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

йия разрушения мало зависят от времени приложения нагрузки. При повышенных содержаниях водорода кри­ вые, иллюстрирующие изменение разрушающих напряже­ ний в зависимости от времени их приложения, сначала идут параллельно оси абсцисс, затем происходит резкое

Рис. 228. Зависимость разрушающих напряжений от времени их приложения

падение и, наконец, падение напряжений вновь замедляется. При уровне напряжений выше 0,4 предела прочно­ сти разрушение надрезанных образцов сплавов ОТ4 и ОТ4-1 при содержаниях водорода более 0,010—0,015% происходит в первые 70 сут. Однако разрушение происхо­ дит и при меньших напряжениях, если увеличить время действия нагрузки. Так, например, образцы сплава ОТ4-1

450

с 0,03 и 0,02% водорода при нагрузке 40 кгс/мм2 разру­ шались через 358 и 400 сут. соответственно.

При эксплуатации изделий важно, чтобы разруше­ ние не происходило в течение всего ресурса работы. Поэ­ тому целесообразно отвлечься от времени до разрушения

Рис. 229. Изменение разрушающих напряжений а-сплавов (а), а Ч-р-сплавов (б) и |3 -сплава (в) при статическом растяжении по

схеме Трояно в зависимости от содержания водорода при базе испытаний 500 сут. после различных видов обработки:

/ — ОТ4-1, отжиг; 2 — ОТ4, отжиг; 3 —• ВТ5Л, отжиг; 4 — ВТ20, от­

и построить график зависимости разрушающих напря­ жений от содержания водорода при заданной базе испы­ таний.

Исследования, проведенные по методике Трояно, по­ казали, что при базе испытаний 950 сут. для сплава ОТ4 безопасными являются концентрации водорода менее 0,010%, а для сплава ОТ4-1— менее 0,005% (рис. 229). При больших концентрациях водорода сплав ОТ4, наоборот, более склонен к водородной хрупкости, чем сплав ОТ4-1. Пороговые напряжения, ниже которых

напряжения сплава ВТ5Л с разным содержанием водо­ рода [372] иллюстрируется рис. 228, а. Особенность сплава ВТ5Л состоит в том, что небольшие концентрации водорода (до 0,012%) повышают разрушающие напряже­ ния, по крайней мере, при длительности испытаний до 500 сут. Введение в образцы 0,017%Н2 заметно снижает разрушающие напряжения. Этот эффект еще более ярко выражен при 0,03 и 0,05% Н2. Полученные результаты приведены на рис. 229 в координатах пороговые разру­ шающие напряжения — содержание водорода. Пороговые разрушающие напряжения уменьшаются с увеличением содержания водорода. При базе испытаний 500 сут. рез­ кое снижение пороговых напряжений происходит при со­ держании водорода более 0,014% (по массе). Пороговые напряжения, ниже которых в течение 500 сут. водород при концентрациях 0,03—0,05% не приводит к замедленному разрушению, составляют 36 кгс/мм2. Таким образом, максимально допустимой концентрацией водорода в сплаве ВТ5Л при длительной его работе следует считать 0,014%. При рабочих напряжениях, меньших 36 кгс/мм2, можно не опасаться водородной хрупкости даже при весьма больших концентрациях водорода.

Типичные а+р-сплавы (ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22) ме­ нее склонны к замедленному хрупкому разрушению, чем а-сплавы и псевдо-а-сплавы (ОТ4, ОТ4-1). Так, напри­ мер, при базе испытаний 500 сут. в сплавах ВТ6 и ВТ14 не наблюдалось снижения разрушающих напряжений да­

склонен к замедленному разрушению, чем сплавы ОТ4-1, ОТ4 и ВТ5Л.

Титановые сплавы с p-структурой (ВТ15 и р-П1) также мало склонны к замедленному хрупкому разруше­ нию. При концентрациях водорода до 0,1% (по массе) за 500 сут. не разрушился ни один образец даже при на­ пряжениях, составляющих 0,95 от предела прочности надрезанного образца. Таким образом, при комнатной температуре склонность титановых сплавов к замедлен­ ному разрушению уменьшается с увеличением количест­ ва р-фазы.

Для оценки работоспособности листового материала При длительном действии напряжений были проведены испы4ания на статический консольный изгиб образцов

4 5 2

спредварительно нанесенной усталостной трещиной

[392].Исследования проводили на образцах размерами 60ХЮХЗ мм с боковым под углом 60° надрезом длиной 2 мм и усталостной трещиной длиной 2 мм.

Зависимость разрушающих напряжений от времени до разрушения при статическом изгибе образцов спла-

Рис. 230. Зависимость разрушающих напряжений от времени их действия при испытаниях на статический изгиб продольных (а) и поперечных (б) образцов сплава ОТ4 с различным содержани­ ем водорода, %:

i — 0,002; 2 — 0,008; 3 — 0,015; 4 — 0,02; 5 — 0,03; 5 — 0,05; 7 — 0,012

дут себя по-разному. Водород сравнительно мало влияет на время до разрушения образцов из сплава ОТ4-1, вырезанных вдоль направления прокатки. Образцы из сплава ОТ4-1, содержащие от 0,002 до 0,05% Нг, при

453

напряжениях, соответствующих 75% от разрушающих напряжений, при кратковременных испытаниях простоя­ ли более шести месяцев.

На длительную прочность сплава ОТ4 при статиче­ ском изгибе водород оказывает очень сильное влияние. Увеличение содержания водорода в сплаве ОТ4 резко

Рис. 231. Зависимость разрушающих напряжений от времени их действия при испытаниях на статический изгиб продольных (я) и поперечных {б) образцов сплава ОТ4-1 с различным содержа­ нием водорода, %:

1 — 0,002; 2 — 0,003; 3 — 0,015; 4 — 0,05; 5 — 0,01

снижает разрушающие напряжения. Особенно резко разрушающие напряжения уменьшаются, начиная с кон­ центрации водорода, равной 0,015%- Как и при испыта­ ниях по схеме Трояно, при больших концентрациях водо­ рода кривые замедленного хрупкого разрушения состоят из трех участков: первого, на котором разрушающие на­ пряжения мало зависят от времени действия нагрузки; второго, на котором разрушающие напряжения резко

4 5 4

снижаются с увеличением времени их действия, и тре­ тьего, соответствующего пороговым напряжениям, ниже которых разрушения не происходит. Переход к ускорен­ ному развитию замедленного хрупкого разрушения при испытаниях на изгиб происходит тем быстрее, чем боль­ ше содержание водорода.

Содержание Нг , %

Рис. 232. Влияние водорода на пороговые напряжения при испытаниях на статический изгиб поперечных (а) и продольных (б) образцов из сплава ОТ4 (/) и ОТ4-1 (2)

Для образцов сплава ОТ4-1, вырезанных поперек прокатки, наблюдается такая же картина, как и для об­ разцов сплава ОТ4, но менее ярко выраженная. Как для сплава ОТ4, так и для сплава ОТ4-1 напряжения разрушения образцов, вырезанных вдоль прокатки, меньше напряжений разрушения образцов, вырезанных поперек листа.

О влиянии водорода на склонность к замедленному разрушению сплавов ОТ4 и ОТ4-1 можно судить также по данным, представленным на рис. 232, на котором по­ казана зависимость пороговых напряжений от содержа­ ния водорода при времени до разрушения 100 сут. Для образцов сплава ОТ4, вырезанных как вдоль, так и по­ перек направления прокатки, наблюдается резкое умень­ шение пороговых напряжений с увеличением содержа­ ния водорода более 0,015%- Для сплава ОТ4-1 проч­ ность с увеличением содержания водорода уменьшается незначительно.

При содержании водорода менее 0,018—0,02% поро­ говые напряжения для сплава ОТ4 выше, чем для спла­ ва ОТ4-1, при содержании водорода более 0,02% наблю­ дается обратная закономерность. Таким образом, хотя кратковременная прочность сплава ОТ4 выше, чем спла-

455

fta 0T4-1, при большом содержании водорода при вре­ мени работы свыше 100 сут сплав ОТ4-1 выдерживает более высокие напряжения, чем сплав ОТ4.

Обусловленное водородом замедленное разрушение а+р-титановых сплавов чувствительно к структуре

Рис. 233. Зависимость разру­ шающих напряжений от времени действия нагрузки для закаленного (а) и со­ старенного (б) по режимам, обеспечивающим предел прочности 116 кге/мм2, сплава Ti—4А1—4Мп с разным со­ держанием водорода, %:

1 — 0,02; 2 — 0,08

[347].Разная чувствительность а+р-титановых сплавов

вразличных состояниях к замедленному разрушению иллюстрируется рис. 233, на котором показана взаимо­

связь времени до разрушения надрезанных образцов и приложенного напряжения для сплава Ti—4А1—4Мп, закаленного и состаренного по режимам, обеспечиваю­ щим одинаковую прочность (-~116 кге/мм2).

Данные работы [347] показывают, что а+р-титано- вые сплавы в отожженном состоянии наиболее склонны к водородной хрупкости. Сплавы в закаленном состоя­ нии менее чувствительны к замедленному разрушению, чем в состаренном или отожженном состоянии. Разную склонность а+р-титанового сплава Ti—4А1—4Мп к за­ медленному разрушению после различной термообра­ ботки авторы работы [347] объясняют различием в ко­ личестве p-фазы в структуре: 45% в закаленном, 35% в закаленном и состаренном и 25% в отожженном спла­ ве. В титановых сплавах водород концентрируется в p-фазе, поскольку теплота растворения водорода в ней меньше (с учетом знака), чем в a -фазе. Поэтому чем меньше p-фазы в сплаве, тем больше она насыщена во­

456