разных плавок с 0,03% Н2. С понижением температуры испытаний прочность сплава ВТЗ-1 повышается. Ярко выраженных провалов пластич­ ности для сплава ВТЗ-1 с низкой прочностью нет. Таким образом, для низкопрочного сплава ВТЗ-1 нет ярко вы­ раженной хрупкости при пониженной температуре. Для сплава ВТЗ-1 высокой прочности, наоборот, наблюдается ярко выраженная склонность к водородной хрупкости при пониженных температурах. Поперечное сужение об­ разцов с повышенными концентрациями кислорода при понижении температуры уменьшается значительно более резко, чем поперечное сужение образцов с малым содер­ жанием кислорода.

ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА НА СКЛОННОСТЬ а+р-СПЛАВОВ К ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ

Величина зерна оказывает существенное влияние на свойства а+р-сплавов и на их склонность к водородной хрупкости. На рис. 210 приведена зависимость попереч­ ного сужения и относительного удлинения сплава ВТ8 от содержания водорода для мелкозернистых и крупно­ зернистых образцов [377]. Механические испытания проводили со скоростью деформации 2,7-10~Зс~1. Отчет­ ливо видно, что материал с крупнозернистой структурой

421

имеет в среднем в три раза меньшее поперечное сужение и в полтора раза меньшее относительное удлинение по сравнению с мелкозернистым материалом. Относительное удлинение крупнозернистых образцов весьма велико по сравнению с поперечным сужением, т. е. разрушение об­ разцов идет с весьма слабым образованием шейки при значительной общей деформации. Значительное разли­ чие в пластических свойствах сплава ВТ8 с крупным и

мелким зерном наблю­

нение зерна приводит к уменьшению той концентрации водорода, при которой обнаруживается хрупкость. Так, сплав Ti—6А1—4V с мелким зерном (6 мкм) обнаружи­ вает хрупкость при содержании более 0,08% Н2, со сред­ ним зерном — при содержании более 0,04% Н2, а с круп­ ным зерном (24 мкм) — при содержании 0,02% Н2. Ана­ логично охрупчивается сплав Ti—4А1—4Мп: с размерами зерна 4 мкм— при содержании более 0,04—0,06% Н2, а с размерами зерна порядка 24 мкм — при содержании

0,02% Н2.

В этой же работе было установлено, что на макси­ мально допустимую концентрацию водорода влияет не только величина, но и форма a -зерна. Пластинчатая форма a -зерна, по-видимому, приводит к меньшей мак­ симально допустимой концентрации, чем равноосная, од­ нако, возможно, что этот вывод является результатом бо­ лее грубого строения пластинчатых структур, так что

422

влияние формы зерна на водородную хрупкость требует дополнительных исследований.

В другой серии экспериментов 1образцы сплава ВТЗ-1

сти увеличивается. Мини­ мальное поперечное сужение имеет тем меньшее значение,

чем выше температура отжига. Температурный интервал водородной хрупкости сужается с уменьшением размеров зерна, а после отжига при 800° С совсем не наблюдается

ной хрупкости. С укрупнением зерна возрастают длина линий скольжения и число дислокаций в скоплении. Уве-

4 2 3

ЛИченИс числа дислокаций, особенно в голове скоплений, приводит к большей концентрации водорода в областях зарождения трещин, что облегчает их раскрытие. Тран­ спортировка атомов водорода к устыо растущей трещи­ ны в крупнозернистом образце также происходит более интенсивно, чем в мелкозернистом.

Приведенные данные еще раз подтверждают извест­ ную уже истину: при обработке давлением, при термооб­ работке нужно избегать режимов, приводящих к круп­ ному зерну. Материал с крупнозернистой структурой бо­ лее склонен к хрупкому разрушению, чем материал с мелкозернистой структурой. Кроме этого, достаточно незначительных количеств водорода (порядка 0,015%), чтобы заложенная в крупнозернистом материале хруп­ кость проявилась в полной мере. Возможно, сварные со­ единения именно потому более склонны к водородной хрупкости, чем кованый или катаный материал, что в околошовной зоне вырастает очень крупное зерно.

Г л а в а 5

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА |,-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В Л И Я Н И Е В О Д О Р О Д А Н А С Т Р У К Т У Р У И Ф А З О В Ы Е П Р Е В Р А Щ Е Н И Я В р - С П Л А В А Х

Растворимость водорода в [З-титановых сплавах очень велика. Так, например, в |3-титановом сплаве ВТ15 первые следы гидридов появляются лишь при концентрациях водорода порядка 0,35% (по массе). Поэтому при тех концентрациях, которые встречаются в

с которым мы столкнулись при определении коэффициента диффу­ зии водорода в сплаве ВТ15. При послойном анализе наводорожениых образцов было обнаружено, что на монотонной кривой, харак­ теризующей снижение концентрации водорода с удалением от наводороживаемой поверхности, периодически наблюдаются пики, от­ вечающие аномально высоким содержаниям водорода. Эти пики уда­ лось объяснить лишь тем, что при низких температурах водород по границам зерен диффундирует значительно быстрее, чем по телу зерна. Отсюда следует, что при низкотемпературном,наводороживании концентрация водорода по границам зерен значительно больше его средней концентрации.

Неравномерное распределение водорода в закаленном сплаве ВТ15 было непосредственно подтверждено С. 3. Бокштейном [115] методом электронномикроскопической авторадиографии. Распреде­

424

ление водорода в Р-снлаве ВТ15 при небольших увеличениях авто­ радиограмм кажется равномерным по объему зерен. Однако при больших увеличениях обнаруживается, что водород связан с дисло­ кациями. Кажущееся при малых увеличениях равномерное распре­ деление водорода по объему p-зерна связано с однородной дисло­ кационной структурой.

Иная картина наблюдается в сплаве ВТ15 с полигонизованной структурой. Сплав ВТ15, насыщенный тритием, деформировали рас-

Рис. 212. Диаграмма изотермических превращений в сплаве ВТ15 с 0,002 (/); 0,015 (2); 0,03 (3); 0,05 (4) и 0,1 (5) % Н2

тяжением па 6%i отжигали при 950° С в течение 20 ч и закаливали в воде. После такой обработки было обнаружено обогащение поли­ гональных границ тритием. Этот результат свидетельствует о тен­ денции водорода к сегрегации па внутризеренных границах раз­ дела.

Сегрегация водорода по границам зерен и субзерен может при­ вести к хрупкости материала при таких средних концентрациях водорода, которые считаются безопасными. Склонность к водородной хрупкости определяется не только средней концентрацией водорода в металле, но и его распределением. Очевидно, чем ниже температура наводороживания, тем больше сегрегация водорода по границам зерен и тем больше должна быть склонность к водородной хрупкости. На сегрегацию водорода по границам зерен до сих пор не обращают должного внимания, так как полагают, что диффузия водорода по границам и по телу зерна происходит одинаково легко. Однако это заключение справедливо лишь для достаточно высоких температур.

Водород существенно влияет на фазовые превращения в р-тита- новых сплавах, а следовательно, и на их структуру. В работе [389] методом пробных закалок было показано, что водород, будучи Р-стабилизатором, снижает границу перехода от а+ Р - к Р-области в сплаве ВТ15 (точку Ас3). Так, например, 0,1% Н2 снижает точку Асз с 745 до 730° С. Диаграмма изотермических превращений в спла­ ве ВТ15 с 0,002% Нг приведена на рис. 212. На этой диаграмме указаны линии начала выделения a -фазы. Распад P-фазы с выде­ лением ct-фазы быстрее всего происходит при 575° С, а с образова­ нием ш-фазы — при 300° С.

425

В интервале температур 400—650° С водород сильно повышает стабильность (3-фазы. Так, например, при температуре 500° С ее распад в сплаве ВТ15 с 0,002% Н2 начинается спустя 100 мин, а в сплавах с 0,03; 0,05 и 0,1% Нг спустя 5; 7 и 15 ч соответственно. Эффекты старения при низких температурах, к сожалению, так ма­ лы, что трудно судить о влиянии водорода на стабильность р-фазы при температурах^иже 350° С.

В Л И Я Н И Е В О Д О Р О Д А Н А С В О Й С Т В А р - С П Л А В О В П Р И К О М Н А Т Н О Й Т Е М П Е Р А Т У Р Е

Титановые сплавы со структурой, представленной (3-фазой, мало склонны к водородной хрупкости при ком­ натной температуре. Действительно, Джаффи, Деннинг и Крейхед [341] не обнаружили снижения пластичности сплавов Ti-j-13% Мо и Ti+20% Мо, закаленных на |3-фа- зу, даже при 0,2% (по массе) Н2 при проведении испы­ таний со скоростью перемещения траверс разрывной ма­ шины 0,1 мм/мин при 25° С (рис. 194). По их же данным закаленный на (3-фазу сплав Ti+9% Мп не склонен к во­ дородной хрупкости в интервале концентраций водорода 0,0015—0,075% при тех же условиях проведения механи­ ческих испытаний.

склонен к водородной хрупкости при комнатной темпе­ ратуре. Аналогичные данные были получены для оте­ чественного (3-титанового сплава ВТ15 [390].

На рис. 213 приведено влияние водорода на механи­ ческие свойства закаленного сплава ВТ15 при комнатной температуре (по последним данным). Пределы прочно­ сти и текучести с увеличением содержания водорода воз­

тается постоянным (на уровне 22%) при всех исследо­ ванных концентрациях. Поперечное сужение более чувст­ вительно к водороду; оно сначала падает с 60% при 0,002% Н2 до 47% при 0,03% Н2, затем плавно возра­ стает, достигая 55% при 0,2% Н2.

Ударная вязкость несколько уменьшается с увеличе­ нием содержания водорода, но сохраняется достаточно высокой. Лишь при содержаниях водорода, больших 0,20% (по массе), происходит резкое снижение ударной вязкости закаленного сплава ВТ15 (рис. 141). Как ука­

426