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

щимся усталостной трещиной. При выдержке образцов под нагрузкой в глубоком вакууме (давление 10 7 мм рт. ст.) трещина нс растет. Если же в камеру ввести во­ дород высокой чистоты (99,999%, точка росы—65° С), содержащий менее 0,0001% (по массе) кислорода, на­ чинается увеличение длины трещины с возрастающей во времени скоростью.

При электронномикроскопическом исследовании на поверхности разрушения были обнаружены темные вы­ деления гидрида титана, образовавшиеся в результате реакции водорода с титаном в вершине трещины. Это­ му взаимодействию способствуют свежие нсокислснныс поверхности разрушения и пластически деформирован­ ное состояние металла у вершины трещины. Так как гидриды выделяются преимущественно по плоскостям

системы {1010}, то и трещина развивается вдоль этих плоскостей. Трещина распространяется скачкообразно по схеме, приведенной на рис. 236. Стадии быстрого раз­ вития трещины чередуются с почти полной ее останов­ кой. Во время остановки происходит поглощение водо­ рода сплавом и, когда наводороженная зона достигает глубины 1—2 мкм, начинается быстрый рост трещины. Рост трещины прекращается, когда ее вершина вы­ ходит из наводороженной зоны. Далее процесс повто­ ряется.

Вильямс и Нельсон [397] изучили влияние молеку­ лярного водорода на рост трещин в сплаве Ti—5А1—2,5Sn при испытании на внецентровое растя­ жение образцов с усталостной трещиной. Исследования были проведены на материале, закаленном с 1065° С. Микроструктура образцов была представлена пластина­ ми a -фазы внутри границ бывшего p-зерна. Такую же структуру имеет зона термического влияния сварных соединений. Поэтому полученные в работе результаты позволяют косвенно судить о влиянии молекулярного во­ дорода на развитие трещин в сварных соединениях из сплава Ti—5А1—2,5Sn. Для исследований был исполь­ зован водород, содержащий менее 0,01% активных при­ месей (О2, Н2О, N2), дополнительно очищенный ловуш­ кой из жидкого азота. Результаты эксперимента описа­ ны в терминах линейной механики разрушения (вместо

461

напряжений авторы приводят коэффициенты интенсив­ ности напряжений Ki).

Проведенные исследования показали, что при испы­ таниях в среде молекулярного водорода рост трещины происходит при меньших напряжениях, чем при испыта­ ниях на воздухе. При малых значениях коэффициента интенсивности напряжений К\ скорость роста трещины экспоненциально зависит от величины К\ и почти не за­

лове трещины образуются гидриды. Гидриды затрудня­ ют пластическое течение металл-а в голове трещины и облегчают ее развитие.

При среднем уровне значений коэффициента интен­ сивности напряжений скорость роста трещины нечувст­

скорость роста трещины увеличивается примерно в ты­ сячу раз. Скорость роста трещины при средних значени­ ях контролируется термически активируемым процессом с энергией активации 5500 кал/моль и возрастает про­ порционально квадратному корню из давления водо­ рода.

Пропорциональность скорости роста трещины квад­ ратному корню из давления водорода свидетельствует о том, что растрескивание сплава Ti—5А1—2,5Sn при средних значениях Ki связано с атомарным водородом.

При коэффициентах интенсивности напряжений Ki, близких к критическому его значению Kic, скорость рос­ та трещины не зависит от окружающей среды и опреде­ ляется обычными для металла процессами, такими как зарождение и коалесценция пор и т. п. Аналогичные за­ кономерности при средних напряжениях наблюдались и для роста трещины в сплаве Ti—6А1—4V в среде мо­ лекулярного водорода [398].

ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ

При производстве и эксплуатации готовых изделий, несмотря на целый ряд предупредительных мероприя­ тий, наблюдаются случаи внезапного хрупкого разруше­ ния сварных конструкций из титановых сплавов. Склон­ ность к образованию холодных трещин в сварных образ­

462

цах возрастает с увеличением содержания водорода в свариваемом металле [399—401]. Разрушение в боль­ шинстве случаев зарождается вблизи сварного шва в зо­ не термического влияния, что связано с повышенным со­ держанием в ней водорода. Холодные трещины в свар­ ных соединениях возникают спустя некоторое время пос­ ле сварки, причем инкубационный период может длиться несколько месяцев [399].

Вработах [399, 400] указывается, что образованию холодных трещин в сварных соединениях из титана спо­ собствует гидридное превращение, происходящее с уве­ личением удельного объема и приводящее к значитель­ ным местным напряжениям первого и второго рода, спо­ собствующим хрупкому разрушению. Массовость гидридного превращения, а следовательно, и склонность

кобразованию холодных трещин увеличивается с повы­ шением содержания водорода.

Вусловиях сварки гидридное превращение смещает­ ся в сторону комнатной температуры из-за очень быст­ рого охлаждения металла. При комнатной температуре релаксация внутренних напряжений затруднена, и по

этой причине гидридное превращение, происходящее в условиях сварки, сильнее способствует возникновению трещин, чем при охлаждении титановых изделий после отжига.

Существенное влияние на склонность к образованию холодных трещин оказывает характер распределения гидридов [216]. Медленное охлаждение металла после последней термической обработки способствует образо­ ванию круцных выделений гидридной фазы, располага­ ющихся по границам зерен. Такое распределение гидри­ дов ускоряет образование холодных трещин и увеличи­ вает чувствительность сплавов к концентрации напряжений в этих местах.

На склонность к образованию холодных трещин су­ щественное влияние оказывает уровень пластических свойств основного материала. Из-за большой чувстви­ тельности к концентрации напряжений высокопрочные и малопластичные сплавы более склонны к возникнове­ нию трещин, чем малопрочные и высокопластичные.

В работе [216] показано, что в ряде случаев холод­ ные трещины, возникающие в титане и а-енлавах спустя некоторое время после сварки, наблюдаются и в отсут­ ствие гидридной фазы. Таким образом, наличие гидрид-

463

обусловлено обратимой водородной хрупкостью. Дейст­ вительно, возникновение холодных трещин наблюдается

ний к замедленному хрупкому разрушению судили по времени появления трещин при статическом изгибе сва­ ренных листовых образцов по схеме, приведенной на рис. 86, а.

Исследования, проведенные по этой методике, пока­ зали, что водород способствует образованию трещин в сварных соединениях из титана и его сплавов. Титано­ вые сплавы как с а-, так и с a + p -структурой при со­ держании водорода более некоторого критического зна­ чения разрушаются преждевременно. В соединениях, выполненных аргоно-дуговой сваркой встык без приса­ дочного материала на листах толщиной 1 —1,2 мм, за­ медленное разрушение при испытаниях по схеме А. С. Михайлова и Б. С. Крылова развивается при кон­

были выполнены по методике, которая исключает уста­ новление связи между напряжениями и временем до разрушения. Более совершенны в этом отношении рабо­ ты М. X. Шоршорова с сотрудниками [210, 220], экспе­ риментальная часть которых была выполнена на листо­ вых образцах с надрезом при проведении испытаний на статическое растяжение на машинах с рычажным нагру­ жением. С каждой стороны надреза образцы проплав­ ляли при помощи аргоно-дуговой горелки так, чтобы околошовная зона располагалась в месте надреза. Надрез не только фиксировал место разрушения, но и создавал двухосное напряженное состояние.

Табл. 41 иллюстрирует влияние водорода на пара­

4 6 4