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

Сложное влияние водорода на длительную прочность сплава ВТ 14 после закалки и старения объясняется дей­ ствием двух факторов. Во-первых, кратковременная про­ чность состаренного сплава ВТ14 для наводороженных образцов заметно больше, чем для ненаводороженных. Этот фактор увеличивает время до разрушения при за­ данном уровне напряжений. Во-вторых, данные, получен­ ные при изучении влияния водорода на превращения, протекаемые в титановых сплавах при термообработке, показывают, что водород ускоряет завершение распада (3-фазы и коагуляцию выделений упрочняющей фазы. Этот фактор должен снижать длительную прочность. При низких температурах ускорение распада (3-фазы при вве­ дении водорода не сказывается и действует лишь первый фактор, а при высоких температурах более интенсивное разупрочнение наводороженных образцов успевает про­ явиться.

Следует отметить, что водород в количестве до 0,05% Н2, хотя и снижает длительную прочность а+р-сплавов, но не приводит к катастрофическому ее падению. Лишь в одном случае сплав ВТЗ-1 с 0,05% Н2 разрушился ме­ нее чем через 100 ч при нагрузке, отвечающей низшему допустимому напряжению.

Исследование микроструктуры образцов после испы­ таний на длительную прочность показало, что вблизи по­ верхности разрушения в металле имеются многочислен­ ные поры. Размеры пор и их число увеличиваются с по­ вышением температуры испытаний. Наличие большого числа пор у поверхности разрыва свидетельствует о том, что разрушение при длительных испытаниях происходи­ ло по механизму, описанному Б. Я. Пинесом [410], за счет диффузии вакансий в области максимальных растя­ гивающих напряжений.

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОДОРОДА НА СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Водород в полуфабрикатах часто распределен нерав­ номерно. Эта неравномерность возникает из-за малых скоростей диффузии при температурах, близких к ком­ натной, в тех случаях, когда технологические процессы включают в себя операции, приводящие к наводороживанию. Как было показано выше (стр. 293), насыщенные

водородом поверхностные слои непременно возникают при травлении титана и его сплавов.

Поверхностный водород должен оказывать иное влияние на свойства металлов, чем равномерно распре­ деленный. В связи с этим по инициативе проф. докт. техн. наук С. А. Вигдорчика нами было предпринято специальное исследование по изучению влияния харак­ тера распределения водорода на служебные свойства ти­ тановых сплавов [424].

В качестве объекта исследования были выбраны сплавы ОТ4 и ОТ4-1. Разную концентрацию водорода на поверхности создавали следующими способами:

1) вакуумным отжигом при 670° С, 2 ч; 2) размерным травлением в водном растворе, содер­

жащем 130—140 мл/л HF и 55—60 мл/л H2SO4;

3)облагораживающим травлением в водном раство­ ре, содержащем 600—750 мл/л HN03и 180—220 мл/л HF;

4)электролитическим травлением в однонормальном

растворе серной кислоты; плотность тока 0,025— 0,05 А/см2, время 1—2 ч;

5) фосфатированием по методике ВИАМ.

Места, не подлежащие наводороживанию, защищали лаком. Следует отметить, что при травлении сплавов ОТ4 и ОТ4-1 указанными выше способами происходит не только наводороживание поверхности, но и образуется тонкий альфированный слой. Толщина альфированного слоя наибольшая при электролитическом травлении и наименьшая при облагораживающем. Испытания листо­ вых образцов на растяжение были проведены на листах толщиной 0,5 мм из сплава ОТ4. Образцы были выреза­ ны вдоль направления прокатки.- Образцы отжигали в вакууме при 670° С в течение 2 ч и затем электролитиче­ ски наводороживали по различным схемам. Содержа­ ние водорода в наводороженном поверхностном слое со­ ставляло 0,03—0,05%.

Поверхностное наводороживание вызывает повыше­ ние пределов прочности и текучести на 1—5 кгс/мм2 и несколько уменьшает пластичность металла в зависимо­ сти от схемы наводороживания. Разрушение вакуумированных образцов (рис. 245, а) происходит путем среза под углом 45° к оси растяжения. Наводороженные образ­ цы разрушаются более хрупко (рис. 245, б, в), в их сече­ нии появляется площадка, перпендикулярная оси растя­ жения. Ненаводороженная часть обцазиа деформируется

484

няется по паводорожешюыу участку, но достигнув ненаводороженной зоны, приостанавливается. Ненаводороженная зона продолжает деформироваться и трещина в наводороженной зоне раскрывается до макроскопических размеров. Когда пластичность ненаводороженного ме­ талла в результате деформации исчерпывается, происхо­ дит разрушение образца.

Испытания на гиб с перегибом производили на ли­ стах толщиной 0,5—2 мм из сплава ОТ4 в исходном со­ стоянии и после следующих обработок: а) травление в размерном травителс с последующим облагораживани­ ем; б) травление в размерном травителе, облагоражива­ ние и вакуумный отжиг при температуре 670° С с напус­ ком воздуха при 300° С; в) травление в размерном травителе, облагораживание и вакуумный отжиг при тем­ пературе 670° С с напуском воздуха при 25° С; г) травле­ ние в серной кислоте.

Лист из сплава ОТ4 данной партии имел в исходном состоянии 0,008% Н2 на поверхности и 0,005% Н2 в сере­ дине. Травление и последующее облагораживание сни­ жает содержание водорода на поверхности до 0,005%. Образцы, подвергнутые травлению в серной кислоте, имеют на поверхности тонкий слой гидрида титана

(0,8% Н2).

Испытания проводили на бойках с радиусом закруг­ ления 10 мм. При испытаниях фиксировали появление сетки мелких трещин, видимых при четырехкратном уве­ личении, и образование основной, видимой невооружен­ ным глазом трещины длиной 2—4 мм. Окончательное раз­ деление образца на две части не фиксировали.'

Наибольшее число гибов с перегибом выдерживают образцы, подвергнутые облагораживающему травлению. Облагораживающее травление в полтора раза повышает сопротивляемость металла к возникновению трещин по сравнению с исходным состоянием. Травление в серной кислоте ухудшает сопротивление металла появлению трещин на несколько циклов. Последующее за травлени­ ем в серной кислоте вакуумирование при температуре 670° С в течение 2 ч с напуском воздуха при 25 или 300° С еще более снижает способность металла противо­ стоять знакопеременным нагрузкам при гибс с пере­ гибом.

Появление микротрещин на поверхности металла при испытании на гиб с перегибом обусловлено двумя причи-

48G

памп: поверхностным водородом п естественными дефек­ тами на поверхности металла.

Положительное влияние облагораживающего травле­ ния связано с удалением поверхностного слоя металла, содержащего повышенное количество водорода, по срав­ нению с сердцевиной, а также с притуплением радиуса закругления поверхностных дефектов и залечиванием мелких трещин.

Невысокое сопротивление появлению трещин при гибе с перегибом образцов, подвергнутых травлению в сер­ ной кислоте, связано с образованием на поверхности об­ разцов гидридов. На поверхности образцов, вакуумированных после облагораживания, количество водорода примерно одинаково с количеством водорода в облагоро­ женных образцах. Тем не менее вакуумированные образ­ цы хуже противостоят испытаниям на гиб с перегибом по сравнению с облагороженными образцами. Причины подобной закономерности не ясны.

При испытаниях на двухосное растяжение было об­ наружено, что первичные трещины зарождаются преиму­ щественно в направлении поперек прокатки и распрост­ раняются в глубь металла под углом 45°. Вторичная тре­ щина развивается в направлении, перпендикулярном первичной трещине, и поверхность разрушения принима­ ет вид несимметричной буквы Т (рис. 246).

Уменьшение содержания водорода на поверхности пу­ тем облагораживающего травления приводит к увеличе­ нию времени до появления трещины по сравнению с ис­ ходным материалом (состояние поставки). При одних и тех же условиях статического двухосного растяжения размеры трещин на поверхности облагороженных мемб­ ран из сплавов ОТ4 и ОТ4-1 меньше, чем на поверхности мембран из металла в состоянии поставки.

Наиболее четко влияние поверхностного водорода выявляется при длительном заневоливании дисков по схеме нагружения, предложенной Е. А. Борисовой. Так, например, при нагрузке в 1100 кге на диске из сплава ОТ4-1 в состоянии поставки появление трещины было об­ наружено на седьмые сутки с момента нагружения. Об­ лагораживающее травление уменьшило содержание во­ дорода на поверхности, и на диске с облагороженной поверхностью трещины были обнаружены на четырнадца­ тые сутки. Для сплава ОТ4 зарождение трещины на ди­ ске в состоянии поставки было отмечено на шестые сут-

4 8 7

Анализ приведенных выше данных показывает, что характер влияния поверхностного водорода на свойства сплавов ОТ4 и ОТ4-1 зависит от схемы проведения ме­ ханических испытаний. Поверхностный водород ухудша­ ет характеристики сплавов ОТ4 и ОТ4-1 при проведении

щины образцов влияние по­ верхностного водорода должно усиливаться. Хрупкое за­

медленное разрушение при испытаниях по схеме Трояно определяется не только зарождением, но и распростране­ нием трещины. Распространение трещины лимитируется диффузией водорода из объема металла к устью трещи­ ны. Как только устье трещины уходит из обогащенного водородом поверхностного слоя, замедленное разруше­ ние определяется уже не поверхностным водородом, а водородом внутри образца. Поскольку поверхностный обогащенный водородом слой очень тонок, он не опре­ деляет разрушения.

Другая причина указанного различия может заклю­ чаться в том, что при испытаниях листовых образцов на растяжение, гиб с перегибом, двухосное растяжение тре­ щины зарождаются на поверхности, в наводороженном слое, а при испытаниях по схеме Трояно — в подповерх­ ностном слое, где имеется зона трехосного растяжения.

4 8 9