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

разрушении следует определять двумя характеристика­ ми: концентрацией водорода, начиная с которой снижа­ ются пороговые напряжения, и степенью снижения пороговых напряжений в условиях полного развития хрупкости. Эти две характеристики в общем случае явля­ ются независимыми в том смысле, что уменьшение кон­ центрации водорода, с которой начинается падение по­ роговых напряжений, может не сопровождаться усилием замедленного разрушения при высоких концентрациях водорода.

В-третьих, замедленное разрушение, обусловленное водородом, носит обратимый характер. Это заключение подтверждается, в частности, результатами, полученны­ ми в работе [347] по исследованию влияния предвари­ тельно приложенных напряжений на водородное охруп­ чивание а+р-сплава Ti—4А1—4Мп, подвергнутого за­ калке и старению. Для этой цели образцы выдерживали под напряжениями ниже предела текучести в течение 100 и более часов. Заметной деформации образцов при этом не происходило. Затем нагрузку снимали и образцы вы­ держивали различное время при комнатной температуре при нагрузке 85 кге/мм2. Некоторые из результатов ис­ следований приведены в табл. 38. Аналогичные данные получены для отожженных образцов.

Из этих данных следует, что предварительно прило­ женные напряжения ускоряют водородное охрупчива­ ние, однако последующая длительная выдержка при

439

комнатной или при повышенных температурах устраняет стимулирующее действие предварительных напряжений. Этот" эффект можно объяснить тем, что во время пред­ варительного нагружения образуются сегрегации ато­ мов водорода без нарушения сплошности металла и без выделения гидридов. Длительная выдержка после пред­ варительного нагружения приводит к рассасыванию этих скоплений. Трещины или гидриды при этом не об­ разуются, так как в этом случае не было бы возврата свойств при длительной выдержке, как это наблюдается

вдействительности.

Втитановых сплавах замедленное разрушение ос­ ложняется крипом, который происходит при необычно низких температурах. При комнатной температуре мо­ жет произойти заметная пластическая деформация, обу­ словленная крипом, и привести к узкому интервалу за­ медленного разрушения в ненадрезанных образцах неза­ висимо от того, есть в них водород или нет. Замедленное разрушение, обусловленное водородом, можно отделить от явлений, связанных с крипом, замеряя электросопро­

тивление в процессе нагружения и корректируя его с учетом изменения сечения образца при крипе.

Обстоятельные исследования зарождения и распро­ странения трещин в металлах при замедленном разру­ шении были выполнены Трояно с сотрудниками [347, 391]. О зарождении трещин и их росте судили по изме­ нению электрического сопротивления образца в процес­ се его нагружения. Эти исследования показали, что про­ цесс разрушения наводороженных образцов состоит из трех этапов: 1) инкубационного периода; 2) зарожде­ ния трещины и сравнительно медленного ее распростра­ нения и 3) быстрого распространения трещин по ос­ тавшемуся неповрежденному сечению образца.

Инкубационный период является весьма важной ха­ рактеристикой, определяющей условия возникновения водородной хрупкости. Изменения, происходящие в ма­ териалах при постоянной статической нагрузке до обра­ зования -трещины, обратимы, пока нет заметной пла­ стической деформации. Длительность инкубационного периода зависит прежде всего от приложенных напряже­ ний. При напряжении выше предела кратковременной прочности разрушение образца происходит практически мгновенно и длительность инкубационного периода рав­ на нулю. С уменьшением величины приложенных напря-

410

женин инкубационный период возрастает. Длительность инкубационного периода резко уменьшается с увеличе­ нием содержания водорода в металле.

В. И. Седов и Л. В. Мальков изучили кинетику роста трещин в сплаве ОТ4 и ОТ4-1 на установке, позволяю­ щей записывать электросопротивление образца по мето-

Рис. 223. Относитель­ ное изменение элект­ росопротивления об­ разцов из сплава ОТ4-1 с 0,005% Н2 в

процессе испытаний на замедленное раз­ рушение при напря­ жениях 80 кгс/мм2

дике, разработанной Трояно с сотрудниками. Исследова­ ния проводили на листовых образцах с надрезом, закан­ чивающимся усталостной трещиной при испытаниях на консольный изгиб по схеме, приведенной на рис. 86, в.

На рис. 223 приведен для примера график изменения электросопротивления в зависимости от времени нагру­ жения образца из сплава ОТ4-1 с содержанием 0,005%! Н2 при напряжении 80 кгс/мм2. Изменение электросопро­ тивления во времени можно условно разбить па три участка. Первый участок (/), на котором электросопро­ тивление не меняется, соответствует инкубационному периоду по Трояно. В этот период происходит пластиче­ ская деформация перед надрезом, создающая предпо­ сылки к началу медленного роста предварительно нане­ сенной усталостной трещины.

На втором участке (//) наблюдается постепенное увеличение электросопротивления с постоянной скоро­ стью. По мнению Трояно, этот участок состоит из непре­ рывного ряда следующих друг за другом этапов прирос­ та трещины и последующей ее остановки.

Третий участок (III) соответствует нестационарному росту трещины, происходящему с нарастающей скоро­ стью и приводящему к разрушению. На третьем участке,

441

по крайней мере, при малых содержаниях водорода скачкообразный характер роста трещины проявляется четко. На рис. 223 часть кривой зависимости электросо­ противления от времени на третьей стадии вынесена в круге в увеличенном масштабе. На этой стадии скачок электросопротивления происходит каждые 3—5 мин с по­ следующим, более медленным ростом электросопротив­ ления, за которым снова следует более быстрый рост электросопротивления. После четырех-пяти таких скач­ ков наступило быстрое нарастание электросопротивле­ ния, соответствующее разрушению. Разрушение образца на последней стадии происходит в течение 15—30 с при быстром нарастании скорости роста электросопротивле­ ния. В табл. 39 приведены для примера данные испыта­ ния четырех образцов сплавов ОТ4 и ОТ4-1.

Из анализа приведенных данных следует, что умень­ шение уровня приложенных напряжений увеличивает длительность инкубационного периода и время стабиль­ ного роста трещин и незначительно влияет на длитель­ ность нестационарного роста. Так, для образца из сплава ОТ4-1 с 0,005% Н2, испытанного при напряжении 80 кгс/мм2, время инкубационного периода составляет 120 ч, время стабильного роста электросопротивления 147 ч и время ускоренного роста 4 ч. Для образца, испы­ танного при напряжении 100 кгс/мм2, время инкубацион­ ного периода равно 40 ч, время стабильного роста тре­ щин составляет 84 ч, в то время как период разрушения занимает 3 ч. Уменьшение действующих напряжений при­ вело к увеличению длительности первого и второго пери­ одов в два-три раза, а третьего — всего на 33% •

Микроскопические исследования, проведенные Да-

442

ниэльсом, Квигом и Трояно [347] на продольных шлифах надрезанных круглых образцов на различных стадиях испытаний на статическое растяжение, показали, что трещина при остром надрезе зарождается в самом его устье, а при тупом надрезе — на некотором расстоя­ нии от него. Отсюда следует, что трещина при замедлен­ ном хрупком разрушении зарождается в области макси­ мальных растягивающих напряжений. Область макси­ мального трехосного растяжения при очень остром над­ резе находится в его вершине, а при тупом надрезе — на некотором расстоянии от нее, причем с увеличением ради­ уса надреза расстояние этой области от вершины надре­ за возрастает.

Зарождение трещин в листовых образцах с надрезом, заканчивающимся усталостной трещиной, при испытани­ ях на консольный изгиб было изучено А. В. Мальковым. При изучении слоев, лежащих чуть ниже поверхности излома в районе вязкого роста трещин, им было обна­ ружено три механизма зарождения трещин:

1)раскрытие трещин в результате двойникования;

2)раскрытие трещин в результате образования це­ почки пор в направлении, перпендикулярном оси растя­ жения и последующего их слияния;

3)раскрытие трещин в результате скопления водо­ рода по границе раздела а- и (3-фаз.

Возникновение трещин по границе раздела матрица

сплава— двойник характерно для сплавов ОТ4 и ОТ4-1 с малым содержанием водорода. На рис. 224, а приведе­ ны электронные микрофотографии вакуумированного образца ОТ4. На представленных фотографиях видны двойники и микротрещины, расположенные вдоль двой­ ников. Параллельно двойнику располагаются ямки травления в местах выхода дислокаций. Подобная струк­ тура наблюдается и в сплаве ОТ4 при содержании

0,01% Н2.

На рис. 224,6 приведена структура образца сплава ОТ4 с 0,015% Н2, который простоял 456 ч при напряже­ нии 92,4 кгс/мм2. В этом образце из-за диффузии вакан­ сий в область трехосного растяжения возникли поры, ко­ торые затем начали сливаться в трещину.

Возникновение трещин на границе раздела а- и (3-фаз было обнаружено в образцах с достаточно высоким со­ держанием водорода (рис. 224, в). Известно, что водород концентрируется в (3-фазе. При слишком больших содер-

4 4 3